銀川基準(zhǔn)臺(tái)SQ-70D水平擺觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾分析

王建亮，李國(guó)斌

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

銀川基準(zhǔn)臺(tái)SQ-70D水平擺觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾分析

王建亮，李國(guó)斌

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

石英擺傾斜儀是監(jiān)測(cè)地球固體潮汐的重要手段之一，通過(guò)對(duì)銀川基準(zhǔn)臺(tái)小口子觀測(cè)站的SQ-70D石英水平擺傾斜儀數(shù)字觀測(cè)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，排除干擾因素，客觀的分析曲線的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)特征，以便在日常分析處理中排除各類干擾因素，如自然環(huán)境干擾、人為干擾和調(diào)零標(biāo)定干擾等，爭(zhēng)取最大限度的減少不必要的誤導(dǎo),為臺(tái)站工作人員提供有效的參考實(shí)例。

水平擺傾斜儀；干擾分析；數(shù)據(jù)曲線

0 引言

石英水平擺傾斜儀是我臺(tái)前兆觀測(cè)的重要手段之一，用它來(lái)監(jiān)測(cè)地面的傾斜變化以預(yù)防地震，但伴隨著諸多其他因素的干擾。因此，在日常的資料數(shù)據(jù)處理中，能夠有效的識(shí)別并排除各類干擾源，才能準(zhǔn)確的提取反映大地形變的觀測(cè)資料數(shù)據(jù)，從而提高地震預(yù)報(bào)水平。同時(shí)，臺(tái)站工作人員的工作還要保證儀器設(shè)備的正常、穩(wěn)定、有效的運(yùn)行，這樣才能夠得到連續(xù)、完整、可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1 臺(tái)站概況

銀川基準(zhǔn)臺(tái)是隸屬于寧夏地震局的一個(gè)國(guó)家級(jí)綜合專業(yè)臺(tái)站，銀川基準(zhǔn)地震臺(tái)由銀川賀蘭山小口子觀測(cè)站和銀川北塔地磁觀測(cè)站及2個(gè)跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地組成?，F(xiàn)有測(cè)震、地形變、電磁、流體四大學(xué)科26臺(tái)套觀測(cè)儀器，承擔(dān)全國(guó)乃至全球大震快報(bào)任務(wù)。1953年，中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所在銀川市區(qū)建立了銀川地震臺(tái)，開(kāi)創(chuàng)了寧夏的地震觀測(cè)工作。1964年，中國(guó)科學(xué)院蘭州地球物理研究所在寧夏銀川賀蘭山小口子建立地震臺(tái)，海拔高程為1545m，臺(tái)基巖性為片麻花崗巖，距離寧夏地震局40km，并建成126m2二層小樓。1969年增加金屬擺傾斜儀，開(kāi)始了前兆觀測(cè)。1972年，中國(guó)地震局將銀川地震臺(tái)列為國(guó)家基準(zhǔn)地震臺(tái)，觀測(cè)項(xiàng)目逐年增加。1978年開(kāi)鑿山洞，主洞長(zhǎng)110米，用于形變和測(cè)震觀測(cè)。

銀川臺(tái)小口子觀測(cè)點(diǎn)位于銀川市區(qū)西40km的賀蘭山東麓滾鐘口風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地處賀蘭山斷隆東側(cè)，地理坐標(biāo)：38.36oN，105.91oE，海拔1545m。傍近銀川斷陷盆地，西側(cè)有賀蘭山山前大斷裂帶，巖層為前震旦系石英花崗片麻巖。該區(qū)域有3條較大斷裂，由西向東分布有賀蘭山東麓斷裂，平羅—銀川斷裂，黃河斷裂。此地有較寬的斷裂帶，斷層活動(dòng)性強(qiáng)，崖面清晰，山體相對(duì)上升，沖溝發(fā)育，溝谷坡降比較大，深切呈“V”字型，溝口洪積扇發(fā)育。洪積扇上發(fā)育有第四紀(jì)全新世以來(lái)的活動(dòng)斷層陡坎。賀蘭山山體由前震旦系—三迭系地層組成（圖1）。

圖1 銀川臺(tái)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological map of Yinchuan station

銀川小口子地震臺(tái)形變觀測(cè)手段有石英水平擺傾斜儀、DSQ水管儀、SS-Y伸縮儀、YRY-4鉆孔分量應(yīng)變儀、定點(diǎn)重力觀測(cè)儀。

銀川基準(zhǔn)臺(tái)SQ-70D石英水平擺傾斜儀于2006年12月安裝并調(diào)試運(yùn)行，于2007年1月正式納入寧夏地震局前兆臺(tái)網(wǎng)管理系統(tǒng)。

