乾陵地震臺(tái)DSQ型水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)常見(jiàn)干擾分析

史春偉 羅詞建 張晨蕾 楊曉東

1）中國(guó)陜西713300 乾陵地震臺(tái)

2）中國(guó)西安710068 陜西省地震局

0 引言

地傾斜觀測(cè)以獲取地殼形變的幾何及物理信息為目的，可為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究提供大量有力的依據(jù)（趙愛(ài)平等，2012）。水管傾斜儀是通過(guò)自動(dòng)記錄山洞臺(tái)基的垂直位移，來(lái)反映地傾斜變化的精密儀器，具有較高的觀測(cè)精度和工作穩(wěn)定性，目前廣泛應(yīng)用于全國(guó)各形變觀測(cè)臺(tái)站。在日常觀測(cè)中，受諸多干擾因素的影響，觀測(cè)曲線形態(tài)發(fā)生畸變，給數(shù)據(jù)分析處理帶來(lái)不便（鄭永通等，2015），又因臺(tái)站所處地理位置、儀器安裝環(huán)境、基巖等不同，所受干擾程度也不同（劉其壽等，2010）。文中利用地球物理數(shù)據(jù)跟蹤分析方法，歸納、整理乾陵地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱乾陵臺(tái)）水管傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱水管儀）觀測(cè)資料所受干擾類型，統(tǒng)計(jì)并分析觀測(cè)系統(tǒng)故障（儀器故障、傳感器故障等）、自然環(huán)境因素（大風(fēng)、氣壓、降雨等）以及人為活動(dòng)（檢修儀器、標(biāo)定、人員進(jìn)洞、調(diào)零等）等干擾及特征，以便為降低干擾、數(shù)據(jù)預(yù)處理及應(yīng)用提供參考。

1 臺(tái)站概況

乾陵地區(qū)年氣溫–6 ℃—38 ℃，年降雨量約300 mm，地下水位約400 m。乾陵臺(tái)位于乾陵國(guó)家重點(diǎn)文物旅游保護(hù)區(qū)，附近無(wú)河流、鐵路、工礦、企業(yè)等明顯干擾源分布，觀測(cè)條件優(yōu)良。該臺(tái)站位于陜西省中部，渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原的過(guò)渡地帶，地處渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺(tái)南緣接觸帶，關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂帶以南，乾縣—富平斷裂帶北側(cè)。

形變觀測(cè)山洞位于乾陵景區(qū)東乳峰，1977 年開(kāi)挖，1981 年竣工，基巖為奧陶紀(jì)灰?guī)r，水平產(chǎn)狀，無(wú)裂隙。山洞進(jìn)深60 m，總長(zhǎng)120 m，呈“T”字型分布（圖1），從洞口到儀器室布設(shè)4 道船艙密封門(mén)，儀器室日溫差≤0.02 ℃，年溫差≤0.2 ℃，相對(duì)濕度＜90%。山洞覆蓋層為第四紀(jì)黃土，洞頂覆蓋厚22 m，旁側(cè)覆蓋層厚40 m。

臺(tái)站配備VP 垂直擺和DSQ 型水管傾斜儀進(jìn)行形變觀測(cè)（模擬觀測(cè)始于1982 年），均安裝在形變觀測(cè)山洞中（圖1）。其中水管儀使用泡沫板和農(nóng)用塑料膜將儀器密封包裹，使儀器本體基本處于完好的密封狀態(tài)。儀器基墩為大理石墩，NS 分量基線長(zhǎng)30.36 m，EW分量基線長(zhǎng)30.19 m，分辨率為：0.000 5″，日漂移量＜0.005″，采樣率1 次/min。

圖1 乾陵臺(tái)形變儀器布設(shè)Fig.1 Layout of deformation instruments at Qianling Seismic Station

2 常見(jiàn)干擾分析

2014 年10 月，乾陵臺(tái)水管儀升級(jí)為“十五”DSQ 型水管傾斜儀，采用EP-Ⅲ型IP 采集器，實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)標(biāo)定。自DSQ 型水管儀運(yùn)行以來(lái)，工作性能穩(wěn)定，觀測(cè)資料連續(xù)率、完整率較高，整點(diǎn)值曲線可清晰反映固體潮汐變化，具有明顯的周期變化特征，且由分鐘值曲線可知記錄曲線均勻、光滑，每日曲線近似于一個(gè)完整的正弦波動(dòng)，并有2 個(gè)波峰、波谷，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水管儀整點(diǎn)值和分鐘值曲線(a)NS 分量整點(diǎn)值；(b) EW 分量整點(diǎn)值；(c)NS 分量分鐘值；(b) EW 分量分鐘值Fig.2 Curves of hour-sampled values and minute-sampled values of water-tube tiltmeter

統(tǒng)計(jì)2015—2020 年該臺(tái)水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)所受干擾事件類型及特征，結(jié)果見(jiàn)表1，可知主要影響因素為觀測(cè)系統(tǒng)故障、自然環(huán)境干擾和人為干擾。

