廈門地震臺(tái)伸縮儀畸變現(xiàn)象原因探討

楊 婕 ，劉水蓮 ，卓 群，凌學(xué)才

（1.廈門地震臺(tái)，福建 廈門 361003；2.永安地震臺(tái)，福建 永安 366000；3.廈門市地震遙測中心，福建 廈門 361003；4.安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230022）

廈門地震臺(tái)伸縮儀畸變現(xiàn)象原因探討

楊 婕1，劉水蓮2，卓 群3，凌學(xué)才4

（1.廈門地震臺(tái)，福建 廈門 361003；2.永安地震臺(tái)，福建 永安 366000；3.廈門市地震遙測中心，福建 廈門 361003；4.安徽省電力設(shè)計(jì)院，安徽 合肥230022）

通過對(duì)廈門地震臺(tái)伸縮儀畸變現(xiàn)象分析，認(rèn)為引起畸變的原因很多，比如儀器故障、電源故障、干擾等。也可能另有其他干擾因素，有待在今后的工作中繼續(xù)觀察、探討。

伸縮儀；固體潮；畸變；異常

0 引言

固體潮有3種類型，即重力固體潮、傾斜固體潮和應(yīng)變固體潮[1]。從理論上講，正常的固體潮觀測曲線是光滑的近似的正弦曲線，實(shí)際的觀測曲線中，常常有突跳、臺(tái)階、波動(dòng)（或脈動(dòng)）、曲線速率改變等現(xiàn)象 （本文中統(tǒng)稱為畸變現(xiàn)象），也記錄到一些特異圖像[2～6]。

廈門地震臺(tái)位于鴻山東北麓，是一個(gè)固體潮綜合觀測臺(tái)，集重力、傾斜與應(yīng)變固體潮觀測于一身，自開展地形變觀測以來，已明顯記錄到了兩次地震的地形變前兆[7]。2010年以來，該臺(tái)站伸縮儀出現(xiàn)畸變現(xiàn)象的頻次明顯增加：截止至4月18日，合計(jì)108個(gè)觀測日中，北南向觀測曲線有28日出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，占總觀測日的25.9%；東西向觀測曲線有69日出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，占總觀測日的63.99%。是環(huán)境干擾？儀器故障？還是地震前兆？值得探討。

1 臺(tái)址條件及儀器布設(shè)情況

廈門島位于福建省南部九龍江出海口的金門灣，東臨臺(tái)灣海峽，背靠閩南大陸。地質(zhì)構(gòu)造屬于 “閩東火山斷坳帶”東緣，“閩南沿海變質(zhì)帶”的西南部。廈門島南部為中低丘陵地形，制高點(diǎn)云頂巖，海拔339.6 m。廈門地震臺(tái)位于廈門島南部，臺(tái)站院子中有一平洞，由主巷、支巷和洞室組成。主巷道總體走向?yàn)镾E122°31′04″，進(jìn)深71.5 m，寬3.0 m，高2.5 m；支巷道寬3.0 m，高2.5 m或?qū)?.5 m，高2.0 m，洞室臨支巷道修建。平洞內(nèi)平洞上覆蓋厚度由東向西減小，東端最厚處為38 m。洞內(nèi)巖石為燕山中期花崗巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，洞內(nèi)年變溫差＜0.5℃，日溫差小于0.03℃，安裝有DSQ水管儀、SS-Y伸縮儀、VS垂直擺和DZW重力儀等4套儀器。

2 出現(xiàn)畸變的伸縮儀觀測曲線

從理論上說，理想的觀測曲線是光滑的近似正弦曲線，固體潮形態(tài)清晰，廈門臺(tái)的重力曲線就是如此 （圖1a）。根據(jù)固體潮理論，應(yīng)變固體潮分量為引潮力對(duì)經(jīng)緯度的二階導(dǎo)數(shù)，傾斜則為位對(duì)經(jīng)緯度的一階導(dǎo)數(shù)，而重力是位對(duì)徑向半徑的一階導(dǎo)數(shù)。因此，重力觀測曲線非常光滑，傾斜觀測 （水管儀和垂直擺觀測儀）也基本光滑，伸縮儀觀測曲線則顯得不那么光滑，還經(jīng)常有畸變現(xiàn)象 (圖1b)。

圖1 重力儀與伸縮儀日曲線對(duì)比圖Fig.1 Comparison diagram of daily variation curves of gravity instrument and extensometer

