涉縣地震臺伸縮儀EW向觀測精度的提高途徑

趙長紅,張雙鳳,馬廣慶,李相平,江永建

(1.河北省地震局涉縣地震臺,涉縣 056400;

2.河北省地震局邯鄲中心臺,邯鄲 056001;

3.河北省地震局,石家莊 050022)

涉縣地震臺伸縮儀EW向觀測精度的提高途徑

趙長紅1,張雙鳳2,馬廣慶3,李相平1,江永建1

(1.河北省地震局涉縣地震臺,涉縣 056400;

2.河北省地震局邯鄲中心臺,邯鄲 056001;

3.河北省地震局,石家莊 050022)

涉縣地震臺伸縮儀EW向自2001年數(shù)字化改造以來,其觀測精度呈逐年下降的趨勢,為了找出原因并解決這個問題,我們從改造供電系統(tǒng)、加強洞室密封、改進避雷措施、更換儀器傳感系統(tǒng)等方面展開工作,有效地去除了伸縮儀觀測曲線的“毛刺"現(xiàn)象,杜絕了雷害,提高了伸縮儀 EW向的觀測精度。

伸縮儀;觀測精度;傳感系統(tǒng)

0 引言

伸縮儀是精密測量地殼巖體兩點間距離相對變化的儀器,為研究地震孕育過程的應(yīng)變變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)。SS-Y型伸縮儀以線膨脹系數(shù)極小的含鈮特種銦瓦棒為基線,使用高靈敏度的電渦流位移傳感器和精密超微量標定平臺,具有高靈敏度和高穩(wěn)定性的特點[1]。涉縣臺的SS-Y型伸縮儀2001年9月投入運行,近9年來,儀器運行正常,連續(xù)率高,故障率低。其間,根據(jù)我臺的實際情況,做了一些改造工作,有效提高了觀測精度,收到了較好的效果。本文就此做簡單地分析總結(jié)。

1 涉縣地震臺概況

涉縣地震臺位于河北省涉縣縣城西南大約2km處,太行山山前斷裂帶西側(cè),高程500m,臺基為下奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r。形變山洞呈L型布設(shè),進深約120m,引洞深約60m,洞頂覆蓋層平均厚度不足15m。為了加強洞內(nèi)觀測環(huán)境的穩(wěn)定性,2006年對形變山洞進行了密封改造,在儀器室和引洞內(nèi)共加裝了7道船艙水密門,并用5cm厚的聚乙烯泡沫板將儀器本體密封包裝起來。這些措施在很大程度上減輕了氣溫、氣壓變化和人為進洞引起的干擾。改造后洞內(nèi)結(jié)構(gòu)及儀器布設(shè)如圖1所示。

圖1 涉縣地震臺形變山洞平面示意圖

2 存在問題

涉縣臺的伸縮儀自2001年9月投入運行至今已經(jīng)8年多了,在此期間,我們發(fā)現(xiàn)其 EW向觀測資料的內(nèi)在精度(M2波潮幅因子相對中誤差)呈逐年下降的趨勢(表1),而NS向的觀測精度一直比較穩(wěn)定,且比 EW向高。我們知道,理論上伸縮儀 EW向的固體潮幅度沒有NS向大,如果存在同樣的干擾,則 EW向的信噪比就相對較小,其固體潮形態(tài)也會較差。但是這卻無法解釋為什么NS向的觀測精度穩(wěn)定,而EW向的觀測精度卻長期下滑。

表1 涉縣臺SS-Y型伸縮儀潮幅因子相對中誤差年均值表

2009年的精度值,用中國地震局形變學(xué)科管理組指定的“形變前兆臺網(wǎng)及臺站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”計算得出,其它年份則是采用中國地震局形變學(xué)科管理組的計算結(jié)果。2005年伸縮儀2分量的觀測精度較低,有3大影響因素:①3—5月NS向儀器故障,多次進洞調(diào)試;②7—9月洞室內(nèi)建門垛及更換密封門;③10月多人多次進洞重裝DSQ儀NS分向。