SQ-70D水平擺傾斜儀是測(cè)量水平方向傾斜變化的一種高靈敏度儀器，其擺支架、擺桿、吊絲全是用透明的熔凝石英燒焊一體制成。熔凝石英絲具有很高的抗斷強(qiáng)度和極小的永久性形變，由于熔凝石英的這些特性，所以本儀器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于固定臺(tái)站長(zhǎng)期觀測(cè)地面的傾斜變化，或短期觀測(cè)極為微小的傾斜變化。例如：研究地球的固體潮；監(jiān)測(cè)地面的傾斜變化以預(yù)測(cè)地震等。

臺(tái)站在“十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目中規(guī)劃SQ-70D數(shù)字化石英擺傾斜儀安裝于觀測(cè)山洞內(nèi)（圖2）。山洞進(jìn)深100m，覆蓋厚度50m，洞內(nèi)年平均溫度為11.2o，符合規(guī)范要求。12月14日完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，下圖就是石英擺的監(jiān)測(cè)程序的界面（圖3），每天工作人員都要實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)曲線在有效范圍內(nèi)，省局實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。廠家人員對(duì)臺(tái)站工作人員就儀器主體、標(biāo)定裝置、數(shù)采、長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)接口、GPS時(shí)鐘、專用應(yīng)用軟件、儀器及軟件安裝方法及注意事項(xiàng)、日常標(biāo)定、維護(hù)等進(jìn)行了有針對(duì)性的培訓(xùn)和實(shí)際操作。

圖2 山洞分布圖Fig.2 The distribution of the caves

圖3 石英水平擺傾斜儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面Fig.3 The real-time monitoring interface quartz horizontal pendulum tiltmeter

2 觀測(cè)資料選取

銀川基準(zhǔn)臺(tái)在經(jīng)過(guò)了“十五”項(xiàng)目改造后，水平擺的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，既減少了工作量，又方便了臺(tái)站工作人員收集數(shù)據(jù)和日常處理，寧夏地震局于2007年1月將水平擺納入前兆管理系統(tǒng)。在這幾年的運(yùn)行中，石英擺設(shè)備受到自然環(huán)境干擾和人為干擾較為明顯，同時(shí)儀器設(shè)備本身也有一定的影響，導(dǎo)致觀測(cè)曲線產(chǎn)生變化，下面就選取了2015年至2017年的觀測(cè)資料數(shù)據(jù)分析各類干擾因素，該時(shí)間段內(nèi)儀器運(yùn)行穩(wěn)定，曲線變化清晰。

3 銀川基準(zhǔn)臺(tái)SQ-70D水平擺觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾因素分析

通過(guò)日常預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，銀川基準(zhǔn)臺(tái)SQ-70D水平擺傾斜儀在2015-2017年里，主要受自然環(huán)境干擾、人為干擾和觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾等，現(xiàn)就各干擾因素的典型干擾曲線展開(kāi)分析。

3.1 自然環(huán)境干擾

銀川基準(zhǔn)臺(tái)位于滾鐘口風(fēng)景區(qū)內(nèi)，處于山坳位置，常年受自然環(huán)境干擾嚴(yán)重，其中受刮風(fēng)影響比較頻繁和典型，對(duì)各個(gè)儀器的影響比較明顯，曲線變化清晰；而降雨和雷電干擾對(duì)儀器影響不是很明顯，曲線變化幅度較小。

3.1.1 刮風(fēng)干擾

在北方地區(qū)的春季、秋季刮風(fēng)現(xiàn)象是比較普遍的，加上臺(tái)站所處的位置所致，刮風(fēng)干擾對(duì)SQ-70D水平擺傾斜儀的影響比較嚴(yán)重。就是銀川基準(zhǔn)臺(tái)2017年3月23日至24日出現(xiàn)大風(fēng)干擾時(shí)的數(shù)據(jù)曲線（圖4），從圖上可以看出，刮風(fēng)干擾對(duì)SQ-70D水平擺傾斜儀的北南分量和東西分量干擾嚴(yán)重，數(shù)據(jù)抖動(dòng)，曲線出現(xiàn)較多高頻毛刺,導(dǎo)致傾斜儀兩分量的固體潮汐不清晰。25日2點(diǎn)左右數(shù)據(jù)曲線恢復(fù)正常。

圖4 SQ-70D水平擺傾斜儀刮風(fēng)干擾曲線Fig.4 The wind interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.1.2 雷電干擾

