廣東韶關(guān)地震臺(tái)VS型垂直擺傾斜儀資料質(zhì)量分析

李 壯，禹小軍

(廣東省地震局韶關(guān)地震臺(tái)，廣東 韶關(guān) 512000)

1 儀器類型及臺(tái)址概況

韶關(guān)地震臺(tái)位于廣東省北部韶關(guān)市北郊皇崗山腳下，山洞巖性為混合花崗巖，背景干擾小，精度高，該山洞儀器房洞深約50米，主巷道設(shè)有多道密封門，儀器墩長(zhǎng)1.2米，寬為0.9米，墩面平整，洞內(nèi)年溫差≤0.3 ℃，洞頂覆蓋較深。VS型數(shù)字化垂直擺傾斜儀就安裝在此山洞中。通過(guò)埋地接線接入辦公樓220 V交流市電，數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)睫k公樓前兆服務(wù)器(見(jiàn)圖1)。該儀器自2007年正式驗(yàn)收以來(lái)，工作狀態(tài)良好。

圖1 韶關(guān)地震臺(tái)技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2 資料完整性分析[1-2]

對(duì)韶關(guān)地震臺(tái)VS型垂直擺傾斜儀2008年9月至2013年8月的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)第12頁(yè)表1)。

由表1可以看出，垂直擺傾斜儀2個(gè)分向完整率分別達(dá)到99.52%和99.63%，完整率基本達(dá)到觀測(cè)要求。但是缺測(cè)個(gè)數(shù)仍然比較多，具體缺測(cè)原因如第12頁(yè)的表2、圖2所示。

表1 垂直擺傾斜儀五年完整率統(tǒng)計(jì)

表2 垂直擺傾斜儀五年各種缺數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖2 NS向、EW向5年各種缺數(shù)所占百分比

由表2、圖2可以明顯看出，在近5年的傾斜儀缺數(shù)中，NS和EW向缺數(shù)原因基本相同，主要有標(biāo)定、調(diào)零及人為干擾、儀器故障、電源及線路故障以及超量程和基建影響。有的缺數(shù)原因所占比例也比較相近，如標(biāo)定、儀器故障等。下面將對(duì)各種缺數(shù)原因進(jìn)行逐步分析。

2.1 標(biāo)定造成缺數(shù)

根據(jù)《數(shù)字地震及前兆觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，每2個(gè)月需對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定一次，在實(shí)際操作中，每次標(biāo)定時(shí)間約為40分鐘，標(biāo)定期間數(shù)據(jù)根據(jù)《形變臺(tái)網(wǎng)工作細(xì)則》做缺數(shù)處理，遇到標(biāo)定結(jié)果不符合要求時(shí)，需要進(jìn)行2次標(biāo)定，因此，標(biāo)定做預(yù)處理后，對(duì)完整率的影響是無(wú)法避免的。

2.2 調(diào)零及人為干擾和超量程

垂直擺傾斜儀的輸出電壓是-2 V～+2 V之間，當(dāng)輸出電壓超過(guò)了這個(gè)范圍，觀測(cè)數(shù)據(jù)就不可用，因此，在日常觀測(cè)中，要經(jīng)常關(guān)注儀器的輸出電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi)，如果超出范圍就要盡快做調(diào)零處理。通常情況下，當(dāng)電壓值達(dá)到-1 700 mV或者+1 700 mV時(shí)，就需對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零處理。儀器零漂、地震、爆破、連續(xù)降雨和大風(fēng)等都會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生影響，都可能會(huì)出現(xiàn)超量程情況。從表2可以看出，2個(gè)分向調(diào)零對(duì)完整率影響也比較大。因調(diào)零時(shí)，人需要站在儀器墩旁，就會(huì)影響到另外一個(gè)分向的數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生突跳和臺(tái)階的情況，這時(shí)就需要進(jìn)行缺數(shù)處理，因此，人為干擾和調(diào)零對(duì)完整率的影響要一起統(tǒng)計(jì)。

(1) 強(qiáng)降雨影響。

皇崗山位于市區(qū)北邊，最高峰海拔494.8 m，韶關(guān)地震臺(tái)位于皇崗山東邊山腳下，海拔90 m。由于韶關(guān)夏季雨量充沛，在連續(xù)強(qiáng)降雨的情況下，山體里的水分會(huì)產(chǎn)生飽和狀態(tài)，質(zhì)量增加，山體受到載荷變化和水文地質(zhì)環(huán)境變化，對(duì)儀器產(chǎn)生了一定的影響。由圖3和第13頁(yè)圖4可以看出，EW分向就產(chǎn)生了連續(xù)向一個(gè)方向漂的狀態(tài)，這時(shí)，幾乎2～3天就需對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零處理(共調(diào)零5次)。從5月17日開(kāi)始，天氣晴朗，由于水分的流失和山體的彈性恢復(fù)作用，山體載荷恢復(fù)到平時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)傾斜儀也恢復(fù)正常固體潮曲線。