3 原因分析

為了找出伸縮儀 EW向觀測精度逐年下滑的原因,我們主要從下面幾個方面進行查找。

3.1 排除電源干擾

日常資料處理中我們注意到涉縣臺伸縮儀記錄到的固體潮不是細而光滑的曲線,而是一條疊加了某種周期性高頻干擾成分的很粗的線,我們稱之為“毛刺”(圖2a),這種“毛刺”的疊加,會使觀測值和真實值之間產(chǎn)生偏離,在計算M2波潮幅因子相對中誤差時,就會在一定程度上造成精度的降低。我們通過斷開交流電源,只用直流電源給儀器供電的方法進行檢驗,發(fā)現(xiàn)觀測曲線的“毛刺”現(xiàn)象消失了,這說明交流電源正是造成這種高頻干擾的主要原因。分析認為:我們國家交流電源50Hz的頻率是固定的,經(jīng)過穩(wěn)壓后干擾強度應(yīng)該沒有變化,伸縮儀兩個方向使用同一個電源,也就存在同樣的干擾。因為NS向的觀測精度一直比較穩(wěn)定,所以交流電是形成“毛刺”的原因,不是造成 EW向觀測精度逐年下滑的主要原因。

圖2 電源改造前后EW向曲線對比圖

3.2 加強洞室密封效果

涉縣臺形變山洞覆蓋層較薄,平均厚度不足15m,距離《地形變觀測規(guī)范》的“水平坑道儀器室頂覆蓋及旁側(cè)覆蓋≥40m覆蓋層”的要求差距很大;2006年改造前洞室的密封效果也較差(儀器本體沒有保溫層,引洞內(nèi)只有4道塑料門)。有研究顯示氣壓的變化波動幅度102Pa左右,其應(yīng)變量的變化率相對量級達到10-8,而SS-Y型伸縮儀的相對觀測精度優(yōu)于10-9,所以已超出了它的相對觀測精度[1-2],因此認為密封措施不利對資料精度的影響是不可忽略的。涉縣臺伸縮儀的EW向更靠近洞口,加上其固體潮幅度比NS向小,所以信噪比也會比NS向小,受到氣流變化的影響就會更明顯。

2006年涉縣臺形變山洞綜合改造時,主要做了以下3方面的工作,一是改進了儀器的供電系統(tǒng),斷開交流電源,采用全天候的直流供電;二是用聚乙烯泡沫板做保溫層將儀器本體密封包裝起來,在儀器洞室和引洞內(nèi)加裝了7道船艙水密門。三是將直流電源、數(shù)采等設(shè)備從原觀測室(位于臺站大院內(nèi))遷至洞口房內(nèi)。

通過這3項改造措施,觀測資料的內(nèi)在質(zhì)量有了明顯改觀:徹底消除了交流電造成的干擾,分鐘值曲線變得細而光滑,“毛刺”消失(圖2b);洞內(nèi)溫度、氣流變化等更趨穩(wěn)定,洞溫年變化遠遠小于0.5℃的要求[2](表2)。然而從表1可知改造后的2008年EW向的觀測精度仍然在下滑,原因仍需繼續(xù)尋找。

表2 涉縣臺洞體溫度日均值年變表

3.3 雷害

涉縣地震臺地處太行山麓,是雷電高發(fā)區(qū),2006年山洞改造前洞內(nèi)洞外的儀器及電源設(shè)備都曾多次被雷電擊壞過,改造后的3年多時間,形變儀器未發(fā)生雷擊事件。

伸縮儀EW向曲線的日常形態(tài)是正常的,多年來格值標定的重復(fù)性和穩(wěn)定性也符合規(guī)范要求,所以我們一直在外部尋找原因。2006年山洞改造后影響觀測資料精度的外在原因基本排除了,但是EW向的觀測精度仍在不斷下滑,所以開始在儀器方面查找原因。首先更換了伸縮儀的數(shù)采,然而問題依舊。經(jīng)過反復(fù)分析討論,結(jié)合臺站所在地雷電較多的情況——只在2005年一年內(nèi)涉縣臺就發(fā)生過4次雷擊事件,我們推測EW向的傳感系統(tǒng)存在遭到雷電破壞的可能性。2005年8月,位置比伸縮儀EW向更靠里的VS儀的主機箱就曾被雷電擊壞過。我們進洞檢查了EW向的傳感系統(tǒng),在前置盒里的電路板上發(fā)現(xiàn)有輕微的發(fā)黃痕跡,這可能就是雷擊造成的,很有可能就是2005年8月的那次雷擊造成的,那次雷擊造成的破壞較大,臺站的幾臺家用電器、形變觀測全套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、UPS電源、甚至位于山洞內(nèi)的部分前端儀器(VS儀主機箱)都遭到了不同程度的破壞。但是2005年8月的那次雷擊事件后,EW向曲線的形態(tài)并沒有發(fā)生明顯的變化,格值標定也符合規(guī)范要求。分析認為:前置盒雖然遭到雷擊,但并沒有給電子元件造成嚴重的損傷,只是造成了其性能的不穩(wěn)定,所以在日常觀測中很難發(fā)現(xiàn)。隨著時間越來越長,加之山洞內(nèi)濕度較大,電子元件的穩(wěn)定性也逐漸變差,于是就造成了 EW向觀測精度逐年下滑的現(xiàn)象。