雷電是自然界中的一種放電現(xiàn)象。由于雷電具有很強(qiáng)的破壞力，所以在安裝儀器時(shí)都布置了防雷措施。銀川基準(zhǔn)臺(tái)還未出現(xiàn)因雷擊導(dǎo)致儀器設(shè)備故障的現(xiàn)象，圖3為銀川基準(zhǔn)臺(tái)水平擺在2016年06月12日受雷電干擾的曲線圖，由于雷擊干擾嚴(yán)重，東西分量和北南分量均受到干擾，北南分量在雷擊時(shí)刻是下降的趨勢(shì)，引起向下的突跳；東西分量在雷擊時(shí)刻是上升的趨勢(shì)，引起向上的突跳。13日之后數(shù)據(jù)曲線恢復(fù)正常。

圖5 SQ-70D水平擺傾斜儀雷電干擾曲線Fig.5 The thunder interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.1.3 降雨干擾

降雨天氣是一種比較常見(jiàn)的自然現(xiàn)象，是大氣中的水汽以冷凝的方式下降到地球表面，根據(jù)降雨量的多少，可以分為持續(xù)性降雨、大雨、大暴雨。降雨干擾對(duì)前兆觀測(cè)影響比較普遍，由于持續(xù)性的降雨，導(dǎo)致巖石壓力和應(yīng)變力的變化，嚴(yán)重者可以在山溝形成洪水，從而嚴(yán)重影響石英水平擺傾斜儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化。圖6為2016年08月21日銀川地區(qū)強(qiáng)降雨前后的數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)附有降雨量圖。此次降雨量為180毫米，屬于大暴雨范疇，山上有大量石頭隨洪水滾下，從圖上可以看出，降雨干擾對(duì)水平擺東西分量和南北分量的曲線引起毛刺狀，曲線跳動(dòng)的幅度較小，強(qiáng)降雨之后，曲線恢復(fù)正常。圖中其他干擾為地球物理事件，干擾幅度較大。

3.2 人為干擾

人為干擾主要分為人員進(jìn)洞干擾、人為調(diào)零干擾和儀器標(biāo)定干擾等。

圖6 SQ-70D水平擺傾斜儀降雨干擾曲線Fig.6 The rain interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.1 人為進(jìn)洞干擾

人員進(jìn)入山洞后，人員來(lái)回走動(dòng)，山洞門的開(kāi)關(guān)都容易引起洞內(nèi)空氣對(duì)流，加上人體散熱使得洞內(nèi)溫度升高，由于氣流的擾動(dòng)，對(duì)儀器記錄的曲線都會(huì)造成一定的干擾，所以輕易不要頻繁進(jìn)入山洞。2016年03月31日寧夏地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心等人來(lái)我臺(tái)對(duì)CTS-1EF甚寬頻帶地震計(jì)進(jìn)行常規(guī)檢修，以下是他們進(jìn)入山洞后引起的干擾曲線圖（圖7），由于人員眾多，對(duì)水平擺的干擾較為嚴(yán)重，曲線北南分量出現(xiàn)向下的尖峰突跳，三小時(shí)之后逐漸恢復(fù)正常；東西分量出現(xiàn)斷數(shù)，引起的高頻毛刺呈衰減趨勢(shì)，三小時(shí)后恢復(fù)正常。

圖7 SQ-70D水平擺傾斜儀人為干擾曲線Fig.7 Human disturbance curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.2 調(diào)零干擾

由于儀器的監(jiān)測(cè)范圍所限，要定期對(duì)石英擺進(jìn)行調(diào)零維護(hù)，以確保監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在有效的范圍內(nèi)。銀川臺(tái)所用的SQ-70D石英水平擺傾斜儀的范圍是100～900ms，當(dāng)曲線變化接近上限或者下限時(shí)，工作人員就要進(jìn)山洞對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零處理，下面就是2016年03月23日，形變工作人員進(jìn)山洞調(diào)零造成的干擾（圖8），調(diào)零的過(guò)程中引起曲線的斷數(shù)、尖峰突跳、異常毛刺和臺(tái)階。

圖8 SQ-70D水平擺傾斜儀調(diào)零干擾曲線Fig.8 The restore setting curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.3 標(biāo)定干擾

標(biāo)定是使用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量?jī)x器對(duì)所使用儀器的準(zhǔn)確度（精度）進(jìn)行檢測(cè)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，一般大多用于精密度較高的儀器。標(biāo)定的主要作用：（1）確定儀器或者測(cè)量系統(tǒng)的輸入-輸出關(guān)系，賦予儀器或者測(cè)量系統(tǒng)分度值；（2）確定儀器或測(cè)量系統(tǒng)的靜態(tài)特性指標(biāo)；（3）消除系統(tǒng)誤差，改善儀器或系統(tǒng)的精確度；（4）在科學(xué)測(cè)量中，標(biāo)定是一個(gè)不可忽視的重要步驟。

