滎陽形變臺伸縮儀維護經(jīng)驗和干擾分析

周冠強，趙祖虎，李海峰，劉學(xué)升，蘆永杰，林景枝

(鄭州地震臺，河南鄭州 450062)

SS-Y型伸縮儀是用于精密測量地殼表面兩點間的水平相對變化的儀器，適用于地殼應(yīng)變固體潮水平分量、地震斷層活動以及大型精密工程水平形變的連續(xù)監(jiān)測。滎陽臺伸縮儀自2001年8月運行以來，儀器工作正常，多次清晰地記錄到河南省內(nèi)外一些顯著地震事件，映震效果良好。但在儀器穩(wěn)定運行過程中，觀測資料也會受到人為、環(huán)境等各種因素的干擾，干擾的具體表現(xiàn)為日變曲線出現(xiàn)畸變、臺階或者長時間段的毛刺，曲線不光滑，在特定時段出現(xiàn)小突起，單點突跳等。因此，分析和總結(jié)各種干擾因素對觀測資料的影響，快速找到畸變發(fā)生原因，對于提高觀測資料質(zhì)量和為地震監(jiān)測提供可信度較高的形變觀測資料意義重大。

1 觀測環(huán)境和儀器概況

河南省鄭州滎陽地震臺位于滎陽市崔廟鄉(xiāng)王宗店村，臺站地處地質(zhì)構(gòu)造部位為秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶北緣偏東，二級構(gòu)造單元屬華北沉降帶開封中坳和嵩(山)萁(山)中臺隆起的交界部位，臺站周圍分布有須水斷層、尖崗斷層、郭小寨斷層等。地層屬于新生界第三系及古生界二疊系、石炭系、寒武系，處于東部平原區(qū)及丘陵緩坡地帶，覆蓋層為新生界第四系松散堆積層。地震臺的臺基為第三紀灰?guī)r，地表黃土埋深30 m。洞頂覆蓋厚度30 m，側(cè)旁覆蓋厚度60 m，洞體巖性為饅頭頁巖和石英巖等。地層穩(wěn)定。洞室通道有兩道船艙門，一道水泥封閉門，觀測條件較好，洞內(nèi)日溫差小于0.02度，年溫差0.2度。2012年8月1日至9月30日對滎陽觀測山洞進行優(yōu)化改造和更換新儀器，2012年10月1日開始運行。儀器有水管儀、伸縮儀、豎直擺鉆孔傾斜。觀測環(huán)境合符觀測要求。

滎陽形變臺安裝的SS-Y型伸縮儀是武漢地震研究所生產(chǎn)的，觀測精度優(yōu)于1×10-9，分辨率優(yōu)于0.01微米，記錄方式為數(shù)據(jù)采集存儲。SS-Y型伸縮儀主要用于洞體應(yīng)變固體潮及地震前兆地應(yīng)變監(jiān)測與研究。其是以線膨脹系數(shù)極小的含鈮特種材料為基線棒，把標定器及相鄰的一個框架安裝于測量墩，固定座安裝于固定墩上，當固定墩與測量墩之間距離發(fā)生變化時，在密封較好的洞體恒溫環(huán)境下，視基線棒長度不變，探頭與極片之間的間距隨之變化，電渦流位移傳感器將此間距變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)過前置放大器，由電纜傳輸至主機。由主機主控器分送至自動調(diào)零器作固體潮曲線模擬記錄;分送至應(yīng)變標定數(shù)控儀作數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸;分送至地震前兆數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)網(wǎng)。通過靈敏度、格值等換算，便可計算出應(yīng)變量的變化。主控電路還具有自動調(diào)零、自動標定、自動零位跟蹤、自動測量等功能。

通常通過儀器主頁檢查儀器測向電壓值，超過正負1.8伏特時對儀器進行調(diào)零，以免造成數(shù)據(jù)缺失。數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳、臺階時，進山洞檢查觀測系統(tǒng)線路是否有破損和焊點虛焊的地方，看山洞內(nèi)是否有老鼠活動。對發(fā)現(xiàn)的問題及時進行處理。雷雨天時即時斷開市電，用UPS對觀測系統(tǒng)供電，雷雨過去后再恢復(fù)正常供電。伸縮儀每年標定不少于2次，2次校準間隔≤195天;儀器檢修、更換部件或重新安裝后必須進行格值校準;落實異常等認為必要時可進行校準。應(yīng)變儀器格值校準重復(fù)精度優(yōu)于2%。格值年穩(wěn)定性優(yōu)于95%，2次校準格值差＞5%時應(yīng)重測格值并確認操作無誤。標定前先手動對電機進行幾次運轉(zhuǎn)，使其各部件靈活后再進行標定。標定時段應(yīng)選在小潮時(農(nóng)歷初八、二十二)。若出現(xiàn)因網(wǎng)絡(luò)故障無法收取數(shù)據(jù)的情況，應(yīng)及時到現(xiàn)場收取，并采取人工方式導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。儀器調(diào)零時注意不要調(diào)到假零點，假零點雖然實測輸出為零，但已經(jīng)不是儀器正常工作狀態(tài)，表現(xiàn)形式是標定正常，標定結(jié)果符合要求，儀器觀測數(shù)據(jù)日變幅變小。調(diào)整差動變壓器，通過調(diào)整標定器底座、調(diào)節(jié)支架上的吊線，將線圈調(diào)成水平，可動鐵心平行于線圈內(nèi)孔，不能有摩擦感，可啟動儀器標定觀察線圈和吊線是否有晃動，判定可動鐵心是否蹭線圈壁。如果伸縮儀兩個測向同時出現(xiàn)問題，一般是儀器的公共部分故障引起的，如數(shù)采、電源等;一個測向出現(xiàn)故障可通過調(diào)換NS向EW向探頭、放大器等部件以確定故障部位。滎陽臺共有三套儀器分別是伸縮儀、水管儀、豎直擺，如果三套儀器同時出現(xiàn)不正常，一般是UPS電源故障和外界干擾等因素引起，可通過對比三套儀器數(shù)據(jù)曲線判斷儀器是否工作正常。

