丹東臺水管傾斜短期異常分析

翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，邵媛媛，滕 藤

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

關(guān)鍵字：水管傾斜；西傾加速；異常調(diào)查分析；干擾分析

0 引言

水管儀具有較高的觀測精度和穩(wěn)定性，震前的形態(tài)變化可以清晰的反映出地球固體潮汐、地殼巖性參數(shù)變化的信息，并幫助我們認清應(yīng)力變化以及相關(guān)地殼形變之間的關(guān)系［1、2］。但是觀測資料會受到一些外界因素的影響，如氣溫、濕度、氣壓、降雨等［3］，使得觀測資料出現(xiàn)不同程度的異常變化。由于其影響機理復(fù)雜，在地震預(yù)報實踐中，如何提取較為可靠的前兆異常信息就顯得尤為重要［4、5］。針對丹東地震臺DSQ型水管傾斜儀出現(xiàn)的短期異常狀況，我們根據(jù)《形變學科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求（試行）》準則來進行詳細的異常排查分析工作［6］。

丹東地震臺DSQ型水管儀為“十五”項目新入網(wǎng)廣測儀器，自2008年正式運行起，該臺儀器運行狀態(tài)良好，多年觀測資料連續(xù)穩(wěn)定可靠。其測線日均值變化曲線存在明顯年變，每年9-10月達到最大值后出現(xiàn)N傾轉(zhuǎn)向S傾，次年4-5月達到最低值后開始S傾轉(zhuǎn)向N傾，正常年變幅度達140×10-3～190×10-3角秒。自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現(xiàn)短期轉(zhuǎn)向狀況，其中EW分量出現(xiàn)短期W傾并呈現(xiàn)加速狀態(tài)，截至2016年12月6日W傾幅度累積已達412 ms，異常出現(xiàn)后對觀測各個環(huán)節(jié)進行檢查，EW向出現(xiàn)短時間E傾轉(zhuǎn)W傾加速異?，F(xiàn)象是西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心并時有刮碰造成的（圖1）。

圖1 丹東DSQ水管傾斜整點值異常曲線圖Fig.1 Dandon DSQ water tube tiltmeter hour value anomaly curve

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及歷史地震概況

丹東地區(qū)處在天山至陰山巨型緯向改造體系的東延部份，與新華夏構(gòu)造體系東亞大陸第二隆起帶復(fù)合交接部位，鴨綠江深大斷裂帶，全長380公里。斷裂走向北東45°，斷層傾向不穩(wěn)定，傾角一般在60～80°左右，斷層寬度63.5 m，為壓扭性深大斷裂，呈北東45°走向，傾向南東，是典型的華夏系構(gòu)造［7］。該斷裂起源于吉林省臨江，南到黃海北岸。該斷裂在寬甸縣上河口處分為兩支：一支經(jīng)朝鮮新義州入黃海；另一支在丹東市沿江展布，經(jīng)東港市入黃海。臺址處于鴨綠江斷裂帶北西盤，即華北地臺遼東臺背斜，營口—寬甸古隆起中段南翼與華夏構(gòu)造鴨綠江斷裂帶交接部位。臺基巖性為遼河群浪子山組的矽線石黑云母片麻巖（圖2）。

據(jù)資料證明，鴨綠江斷裂帶是第四紀仍在活動的斷裂帶，受它的控制，在這個帶及其兩側(cè)附近地震頻繁發(fā)生，僅1944—1985年發(fā)生Ms≥1.0級地震172次。形成鴨綠江地震帶。在這個地震帶內(nèi)，1944年12月19日鴨綠江口發(fā)生6.8級地震。