銀川基準(zhǔn)臺(tái)SQ-70D石英水平擺傾斜儀在每年的12月進(jìn)行儀器標(biāo)定，標(biāo)定完之后采用新的格值。本文選取的2016年12月29日的儀器標(biāo)定曲線(圖9）。從曲線上可以看出，在標(biāo)定的過(guò)程中，北南分量引起向下的臺(tái)階，東西分量引起向上的臺(tái)階，突變曲線特征呈矩形方波，標(biāo)定完之后恢復(fù)正常。

圖9 SQ-70D水平擺傾斜儀標(biāo)定干擾曲線Fig.9 The calibration curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.3 觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾

SQ-70D石英水平擺傾斜儀的系統(tǒng)故障大概可以分為三類：儀器主體故障、數(shù)采故障和數(shù)據(jù)傳輸故障。儀器主體有：擺體、吊絲、標(biāo)定裝置、光源燈；數(shù)采：數(shù)采集成板、電源控制；傳輸：網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)線。

2016年3月22日22:00—23:59SQ-70D石英水平擺傾斜儀的光源燈故障引起北南分量記錄曲線呈尖峰脈沖，東西分量2016年3月22日16:20—23:59的記錄曲線產(chǎn)生缺數(shù)和高頻毛刺（圖10）。本次儀器設(shè)備自身故障，是由于光源燈使用時(shí)間太久未及時(shí)更換引起的，所以要定期維護(hù)儀器，檢測(cè)各類元件。

圖10 SQ-70D水平擺傾斜儀光源燈故障干擾曲線Fig.10 The light source failure curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)銀川基準(zhǔn)臺(tái)的SQ-70D石英水平擺傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線受各種干擾源的干擾進(jìn)行分析，歸納總結(jié)了自然環(huán)境干擾、人為干擾和觀測(cè)系統(tǒng)干擾這三大類干擾因素，也給出了具體的曲線形態(tài)，對(duì)處理方法也做了一定的說(shuō)明，希望對(duì)各臺(tái)站工作人員有所幫助。作為臺(tái)站工作人員，在日常的預(yù)處理中，對(duì)異常數(shù)據(jù)曲線要認(rèn)真的排查，利用已經(jīng)確定的干擾因素，借助各類輔助觀測(cè)進(jìn)行相關(guān)的分析，只有這樣才能清晰的辨別各種干擾因素，從而精確的排除前兆異常的各類干擾，減少數(shù)據(jù)在分析預(yù)報(bào)中的錯(cuò)誤引導(dǎo)。

銀川基準(zhǔn)臺(tái)的前兆觀測(cè)手段在這些年的運(yùn)行過(guò)程中，觀測(cè)數(shù)據(jù)資料受到過(guò)各類各樣的異常干擾，有些通過(guò)前兆工作人員對(duì)儀器本身及場(chǎng)地環(huán)境的認(rèn)真觀察，分析總結(jié)，得到確定規(guī)律的干擾，但仍有些存在的干擾，還是無(wú)法準(zhǔn)確的排除，這就需要臺(tái)站一線的工作人員，細(xì)心的去發(fā)現(xiàn)摸索，總結(jié)規(guī)律，從而提高臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減少在地震預(yù)報(bào)中不必要的誤導(dǎo)，為地震工作的異常跟蹤提供必要的依據(jù)。

[1]國(guó)家地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)用戶使用手冊(cè)[S]. 2008: 151-158.

[2]顧強(qiáng)強(qiáng)，荊濤，李君，等.沈陽(yáng)地震臺(tái)SSQ-2I水平擺觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2016，32（4）：85-89.

Abstract:Quartat fiber tiltmeter is one of the most important monitoring ways on tides of the solid earth, this paper conducts data analysis observed by a SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter in Xiaokouzi Observation Station of Yinchuan Standard Station in order to eliminate interference factor, to extract effective interference curves, to analyze the curve's variation trend objectively and to find out the features for the purpose of eliminating interference factors in daily analysis processing, such as nature environment interference, human disturbance and zeroing calibration interference etc. In that way unnecessary misleading can be reduced farthest and it can provide effective reference examples to the station workers.

Key words:horizontal pendulum tiltmeter；interference analysis；data curve

Analysis of the Observed Data of SQ-70D Horizontal Pendulum Tiltmeter at Yinchuan Seismic Station

WANG Jian-liang，LI Guo-bin
（Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Ningxia Yinchuan 750001，China）

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.010

1674-8565（2017）03-0055-06

2017-02-05

2017-04-16

王建亮（1988-），男，陜西省定邊縣人，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)與研究方面的工作。E-mail：524394631@qq.com