山洞溫度對形變儀器的影響特征分析

張亮娥，陳?？。芪膹?qiáng)，趙 強(qiáng)，范 磊

（1.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺，山西 太原 030025；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

太原基準(zhǔn)地震臺（以下簡稱太原臺）山洞開鑿?fù)旯び?004年底，2005—2006年陸續(xù)安裝水管傾斜儀、伸縮儀、水平擺傾斜儀等數(shù)字化形變觀測儀器。其中，伸縮儀附帶有精度為0.01℃溫度觀測傳感器，該傳感器安裝于EW向支洞內(nèi)。自觀測以來，山洞溫度一直保持在15.7～15.9℃之間，日變幅≤0.03℃，年變幅≤0.5℃，符合規(guī)范要求。2012年12月24日起，山洞溫度出現(xiàn)趨勢性上升，日上升幅度≥0.03℃，安裝于山洞各形變儀器的觀測數(shù)據(jù)也出現(xiàn)同步變化。為此，文章對此次溫度異常變化的原因進(jìn)行落實(shí)，并對溫度變化造成形變數(shù)據(jù)的影響做初步分析，同時(shí)在山洞保溫措施方面提出建議。

1 太原臺形變觀測基本情況

1.1 山洞概況

太原臺形變觀測山洞于2004年底建設(shè)完工，位于臺站院內(nèi)，監(jiān)測大樓南測（見圖1），山體出露地層由老至新為中奧陶系馬家溝統(tǒng)灰色―深灰色中厚層石灰?guī)r―淺黃灰色泥灰?guī)r，在太原臺臺址一帶出露的灰?guī)r厚度達(dá)80余米。巖層走向NE或NNE，傾角10°～20°，洞口高程832.5m，山洞全長170m，其中引洞長78m，EW向長54m，NS向長28m，兩支洞長10m，覆蓋層厚40～60m。

1.2 儀器安裝情況

太原臺山洞內(nèi)共安裝3套形變觀測儀器，基本參數(shù)如表1所示。

2 溫度異常落實(shí)

2.1 山洞溫度年、日變化

圖1 太原臺形變山洞位置及儀器布設(shè)圖Fig.1 The position of deformation cave at Taiyuan Station and the instrument layout

表1 太原臺山洞安裝儀器簡表Table 1 Instruments in the cave at Taiyuan Station

太原臺山洞溫度由伸縮儀自帶的輔助觀測設(shè)備進(jìn)行觀測，傳感器安裝于EW方向支洞內(nèi)。自觀測記錄以來，溫度一直保持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，2008年至2012年五年間，除2008年山洞維修造成溫度較大變化外，其余時(shí)段溫度值的年變化范圍保持在15.7～15.9℃之間，溫度日變化幅度≤0.03℃，符合規(guī)范要求（見圖2、圖3）。

圖2 太原臺山洞溫度日均值圖Fig.2 Daily mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

圖3 太原臺山洞溫度日變化分鐘曲線圖Fig.3 Minute mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

2.2 溫度異常及采取的措施

太原臺山洞溫度異常時(shí)段在2012年12月24日至2013年7月中旬，異常特征表現(xiàn)為趨勢性的上升下降及日變化幅度≥0.03℃（見圖2）。

異常出現(xiàn)期間，與相關(guān)技術(shù)人員及儀器生產(chǎn)廠家多次溝通，分析引起數(shù)據(jù)變化的可能原因，采取更換溫度傳感器等措施進(jìn)行對比觀測，排除儀器故障的原因。

經(jīng)過大量的調(diào)查，確認(rèn)是山洞更換燈泡引起溫度數(shù)據(jù)的異常變化（見圖4）。太原臺山洞照明一直使用的是節(jié)能燈一類的發(fā)熱量極小的冷光源燈泡，大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，使用率很低，但其故障率卻很高。因此，2012年下半年以來陸續(xù)更換了一批白熾燈。由于白熾燈散熱量大，導(dǎo)致山洞溫度的升高。查明原因后，于2013年6月5日將所有照明燈更換為冷光源燈，溫度逐漸恢復(fù)正常（見圖4）。

分析溫度數(shù)據(jù)異常期間的儀器標(biāo)定、維修記錄發(fā)現(xiàn)，每次標(biāo)定及維修儀器時(shí)，較長時(shí)間的使用白熾燈會導(dǎo)致溫度的顯著升高（雷電及更換傳感器造成的臺階在此不做討論），人員撤離后，溫度值開始逐漸下降，期間多次反復(fù)（主要表現(xiàn)為3次大的起伏），直至更換了照明設(shè)備（見圖4）。下面詳細(xì)列出儀器標(biāo)定、維修的過程，與圖4中溫度的變化進(jìn)行比較。