表1 2015—2020 年水管儀主要干擾事件分類Table 1 Classification of main interference events of water-tube tiltmeter observations from 2015 to 2020

3.1 觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾

主機(jī)、傳感器、數(shù)采和供電電源不穩(wěn)等故障均為觀測(cè)系統(tǒng)故障，儀器部件損壞或電子元件工作性能不穩(wěn)也是其中一種系統(tǒng)故障（表1）。這些故障易造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤甚至斷記，在觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線上表現(xiàn)為高頻擾動(dòng)、毛刺、階變、數(shù)據(jù)突跳等。依據(jù)形變學(xué)科觀測(cè)規(guī)范要求，做數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)應(yīng)刪除相應(yīng)時(shí)段的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率。如圖3 所示，2015 年9 月1 日，水管儀傳感器出現(xiàn)故障，記錄曲線變粗，毛刺、抖動(dòng)增多，更換傳感器后恢復(fù)正常；2019 年12 月21 日、22 日，市電電壓不穩(wěn)，記錄曲線產(chǎn)生高頻擾動(dòng)，電壓恢復(fù)正常后消失。

圖3 傳感器故障與電源不穩(wěn)對(duì)水管儀影響Fig.3 Influence of sensor failure and unstable power supply on water-tube tiltmeter observations

3.2 自然環(huán)境干擾

乾陵臺(tái)水管儀觀測(cè)主要受大風(fēng)、氣壓、降雨、雷電等自然環(huán)境因素干擾，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線特征表現(xiàn)為曲線變粗、擾動(dòng)、毛刺、S 傾、N 傾。

3.2.1大風(fēng)、氣壓干擾。受黃土高原季風(fēng)氣候的影響，冬春時(shí)節(jié)，乾陵臺(tái)所在地大風(fēng)較為頻繁，對(duì)水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線造成高頻毛刺擾動(dòng)。如圖4、圖5 所示，2019 年5 月12日05—16 時(shí)大風(fēng)期間，NS 分量觀測(cè)曲線出現(xiàn)毛刺擾動(dòng)，一階差分值在-0.4×10-3″—0.4×10-3″，而EW 分量觀測(cè)曲線在相應(yīng)時(shí)段則較光滑，一階差分值在-0.08×10-3″—0.08×10-3″，曲線形態(tài)和擾動(dòng)幅度明顯小于NS 分量，可能與NS 分量所在處覆蓋層較EW分量薄有關(guān)。受大風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)力影響，觀測(cè)儀器附近植被出現(xiàn)高頻晃動(dòng)，使得測(cè)點(diǎn)內(nèi)巖石受力結(jié)構(gòu)不斷變動(dòng)，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)一定范圍的毛刺擾動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 大風(fēng)干擾對(duì)水管儀NS 分量的影響Fig.4 Influence of strong wind on NS component of water-tube tiltmeter observations

圖5 大風(fēng)干擾對(duì)水管儀EW 分量的影響Fig.5 Influence of strong wind on EW component of water-tube tiltmeter observations

當(dāng)氣壓直接作用在地面上，形成一種大面積荷載，引起地面發(fā)生傾斜。當(dāng)氣壓直接作用于觀測(cè)儀器時(shí)，就會(huì)引起觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化（狄樑等，2017）。如圖6 所示，2019 年4 月27日05—08 時(shí)，乾陵臺(tái)水管儀受氣壓波動(dòng)影響，NS、EW 分量產(chǎn)生數(shù)據(jù)突變及高頻毛刺，且2 個(gè)分量變化同步性較高，可能是因?yàn)?，氣壓的瞬間變化，使得山洞產(chǎn)生微小氣流，覆蓋層受力隨之發(fā)生變化，從而引起觀測(cè)數(shù)據(jù)的瞬間改變。

圖6 氣壓干擾對(duì)水管儀的影響Fig.6 Influence of air pressure on water-tube tiltmeter observations

3.2.2降雨。降雨干擾在地震地形變前兆觀測(cè)中是一種典型且普遍的干擾現(xiàn)象。參照氣象三要素儀記錄的降水量資料，乾陵臺(tái)水管儀和降雨事件在時(shí)間上具有一定同步性，在量級(jí)上，NS 分量所受影響更大，且觀測(cè)曲線有N 傾或S傾趨勢(shì)，而EW 分量則近乎無(wú)變化。如圖7 所示，2018 年6 月29 日乾陵臺(tái)所在地降雨量約1.8 mm，水管儀NS 分量S 傾28×10-3″；2019 年3 月2 日、3 日累積降雨量約2.9 mm，水管儀NS 分量N 傾24×10-3″；在2 次降雨過(guò)程中，EW 分量均無(wú)明顯變化。究其原因，NS 分量所在處洞頂覆蓋層比EW 分量薄，雨水滲入測(cè)點(diǎn)附近巖石裂縫和覆蓋層，導(dǎo)致巖體內(nèi)部發(fā)生顯著膨脹，空隙壓力改變（于天龍等，2007）。在披覆較薄的S 端，降水更易滲透至基巖中，使巖石體積出現(xiàn)膨漲，地面載荷發(fā)生變化，導(dǎo)致地面傾斜，從而使得水管儀記錄發(fā)生N 傾或S 傾變化。該變化大小與降雨持續(xù)時(shí)間、降雨量大小有關(guān)，若降雨量小、持續(xù)時(shí)間短，雨水滲入覆蓋層，對(duì)水管儀影響較小，若降雨量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雨水滲入巖石層，將對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)造成疊加影響。因此，若持續(xù)降雨且達(dá)到一定量級(jí)后，即使降雨停止，NS 分量趨勢(shì)變化仍將維持一段時(shí)間。