圖3 韶關(guān)地震臺(tái)2011年5月數(shù)據(jù)曲線圖

(2) 大風(fēng)干擾。

韶關(guān)地震臺(tái)處于黃崗山腳，皇崗山上種有滿山的松樹(shù)，當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)天氣時(shí)，山體和滿山的樹(shù)木產(chǎn)生了阻擋作用，使得山體載荷產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此，儀器記錄會(huì)產(chǎn)生變化。如圖5所示，2011年3月15日韶關(guān)地震臺(tái)垂直擺傾斜儀受到大風(fēng)的干擾。

圖4 韶關(guān)地震臺(tái)2011年5月降雨量柱狀圖

圖5 韶關(guān)地震臺(tái)2011年3月15日大風(fēng)干擾

(3) 地震影響。

震級(jí)比較大的地震也會(huì)使儀器輸出電壓超量程，產(chǎn)生無(wú)效數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行調(diào)零處理。如圖6所示，NS向2011年3月25日00～08時(shí)就需做缺數(shù)處理。

圖6 地震對(duì)儀器造成的影響

2.3 儀器故障

由表2可看出，由于儀器故障而造成的缺數(shù)，NS向?yàn)? 728個(gè)，EW向2 300個(gè)，分別占到總?cè)睌?shù)的22%和24%，可見(jiàn)儀器故障也是影響完整率的主要原因之一。據(jù)查詢得知，儀器在此統(tǒng)計(jì)時(shí)段共有2次故障，一是由于標(biāo)定結(jié)果不符合規(guī)范要求，2009年2月26日和28日更換標(biāo)定電路板導(dǎo)致NS向缺數(shù)540個(gè)和891個(gè)，EW向缺數(shù)535個(gè)和476個(gè)；二是2012年10月31日至11月1日，因儀器內(nèi)部保險(xiǎn)絲熔斷，導(dǎo)致NS向31日缺數(shù)732個(gè)和11月1日缺數(shù)565個(gè)，EW向31日缺數(shù)732個(gè)和11月1日缺數(shù)557個(gè)。

2.4 電源和線路故障

韶關(guān)地震臺(tái)垂直擺傾斜儀安裝在山洞內(nèi)部，電纜采用埋地方式，從辦公樓引入山洞為儀器提供220 V交流電，辦公樓供電采用三級(jí)防雷設(shè)計(jì)，在一定程度上保證了儀器的供電安全。2010年4月11日，在測(cè)震擺房?jī)?nèi)安裝UPS電源，同時(shí)為測(cè)震設(shè)備和傾斜儀供電。2013年5月，因技術(shù)人員認(rèn)為對(duì)測(cè)震儀器有干擾，故將UPS電源移到山洞主巷道中，但2013年7月和8月UPS出現(xiàn)故障，懷疑與山洞潮濕有關(guān)。2009年4月，未安裝UPS電源前，因市電停電而造成NS向缺數(shù)321個(gè)，EW向缺數(shù)208個(gè)；2010年10月8日，山洞保險(xiǎn)絲熔斷，造成NS向和EW向各缺數(shù)133個(gè)；2013年7月28日至30日和8月9日，因UPS故障，共導(dǎo)致NS向缺數(shù)1 513個(gè)，EW向缺數(shù)1 491個(gè)；2013年8月14和15日，因辦公樓配電箱內(nèi)電纜接頭松動(dòng)，導(dǎo)致NS向和EW向各缺數(shù)1 075個(gè)。通過(guò)表2可以看出，電源對(duì)儀器數(shù)據(jù)完整率的影響非常大，因此，要保證儀器的供電穩(wěn)定是提高數(shù)據(jù)完整率的主要措施之一。