廈門臺(tái)伸縮儀觀測曲線中的畸變現(xiàn)象主要是：出現(xiàn) “毛刺”、數(shù)據(jù)突跳、臺(tái)階、曲線速率出現(xiàn)改變導(dǎo)致固體潮形態(tài)明顯偏離似正弦形態(tài) （圖1b中橢圓示意部分）。

3 畸變現(xiàn)象原因分析

影響數(shù)字化儀器觀測的因素很多，環(huán)境變化、儀器本體故障、數(shù)字采集器故障、應(yīng)用軟件出錯(cuò)、觀測人員操作失誤，都可能影響觀測曲線。

3.1 氣壓影響

從2004年4月17日伸縮儀與氣壓日曲線對(duì)比圖 （圖2）中可以明顯看出，23 h20 m，氣壓觀測曲線與伸縮儀觀測曲線的速率都向下大幅度降低，20 min后又急劇回升。三條觀測曲線出現(xiàn)畸變的形態(tài)相似，時(shí)間同步。

庫爾勒地震臺(tái)伸縮觀測數(shù)據(jù)變化與氣壓變化的相關(guān)系數(shù)的均值分別達(dá)到0.95、0.85，存在明顯正相關(guān)[8]。利用廈門臺(tái)2005年全年的氣壓和伸縮儀分鐘值觀測資料，用相同參數(shù)的高頻濾波器分別進(jìn)行濾波處理，得到各自的高頻信息，通過一元回歸得到相關(guān)系數(shù) （表1）。同樣方法得到各自的低頻信息的相關(guān)系數(shù) （表2）[9]。

圖2 伸縮儀與氣壓日曲線對(duì)比圖Fig.2 Comparison diagram of daily variation curves of extensometer and barometer

表1 從廈門臺(tái)伸縮儀與氣壓的高頻信息中得到的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of high-frequency information between extensometer at Xiamen seismostation andatmosphericpressure

表2 從廈門臺(tái)伸縮儀與氣壓的低頻信息中得到的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of low-frequency information between extensometer at Xiamen seismostation andatmosphericpressure

對(duì)比表1和表2，可以看出，廈門臺(tái)伸縮儀高頻信息與氣壓的相關(guān)系數(shù)很低，最大的（5月份南北分量）為0.2952，最小的 （12月份東西分量）才0.0260。低頻信息與氣壓的相關(guān)系數(shù)高得多，最大的 （10月份東西分量）達(dá)到0.7479，最小的 （2月份南北分量）為-0.0282。從相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果看，廈門臺(tái)伸縮儀觀測值受氣壓影響并不大。

3.2 降水影響

2006年，伸縮儀 (EW分量尤為明顯)的年變曲線在5～8月間出現(xiàn)幾次明顯的 “突降”，似乎出現(xiàn)了異常，而且以下降 （即壓縮）為多，而變化時(shí)間與強(qiáng)降水時(shí)間有很好的對(duì)應(yīng)。以2006年5月觀測曲線 （圖3）為例，該月降水總量579 mm，從圖上可看出，觀測曲線出現(xiàn)趨勢變化和開始恢復(fù)的時(shí)間，明顯就是強(qiáng)降水出現(xiàn)和結(jié)束的時(shí)間。通過對(duì)比分析，計(jì)算相關(guān)性，認(rèn)為伸縮儀的年變趨勢和月變趨勢中出現(xiàn)的突降現(xiàn)象，是在強(qiáng)降水影響下，山體巖石體積發(fā)生膨脹，產(chǎn)生不均勻變形，進(jìn)而影響伸縮儀的變化趨勢。由于原因是儀器安裝在平洞內(nèi)，平洞之上的花崗巖風(fēng)化山丘的山脊走向?yàn)镹NE-SSW，強(qiáng)降水作用下，山體變形是非均勻的，伸縮儀NS向曲線受強(qiáng)降水影響程度不如EW向大[10]。

圖3 伸縮儀與降水量的月曲線對(duì)比圖Fig.3 Comparison diagram of monthly variation curves of extensometer and precipitation

3.3 溫度影響

山洞為封閉式，巷道內(nèi)安裝有船艙門，洞內(nèi)溫度的年變幅在0.5℃內(nèi)，溫度的年曲線基本呈直線型。溫度因素對(duì)伸縮儀的影響不明顯。

3.4 人為干擾

主要是人員參觀、標(biāo)定儀器、檢查儀器等原因進(jìn)入山洞，引起空氣氣流改變，或者水管儀進(jìn)行標(biāo)定時(shí)調(diào)整電壓值對(duì)共墩的伸縮儀造成影響，這類干擾主要是造成一些小的脈沖，偶爾有小的臺(tái)階；對(duì)伸縮儀進(jìn)行標(biāo)定則會(huì)引起大的脈沖和臺(tái)階。