圖7 降雨對(duì)水管儀記錄的影響Fig.7 Influence of rainfall on water-tube tiltmeter observations

3.2.3雷電干擾。雷電感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電磁場(chǎng)，從而在地面金屬網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進(jìn)而形成強(qiáng)大的瞬間高壓電場(chǎng)，造成對(duì)用電設(shè)備的高壓弧光放電，最終導(dǎo)致弱電設(shè)備，如傳感器、前置放大器等失靈甚至損毀（鄭永通等，2015）。小的雷電對(duì)傾斜形變固體潮的影響主要表現(xiàn)為毛刺、突跳、階變等，大的雷電可能導(dǎo)致數(shù)采不能正常工作，造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，甚至損壞主機(jī)，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（馮建琴等，2011）。加之?dāng)?shù)據(jù)采集器、前置放大器等年久老化，更易遭受雷擊導(dǎo)致?lián)p壞，造成觀測(cè)數(shù)據(jù)斷記。建議參考國(guó)內(nèi)防雷經(jīng)驗(yàn)升級(jí)防雷措施和增加臺(tái)站常備儀器配機(jī)配件，減少雷擊影響。如圖8 所示，2015 年8 月2 日，雷電使得乾陵臺(tái)水管儀NS、EW 分量記錄曲線出現(xiàn)毛刺，且NS 分量變化較明顯；2018 年8 月16 日，受雷電干擾，乾陵臺(tái)水管儀NS 分量記錄曲線S 傾14×10-3″，EW 分量變化不明顯。

圖8 雷電對(duì)水管儀的影響Fig.8 Effect of lightning on the water-tube tiltmeter observations

3.2.4人為干擾。人為干擾是進(jìn)入形變山洞、儀器檢修、標(biāo)定及調(diào)零等人為活動(dòng)引起的干擾。水管儀和伸縮儀安裝在同一儀器槽內(nèi)，在對(duì)伸縮儀進(jìn)行標(biāo)定、檢修時(shí)，水管儀數(shù)據(jù)在相同時(shí)段也會(huì)受到干擾。如圖9 所示，伸縮儀檢修和人員進(jìn)洞使得水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線同期出現(xiàn)突跳、毛刺，儀器標(biāo)定和調(diào)零使觀測(cè)曲線產(chǎn)生數(shù)據(jù)突跳、缺數(shù)及臺(tái)階，預(yù)處理時(shí)做缺數(shù)和臺(tái)階處理，觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率受到明顯影響。陳德福等（1987）分析認(rèn)為，人員進(jìn)洞引起觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線的突跳和毛刺，并非人體載荷使地表傾斜所致，而是人員進(jìn)洞引起氣流擾動(dòng)導(dǎo)致儀器兩端液面氣壓變化不平衡的結(jié)果。為減少人為活動(dòng)對(duì)水管儀工作環(huán)境的影響，可開(kāi)展以下措施：水管儀務(wù)必嚴(yán)格密封（國(guó)家地震局，2001）：使用泡沫板將儀器密封包裝，裹上農(nóng)用塑料膜；儀器硐室杜絕參觀活動(dòng)，保持恒溫、恒濕，以保證儀器的穩(wěn)定性。

圖9 人為干擾對(duì)水管儀的影響(a) NS 分量；(b) EW 分量Fig.9 Influence of human interference on water-tube tiltmeter observations

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)乾陵臺(tái)DSQ 型水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)常見(jiàn)干擾進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：①乾陵臺(tái)水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)常見(jiàn)干擾有觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾、自然環(huán)境干擾和人為因素干擾，在記錄曲線上主要表現(xiàn)為斷記、毛刺、高頻擾動(dòng)等；②與EW 分量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于NS 分量所在處覆蓋層較薄，更易受到大風(fēng)、降雨等因素干擾，且干擾幅度上明顯較大。

工作人員應(yīng)熟練掌握儀器標(biāo)定、手動(dòng)調(diào)零等技能，縮短進(jìn)洞時(shí)間，應(yīng)適當(dāng)杜絕參觀活動(dòng)，并保持工作環(huán)境恒溫、恒濕。在日常觀測(cè)中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求填好觀測(cè)日志等，確保觀測(cè)資料的真實(shí)性、可靠性。若觀測(cè)曲線出現(xiàn)非正常動(dòng)態(tài)變化，應(yīng)排查并剔除干擾因素的影響，判定是否為地震異常，以便為相關(guān)研究工作提供準(zhǔn)確、可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。