圖2 丹東地震臺地理位置圖Fig.2 Geographic location of Dandong Seismic Station

2 DSQ水管傾斜觀測情況簡介

丹東臺位于遼寧省東南部邊陲地區(qū)，植被好，原為市人防辦防空指揮部直屬山洞，全長約170 m，覆蓋厚度約20～40 m（圖3、表1）。臺址周圍無明顯干擾源，具有洞室多，被覆好，保溫，防潮的特點，適合地形變觀測使用。2006年“十五”期間，丹東臺在該山洞內(nèi)并行安裝了SS-Y型洞體應(yīng)變儀和DSQ型水管傾斜儀。2008年1月正式運行觀測，兩套儀器符合觀測標準，工作穩(wěn)定。丹東地震臺DSQ型水管儀，自2008年正式運行起，運行狀況良好，連續(xù)率、運行率、內(nèi)精度均達到優(yōu)秀標準，2009年和2010年對觀測環(huán)境進行初步改造，同時對多種客觀干擾因素分析排除，使得內(nèi)在質(zhì)量明顯提升，無測點變更和儀器變更情況。

圖3 丹東地震臺平面圖Fig.3 Dandong Seismological cave site plan

表1 傾斜觀測山洞情況表

形變山洞的儀器墩基主要自然干擾源是黃海的海潮干擾、鴨綠江江水水庫泄洪和雷電引起的波動干擾，但此種干擾不會產(chǎn)生斷記。全年主要人為干擾是由儀器調(diào)零、儀器維修、標定系統(tǒng)維修等原因造成的，為了分析預(yù)報應(yīng)用，對人為嚴重干擾時段的觀測記錄做缺數(shù)處理（表 2）。

表2 干擾源情況

3 異常分析

分析丹東臺DSQ型水管傾斜儀自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現(xiàn)短期轉(zhuǎn)向狀況成因，主要從儀器工作狀態(tài)、降雨、周邊觀測條件改變和孕震機理等方面進行了分析研究（圖1）。

3.1 水管傾斜儀工作狀態(tài)及周邊環(huán)境檢查

對DSQ水管儀器的觀測日志、工作報告和標定記錄，儀器的主機、傳感器、通信系統(tǒng)、供電線路、UPS、避雷設(shè)施等進行了檢查，信號電壓與工作電壓均正常；浮子西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心，與傳感器似乎有刮碰，進行調(diào)整；水管內(nèi)水質(zhì)微微泛黃，有輕微渾濁，無漏水現(xiàn)象。

對丹東臺山洞外觀測環(huán)境進行調(diào)查，周邊并無居民，發(fā)現(xiàn)距離山洞大約200米的山頂有電臺轉(zhuǎn)播信號塔，已工作多年，對儀器并未產(chǎn)生影響。2016年4月份左右，人防局將后院租給移動公司，用于移動公司做井下水泥預(yù)制件，攪拌機一直工作，定期運送沙土，已經(jīng)持續(xù)工作半年多，在這半年多時間里，水管儀器工作正常。對儀器本體檢查發(fā)現(xiàn)了以下兩點問題：

3.1.1 浮子鋼棒與傳感器不同心影響

2016年12月6日下午省局儀器維修中心工作人員于17：50-19：10進山洞對DSQ水管儀設(shè)備進行檢查，發(fā)現(xiàn)水管儀EW向W端浮漂鋼棒與傳感器不同心，與傳感器似乎有刮碰，進行調(diào)整。調(diào)整前后數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)EW向兩端數(shù)據(jù)仍有臺階出現(xiàn)，而且對鋼棒調(diào)整后，浮子仍然是偏離豎直中心位置，并沒有改善數(shù)據(jù)臺階現(xiàn)象，但是由于浮子鋼棒偏移中心位置，并不能排除浮子的故障問題（圖4）。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集器和主機故障排除