2 干擾分析

2.1 大氣壓干擾

大氣壓對伸縮儀的影響包含作用于大地和作用于儀器本身的影響。在大氣壓出現(xiàn)短時劇烈波動時導(dǎo)致伸縮儀出現(xiàn)與大氣壓幾乎同步的顯著變化，一般表現(xiàn)為數(shù)據(jù)曲線的波動、固體潮曲線出現(xiàn)畸變，不影響觀測值長周期趨勢變化。通過與大氣壓的對比分析，比較容易判斷是否為大氣壓的短時微動態(tài)影響。圖1為滎陽臺伸縮儀受氣壓干擾曲線。從圖中看出，氣壓對東西向數(shù)據(jù)的影響要大于南北向，并且是氣壓急速變化的時候明顯。通過對洞室環(huán)境改造，洞室內(nèi)增加隔斷門，對儀器槽進行封閉，能減輕自然環(huán)境對儀器的影響。

表1 2011年1月1日至2014年5月31日日降雨量10 mm以上對伸縮儀有無干擾統(tǒng)計

2.2 降雨干擾

降雨對伸縮儀觀測的影響主要是雨水滲透巖層裂隙使巖石孔隙壓改變，體積發(fā)生膨脹以后產(chǎn)生的不均勻變化。從表1可以看出只有當降雨達到一定量值時才會造成觀測值曲線出現(xiàn)異常變化，即受降雨影響的洞室形變觀測都有一個驅(qū)動值。降雨對洞室形變觀測的影響比較復(fù)雜，不但與降雨量、降雨持續(xù)時間有關(guān)，還與洞室基礎(chǔ)巖性、巖石傾角、當?shù)馗珊党潭鹊纫蛩赜嘘P(guān)。因此，降雨的影響復(fù)雜而無法定量排除，需定性與定量分析相結(jié)合才能排除。圖2為滎陽臺伸縮儀受降雨干擾曲線。

圖1 伸縮儀受氣壓波動影響

圖2 伸縮儀受降雨干擾

2.3 水管儀、伸縮儀標定相互干擾

滎陽形變臺伸縮儀、水管儀并排安裝在同一儀器槽內(nèi)，兩套儀器在維護、標定、調(diào)零、調(diào)儀器靈敏度時會產(chǎn)生相互干擾。比如，2013年7月9日10時01分至17時30分對水管儀NS向多次調(diào)儀器的靈敏度、標定儀器時，就對伸縮儀NS記錄向產(chǎn)生干擾。圖3為伸縮儀受水管儀調(diào)儀器靈敏度、標定儀器時記錄下的干擾曲線。同一儀器槽內(nèi)儀器相互干擾無法避免，因此只有提高儀器維護水平，縮短儀器維護時間，以減少對儀器的影響。

2.4 伸縮儀受停電干擾

停電造成數(shù)據(jù)缺失，恢復(fù)供電后造成數(shù)據(jù)圖形出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，從表2可以看出，恢復(fù)供電后常造成幾個小時數(shù)據(jù)不正常，觀測數(shù)據(jù)無法恢復(fù)正常狀態(tài)，儀器瞬間斷電常造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳、臺階。圖4為伸縮儀受停電干擾的記錄曲線。停電、電源不穩(wěn)對儀器的影響較大，因此對供電設(shè)備要定期檢查維護排除隱患，定期更換UPS電池，保證電力持續(xù)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)提高儀器維護水平能提高儀器觀測質(zhì)量。(2)只有當降雨達到一定量值時才能造成伸縮儀觀測值曲線出現(xiàn)異常變化而且影響觀測值長周期趨勢變化。(3)氣壓對伸縮儀的影響一般表現(xiàn)為數(shù)據(jù)曲線的波動、固體潮出現(xiàn)畸變，不影響觀測值長周期趨勢變化。(4)停電造成數(shù)據(jù)缺失，恢復(fù)供電后造成伸縮儀觀測值出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，恢復(fù)供電后常造成幾個小時數(shù)據(jù)不正常，觀測數(shù)據(jù)無法恢復(fù)正常狀態(tài)。

表2 停電伸縮儀的影響(伸縮儀所用傳感器是差動變壓器)

圖3 伸縮儀受水管儀調(diào)儀器靈敏度、標定干擾曲線

圖4 伸縮儀受停電干擾曲線

［1］陳德福，羅榮祥，劉國培.傾斜異常圖像分類及特征淺析［M］.北京:海洋出版社，1993:179-187.

［2］張文來.氣壓變化對SSY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.

［3］趙小賀，盧雙苓，等.洞體形變數(shù)字化觀測干擾分析［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30(4):55-62.