3.5 海潮影響

因?yàn)閺B門島四周環(huán)海，僅在島的北偏西方向有一海堤與大陸相連，廈門臺(tái)所處的位置無論是從外海的角度來講還是從港內(nèi)灣流的方面來講，都被海水所包圍，其觀測資料嚴(yán)重受海潮干擾[11～12]。廈門臺(tái)洞體應(yīng)變觀測曲線上疊加的 “毛刺”現(xiàn)象實(shí)際上就是海潮干擾的一種表現(xiàn)形式[9]。在理論上，將海潮的影響從地形變觀測資料中剔除，即所謂的 “海潮效應(yīng)改正”問題已經(jīng)得到根本的解決[13～14]。但海潮影響是一個(gè)很復(fù)雜的過程，目前，廈門臺(tái)的日常資料預(yù)處理中還無法進(jìn)行海潮改正。

3.6 可能是前兆異常

強(qiáng)震前后，在長周期地震觀測儀的觀測中常能記錄到一些異常的地動(dòng)信號(hào)[15～17]。伸縮儀的觀測對(duì)象為應(yīng)力固體潮，從濾波角度來看，應(yīng)力固體潮為一個(gè)二階微分器，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高通濾波器，所以，對(duì)外界激勵(lì)的響應(yīng)，應(yīng)變固體潮表現(xiàn)為對(duì)短臨前兆反映最靈敏。 2011年3月11日13時(shí)46分21秒，在日本本州東海岸附近海域發(fā)生8.6級(jí)地震。3月10日，全球范圍共發(fā)生破壞性地震6個(gè) （表3）。

研究表明[1]：大震前，形態(tài)法：在原始記錄曲線、整點(diǎn)值與日均值等分量圖與矢量曲線圖變化的背景上，若出現(xiàn)曲線速率、階躍、脈沖、波動(dòng) （或脈動(dòng)）、“鼓包”等情況，矢量圖顯示急拐彎、打結(jié)、變速，經(jīng)查實(shí)又無其它因素的突變干擾，可當(dāng)作是地殼異常運(yùn)動(dòng)的反映來處理。對(duì)于日本強(qiáng)震前廈門臺(tái)伸縮儀觀測中出現(xiàn)的這些的畸變，不排除是前兆異常。這些畸變與強(qiáng)震的關(guān)系、機(jī)理還不清楚，有待今后繼續(xù)研究。

表3 2011年3月10日6次MS5.0以上地震震的基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of 6 strong earthquakes in March.10,2007 with MS＞5.0

3.7 數(shù)采收數(shù)過程出錯(cuò)

數(shù)字化采集使用中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的DQS-1型前兆綜合主臺(tái)數(shù)字化公用設(shè)備中的DSC-2A型數(shù)據(jù)采集器，采集前兆觀測儀器的輸出電壓信號(hào)，采用線性轉(zhuǎn)換公式，將電壓值乘以標(biāo)定格值，再加上改正值得到對(duì)應(yīng)的物理量[18]。

數(shù)據(jù)采集器安裝在儀器室，與計(jì)算機(jī)、DSQ水管儀的測微擴(kuò)展儀、垂直擺模擬觀測儀器等電子產(chǎn)品擺放在一起，在數(shù)據(jù)采集時(shí)，有時(shí)候出現(xiàn)原始分鐘值缺失，也經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象。由于突跳時(shí)間集中在07h30mm至08h30mm之間，且大多數(shù)在收數(shù)開始后3 min內(nèi)，有可能是有可能因交流供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，或是收數(shù)的計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻引起電流突然變化，對(duì)數(shù)據(jù)采集造成影響。這類突跳，在排除外界干擾和同震響應(yīng)之后，可以使用預(yù)處理軟件去除，對(duì)觀測曲線的長趨勢沒有影響，目前也沒有有效的預(yù)防方法。