（1）2012年12月24日17時(shí)，水管儀、伸縮儀兩方向調(diào)零。

（2）2012年12月25日15時(shí)，水管儀、伸縮儀兩方向標(biāo)定，其中伸縮儀NS向結(jié)果不合格，之后進(jìn)行伸縮儀NS向標(biāo)定器的維護(hù)，但標(biāo)定結(jié)果仍不合格。

（3）2012年12月26日8時(shí)至11時(shí)，調(diào)整伸縮儀NS向標(biāo)定器，之后標(biāo)定結(jié)果合格。

（4）2012年12月31日，在廠家指導(dǎo)下維護(hù)NS向標(biāo)定器。

（5）2013年1月5日，山西省地震局相關(guān)人員落實(shí)異常，查看洞室環(huán)境，未找到干擾原因。

（6）2013年1月30日，更換新傳感器。

（7）2013年3月9日、5月6日調(diào)水管儀NS向零點(diǎn)。

（8）2013年6月5日更換燈泡。

（9）2013年9月12日雷電干擾。

（10）2013年12月26日更換為原溫度傳感器。

圖4 太原臺山洞溫度日均值圖Fig.4 Daily mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

3 溫度對形變觀測儀器的影響

太原臺山洞共安裝有3套形變觀測儀器，溫度變化對3套儀器均造成不同程度的影響，其特征基本表現(xiàn)為正相關(guān)（見表2、圖5、圖6、圖7）。

（1）從圖5看出，溫度變化對水管儀NS向造成的影響表現(xiàn)為：溫度異常變化前，2012年的數(shù)據(jù)曲線均比較光滑；在異常時(shí)段，同步于溫度的起伏變化。對水管儀EW向造成的影響表現(xiàn)為：與2012年和2014年的年動態(tài)相比，在2013年的溫度異常時(shí)段，年動態(tài)最低值時(shí)出現(xiàn)了明顯的抬升現(xiàn)象；2012年、2014年的低值段期間，低值總會持續(xù)一段時(shí)間才恢復(fù)為上升狀態(tài)（曲線會表現(xiàn)出比較圓滑的“凹”字形），而2013年的低值段數(shù)據(jù)，變化形式為比較尖銳的轉(zhuǎn)折。

（2）從圖6看出，水平擺的兩個(gè)分量在溫度異常變化的同時(shí)，數(shù)據(jù)曲線也表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。原本光滑的兩條曲線出現(xiàn)明顯的有別于背景趨勢的轉(zhuǎn)折變化。

（3）從圖7看出，溫度變化對伸縮儀的兩個(gè)分量均造成一定的影響。其中NS向影響較明顯，數(shù)據(jù)曲線表現(xiàn)出與溫度起伏非常同步的3次顯著變化，2013年2月12日至7月15日期間，3次溫度影響計(jì)算結(jié)果，溫度系數(shù)在（12 000～15 000）／℃。

表2 溫度對形變觀測儀器的影響Table 2 Effect of temperature on deformation observation instruments

圖5 太原臺水管儀日均值圖Fig.5 Daily mean value of water tube tiltmeter at Taiyuan Station

圖6 太原臺水平擺傾斜儀日均值圖Fig.6 Daily mean value of horizontal pendulum tiltmeter at Taiyuan Station

圖7 太原臺伸縮儀日均值圖Fig.7 Daily mean value of extensometer at Taiyuan Station

4 結(jié)論與建議

（1）山洞燈雖一般處于關(guān)閉狀態(tài)，但由于濕度的影響，故障率卻較高。要使用冷光燈，避免儀器調(diào)零維護(hù)對山洞溫度造成影響。

（2）通過分析可知，溫度對洞室各形變觀測儀器均會造成不同程度的影響。

（3）溫度對水管儀、伸縮儀NS向的影響比EW向要明顯，其原因可能是NS向基線較短的緣故，所以在允許的情況下盡量加長基線；對水平擺儀器的影響，EW向要明顯于NS向，顯示出更好的同步性，造成這種明顯差異的原因需要做進(jìn)一步的研究。

（4）不同傳感器觀測的溫度日變化值不同。2013年初，為探究溫度異常的原因，安裝新傳感器，在更換冷源照明設(shè)備后，其測定溫度日變化幅度長期≥0.03℃（曲線表現(xiàn)為比較明顯的毛刺）。在更換為原傳感器后，測定的溫度日變化幅度在0.02℃以內(nèi)。