為了排除數(shù)據(jù)采集器影響，12月8日早09：16分將水管傾斜NS向和EW向輸入信號互換，原NS向輸入NS向的原始數(shù)據(jù)現(xiàn)變?yōu)镹S向輸入的是EW向數(shù)據(jù)，原EW向輸入EW向的原始數(shù)據(jù)現(xiàn)變?yōu)镋W向輸入的是NS向數(shù)據(jù)。對比信號改變前和改變后的數(shù)據(jù)圖像可以發(fā)現(xiàn)，NS向數(shù)據(jù)未改變數(shù)采輸入信號前，數(shù)據(jù)平滑性較好，無臺階，而改變輸入數(shù)據(jù)后，原本輸出是NS向數(shù)據(jù)變?yōu)檩敵鍪荅W向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)臺階，幅度較大；而EW向數(shù)據(jù)未改變數(shù)采輸入信號前，數(shù)據(jù)平滑性較差，臺階較多，而改變輸入數(shù)據(jù)后，原本輸出是EW向數(shù)據(jù)變?yōu)檩敵鍪荖S向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較為平滑，無臺階。上述實驗說明，數(shù)據(jù)采集器和主機工作狀態(tài)良好，NS向儀器較為穩(wěn)定，EW向儀器存在問題（圖 5）。

圖4 調(diào)整浮子位置后EW測向原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線Fig.4 After adjusting the position of the float，the EW is measured to the original and preprocessed data curves

3.2 氣象因素的調(diào)查

丹東地震臺DSQ水管傾斜儀NS向受降雨影響較為顯著（圖6），我們收集丹東地震臺降雨資料。選取2012年以來降雨數(shù)據(jù)并與該儀器進行對比。據(jù)臺站收集資料顯示：每年7-8月為降雨旺季，最大降雨量接近500 mm。其中北南向受降雨影響明顯，表現(xiàn)為毛刺，但并不會影響其總體形態(tài)，東西向受降雨影響不明顯。且2016年11月和12月初并無大規(guī)模降雨和降雪，因此可排除氣象干擾因素。

圖5 調(diào)整浮子位置后EW測向原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線Fig.5 The original and preprocessed EW data curves after adjusting the position of the float

圖6 丹東地震臺DSQ水管傾斜儀與降雨對比曲線Fig.6 Comparison of horizontal and rainfalldata

檢查歷年來洞室溫度資料分析，洞室溫度變化一直非常穩(wěn)定，認為目前異常情況與洞室沒有直接關(guān)系（圖7）。

圖7 丹東地震臺洞室溫度曲線Fig.7 Temperature curve of the tunnel in Dandong

3.3 固體潮汐分析

固體潮潮汐因子是表征觀測場地的介質(zhì)彈性參數(shù)，其變化反映地殼介質(zhì)的物性變化［8］。潮汐因子分析計算方法的物理意義清晰，異常容易識別，是當前形變預(yù)報領(lǐng)域中的重要方法［9-10］。應(yīng)用Mapsis軟件對DSQ水管傾斜和SSQ-2型水管傾斜儀整點值數(shù)據(jù)進行Nakai擬合檢驗、潮汐變化分析、去潮汐零漂分析等計算，結(jié)果顯示SQ-70石英擺整點值原始曲線能夠記錄清晰的固體潮汐曲線，與SSQ-2型數(shù)字化水平擺和理論固體潮汐曲線對比，具有很好的固體潮曲線一致性，表明儀器觀測是真實、有效、穩(wěn)定的（圖8）。

圖8 丹東地震臺DSQ水管儀NS，EW分量理論固體潮汐對比Fig.8 The theoretical solid tidal contrast

計算2007年以來丹東臺DSQ水管傾斜NS和EW分量潮汐因子參數(shù)（M2波、O1波和半日波），計算結(jié)果顯示自觀測系統(tǒng)工作以來一直很穩(wěn)定（圖9）。水管傾斜NS、EW向潮汐因子M2波曲線自2010年中旬至2011年初波動幅值與前幾年相比幅度較小，同時段EW向O1波也出現(xiàn)相同變化，而后，水管傾斜NS向開始出現(xiàn)趨勢性N傾趨勢變化，而且幅度逐年幅度加大，水管傾斜EW向同步變化總體都較穩(wěn)定，短期無明顯變化。