4 結(jié)果及討論

4.1 結(jié)果

2009年6月底調(diào)儀器期間,更換了伸縮儀 EW向的整套傳感系統(tǒng)。從表3、表4中可以看出,1—6月EW向 M2波潮幅因子相對中誤差的均值為0.0573,7—12月為0.0428,更換傳感系統(tǒng)后 EW向的觀測精度明顯優(yōu)于更換前。事實證明傳感系統(tǒng)性能的下降,就是導(dǎo)致涉縣臺伸縮儀EW向精度逐年下降的主要原因。

表3 2009年1—6月伸縮儀EW向 M2波潮幅因子相對中誤差表

表4 2009年7—12月伸縮儀EW向M2波潮幅因子相對中誤差表

4.2 討論

影響形變觀測資料質(zhì)量的因素有很多[2-4],從觀測場地的地址構(gòu)造到洞室環(huán)境以及儀器系統(tǒng)和供電系統(tǒng)等,每一個環(huán)節(jié)都至關(guān)重要。觀測場地一經(jīng)選定,就無法改變;洞室環(huán)境,也只能做一些微觀改進,比如采用小腔體,直接給儀器營造一個相對穩(wěn)定的小環(huán)境;采用交流電源給儀器供電,容易造成高頻干擾,改用直流供電,這種干擾就可避免;儀器本身的問題一般是在標定過程中檢驗出來的,如果標定的參數(shù)都合格,一般就認為儀器工作正常;容易忽視雷擊、洞室濕度大等原因造成的儀器內(nèi)部電子元件性能的不穩(wěn)定,會造成觀測精度的不斷下降。所以,當(dāng)觀測儀器出現(xiàn)問題或故障時,我們不能只注意到那些常見的原因,還應(yīng)該從多方面更深入地去分析,才能更準確地找出問題所在。

[1] 呂寵吾,孫亞強,杜為民,等.SS-Y型短基線伸縮儀及其標定裝置[J].地殼形變與地震,2001,21(3):82-88.

[2] 中國地震局.地震及前兆數(shù)字觀測技術(shù)規(guī)范[M].北京:地震出版社,2001.

[3] 張文來,羅宏江,蘇萍.氣壓變化對SS-Y伸縮儀觀測日變曲線的干擾分析[J].內(nèi)陸地震,2006,20(3):266-270.

[4] GB/T19531.3-2004地殼形變觀測[S].北京:中國標準出版社,2004.

Study on Observation Accuracy of Extensometer in Shexian Seismostation

ZHAO Chang-hong1,ZHANG Shuang-feng2,MA Guang-qing3,LI Xiang-ping1,J IANG Yong-jian1
(1.Shexian Seismostation,Shexian 056400,China;
2.Handan Central Seismostation,Handan 056001,China;
3.Earthquake Administration of Hebei,Shijiazhuang 050022,China)

Since 2001,the observation accuracy of the EW component of extensometer in Shexian seismostation decreased year by year.In order to find the cause and solve the problem,we reformed the power supply system,enhanced the sealing property of the observation cave room and improved the lightning protection measure.Through these methods,the observation accuracy of the EW component of extensometer in Shexian seismostation was obviously improved.

extensometer;observation accuracy;the transducer system

P315.72

A

1003-1375(2011)01-0036-04

2010-06-22

趙長紅(1974-),男,河北內(nèi)丘人,河北省地震局助理工程師,從事形變觀測工作.E-mail:zhchh@eq-he.ac.cn.