2.5 基建影響

隨著城市化的快速發(fā)展，城市范圍在不斷地?cái)U(kuò)大，原本偏僻的地震臺(tái)站也越來(lái)越接近城市的邊緣，觀測(cè)環(huán)境也受到越來(lái)越多的干擾。如，房地產(chǎn)、工廠、地鐵和高鐵等。韶關(guān)碧桂園處于臺(tái)站東偏南(見(jiàn)第14頁(yè)圖7)，最近地方離臺(tái)站僅有500余米，由于開(kāi)山建房的需要，建筑工地采用大量的炸藥來(lái)開(kāi)山，因此，對(duì)臺(tái)站傾斜儀產(chǎn)生非常明顯的影響，主要是NS向的突跳和臺(tái)階(見(jiàn)第14頁(yè)圖8)，由于是房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)，影響不會(huì)持續(xù)太久。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大概從2013年1月開(kāi)始，持續(xù)了3個(gè)月左右，共造成NS向和EW向做預(yù)處理缺數(shù)1 990個(gè)和427個(gè)。

圖7 開(kāi)山爆破點(diǎn)與臺(tái)站的位置關(guān)系

圖8 韶關(guān)碧桂園爆破施工對(duì)傾斜儀的干擾

2.6 雷電

雷電對(duì)垂直擺傾斜儀造成的影響，一種是雷電發(fā)生時(shí)，通常氣壓在短時(shí)間內(nèi)也會(huì)發(fā)生很快的變化，可能會(huì)對(duì)傾斜儀記錄有一定的影響；另一種情況是雷電造成供電的不穩(wěn)定，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)有一定的影響。從表2可看出，雷電對(duì)傾斜儀的影響比較小，僅占1%左右。

2.7 原因不明

有一些情況無(wú)法尋找原因，如數(shù)據(jù)畸變等，原因待查的，還需多套儀器對(duì)比分析，才能確定原因。這方面所占比率也較小，約1%。

3 觀測(cè)資料穩(wěn)定性、可靠性分析

為真實(shí)反映韶關(guān)地震臺(tái)傾斜儀觀測(cè)值的穩(wěn)定性和可靠性，在排除觀測(cè)資料受干擾部分的基礎(chǔ)上，對(duì)資料進(jìn)行以下統(tǒng)計(jì)：潮汐因子均方誤差和相對(duì)噪聲水平。其中，潮汐因子均方誤差主要體現(xiàn)一年中12個(gè)月潮汐因子的波動(dòng)程度，而相對(duì)噪聲水平是反應(yīng)觀測(cè)資料中非潮汐成分的年穩(wěn)定性。由表3可看出，NS向絕對(duì)誤差大部分在0.01～0.04之間，2009年3月更換標(biāo)定電路板后，有所改善，但仍然沒(méi)有完全達(dá)到要求的小于0.02，相對(duì)誤差也在0.01～0.06之間，達(dá)不到Ⅰ類臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，但基本也處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)；EW向的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差大部分都小于要求指標(biāo)0.02，可以達(dá)到Ⅰ類臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 韶關(guān)地震臺(tái)垂直擺傾斜儀潮汐參數(shù)

表3 (續(xù))

表3 (續(xù))

4 同震效應(yīng)

垂直擺傾斜儀的觀測(cè)精度非常高，不僅能清晰記錄到固體潮汐變化，而且能記錄到地震波的變化。根據(jù)日常處理情況來(lái)看，沒(méi)有記錄到地方震(未發(fā)生過(guò)ML3以上地震)，能清晰記錄到震中距800公里以內(nèi)M5.5以上地震、震中距2 500公里以內(nèi)M7.0以上地震及全球M8.0以上的特大地震。其中，省內(nèi)主要記錄河源的地震，一般3.0級(jí)以上地震都可以記錄到。圖9為2013年2月22日廣東河源4.8級(jí)地震的同震效應(yīng)，圖10為2013年4月20日四川省雅安市蘆山縣7.0級(jí)地震的同震效應(yīng)。

圖9 廣東河源4.8級(jí)地震同震效應(yīng)圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)韶關(guān)地震臺(tái)VS型垂直擺傾斜儀2008年至2013年資料分析研究可知，垂直擺傾斜儀的完整率和精度都比較高，完整率主要受標(biāo)定、調(diào)零及人為干擾、儀器故障、電源及線路故障和基建工程等影響。儀器能記錄到清晰的固體潮汐變化，基本能記錄到全球大部分地震的地震波，資料連續(xù)性、穩(wěn)定性、可靠性都很高。今后要加強(qiáng)掌握儀器的基本狀態(tài)，為進(jìn)一步提高儀器數(shù)據(jù)完整率和資料的可利用性提供保障。

圖10 四川雅安蘆山縣7.0級(jí)地震同震效應(yīng)圖

參考文獻(xiàn)：

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