圖9 丹東DSQ水管傾斜潮汐因子變化曲線Fig.9 Diversion tidal factor variation curves of DSQ Water Pipe

3.4 數(shù)字濾波處理和周期分析

利用三點線性平滑濾對DSQ水管傾斜NS向和EW向進行分析，提取長趨勢周期和年變周期變化（圖10）。

采用三點線性平滑濾波的數(shù)學模型如下：

應(yīng)用平滑濾波方法提取趨勢項和周期項分析異常趨勢變化特征和年變周期變化特征，該儀器兩個測向均具有很好的年周期變化，并在2012年前后具有同步的年變幅度減小變化特征；儀器NS、EW向均在2011年前后出現(xiàn)準同步趨勢轉(zhuǎn)向變化。分析結(jié)果表明，DSQ型水管傾斜儀NS、EW向兩個方向觀測結(jié)果具有很好的一致性，EW向自2010年存在W傾趨勢變化（圖10），且2014年以來EW向年變基本一致［11-12］。

圖10 丹東DSQ型水管傾斜NS向EW向數(shù)據(jù)濾波和周期分析Fig.10 The NS and EW of DSQ data filtering and period analysis

3.5 儀器對比分析

丹東地震臺洞體應(yīng)變觀測，自2007年正式運行以來觀測穩(wěn)定，主要受降雨影響明顯。從觀測曲線形態(tài)看，2012年以來洞體應(yīng)變NS向和EW向均目前為張性的趨勢變化，且均受到明顯的降雨干擾，表現(xiàn)為小幅臺階變化（圖11）。

圖11 丹東地震臺洞體應(yīng)變觀測曲線Fig.11 Curves of cave deforation observaion

4 結(jié)論與討論

水管傾斜儀測量的是水平面與地殼表面之間的夾角變化量，其原理為連通管內(nèi)水平面保持自然水平狀態(tài)［13］。水管傾斜的測量結(jié)果與地震的孕育與發(fā)生有著密切的相關(guān)性，一直以來都具有極好的映震效果。但是由于傾斜觀測都是在山洞中，很容易受到外界環(huán)境的干擾影響，儀器本身故障問題也會導致數(shù)據(jù)的大幅波動變化情況出現(xiàn)［14］。

丹東地震臺DSQ型水管傾斜儀自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現(xiàn)短期轉(zhuǎn)向狀況，其中EW分量出現(xiàn)短期W傾并呈現(xiàn)加速狀態(tài)，截至2016年12月6日W傾幅度累積已達412 ms，從儀器觀測穩(wěn)定性、降雨資料、周邊干擾情況調(diào)查等方面對資料異常變化進行科學合理嚴謹?shù)姆治鲅芯?，排除人為干擾、降雨干擾、山洞附近移動公司作業(yè)、儀器主機、數(shù)據(jù)采集器、避雷器、放大器等問題，經(jīng)過現(xiàn)場試驗分析，得出：由于浮子鋼棒與傳感器不同心，與傳感器擦壁碰觸，導致數(shù)據(jù)大幅傾斜，西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心并時有刮碰造成的，經(jīng)過儀器維修人員調(diào)整后，儀器數(shù)據(jù)恢復(fù)正常狀態(tài)，排除異常情況，為進一步對局部應(yīng)力場的敏感性，為捕捉地震前兆異常提供了進一步保障。

由于儀器故障而導致傾斜異?，F(xiàn)象，在后續(xù)工作中我們會以丹東地震臺為例進行實驗性分析，檢測可能因分析儀器工作狀態(tài)的改變引起變化；針對水管觀測儀器浮漂上鋼棒與傳感器不同心問題，水質(zhì)發(fā)渾問題的檢查工作具體情況進行分析來排除對數(shù)據(jù)的影響，使儀器異常信度變高。多學習儀器的原理和構(gòu)造，在第一時間排除儀器故障問題，為新發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)問題提供技術(shù)保障，為地震的短臨預(yù)報提供第一手高信度資料。