3.8 零點(diǎn)臺(tái)階

零點(diǎn)臺(tái)階是一種很特殊的臺(tái)階，它出現(xiàn)在當(dāng)日00h00m的觀測值和昨日23h59m的觀測值之間。廈門臺(tái)數(shù)字化儀器的零點(diǎn)臺(tái)階產(chǎn)生原因主要有三點(diǎn)：第一，數(shù)據(jù)采集設(shè)備在信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換過程中的錯(cuò)誤；第二，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件本身存在缺陷 （原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤或歸零處理、標(biāo)定處理、自動(dòng)臺(tái)階改正的計(jì)算結(jié)果不正確）；第三，觀測人員數(shù)據(jù)處理不當(dāng)是造成零點(diǎn)臺(tái)階最主要的原因[2]。

零點(diǎn)臺(tái)階用預(yù)處理軟件消除后，對(duì)長趨勢沒有影響。但如果在日常的預(yù)處理工作中沒有及時(shí)消除，這種臺(tái)階將影響觀測工作的質(zhì)量，對(duì)分析預(yù)報(bào)工作和科研也很不利，因此，仍值得重視。

4 討論

通過對(duì)廈門臺(tái)伸縮儀日常觀測曲線中出現(xiàn)的畸變現(xiàn)象進(jìn)行分析，認(rèn)為廈門臺(tái)伸縮儀畸變的主要原因有：可能的前兆異常、氣象因素影響、人員干擾、數(shù)采儀器故障、伸縮儀本體故障以及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（1）海潮干擾。海潮影響，使得伸縮儀的觀測曲線一直存在 “毛刺”，是最重要的干擾源；

圖4 伸縮儀的畸變現(xiàn)象Fig.4 Distortion of extensometer

（2）前兆異常。對(duì)于一些大震前出現(xiàn)的畸變，在排除環(huán)境干擾、電源干擾、人為干擾的前提下，也不排除是前兆異常，但這些畸變與強(qiáng)震的關(guān)系、機(jī)理還不清楚，有待今后繼續(xù)研究；

（3）氣壓和強(qiáng)降水的影響。其中氣壓的影響主要為瞬時(shí)擾動(dòng)，強(qiáng)降水 （尤其是長時(shí)間的強(qiáng)降水）對(duì)伸縮儀的觀測影響較大，可能影響到月曲線和年曲線的趨勢變化；

（4）人為干擾。人員進(jìn)洞引起空氣對(duì)流，觀測曲線上會(huì)出現(xiàn)一些脈沖式的波動(dòng)，或引起臺(tái)階波動(dòng)；

（5）數(shù)字化采集過程出錯(cuò)。主要現(xiàn)象是數(shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)突跳；

（6）零點(diǎn)臺(tái)階。產(chǎn)生原因主要是：數(shù)據(jù)采集設(shè)備在信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換過程中的錯(cuò)誤，或者數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件本身存在缺陷，或者觀測人員對(duì)數(shù)據(jù)處理不當(dāng)；

（7)伸縮儀本體故障，如探頭出現(xiàn)故障，觀測曲線也可能出現(xiàn)畸變現(xiàn)象。

影響伸縮儀觀測的因素很多，研究表明：影響伸縮儀觀測的因素很多，例如基線材料的溫度效應(yīng)，吊絲的溫度效應(yīng)，重力場的變化，環(huán)境場的變化，監(jiān)測山洞中的空氣對(duì)流、溫度梯度等[8]。文章統(tǒng)計(jì)廈門臺(tái)9年來的數(shù)字化觀測中出現(xiàn)的畸變現(xiàn)象，并做粗淺分析，其他類型畸變現(xiàn)象及產(chǎn)生原因、預(yù)防方法都有待繼續(xù)探討。

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Discussion on the Cause of Distortion of Extensometer at Xiamen Seismostation

YANG Jie1，LIU Shuilian2， ZHUO Qun3， LING Xuecai4

(1.Xiamen Seismostation,Xiamen 361003,China;2.Yong'an Seismostation,Yong'an 3660003,China;3.Xiamen Seismic Digital Telemetering Centre,Xiamen 361003,China;4.Anhui Electric Power Design Institute,Hefei 230022,China)

Study on some distortion of extensometer at Xiamen seismostation,the result shows that there are many causes,most of which are instrument fault,power failure,and jamming,etc.Other interference factors are also likely to be the cause,which depends on further observation and research.

extensometer;earth tide;distortion;abnormity

P315.622

A

1001-8662（2012）01-0041-08

2011-09-13

福建省地震局2010年度地震科研項(xiàng)目基金 （閩震科函 [2010]9號(hào)）

楊 婕，女，1974年生，工程師.主要從事地形變觀測與分析預(yù)報(bào)工作.E-mail:xmwjh@sina.com.