依蘭地震臺新老水管儀對比分析

高宏巍，邱鳳萍，孟祥龍，苑年軍，斯琴塔娜

（黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 依蘭地震臺區(qū)域地震地質(zhì)概況

依蘭縣北側(cè)是小興安嶺余脈，西南側(cè)為張廣才嶺余脈，松花江與牡丹江在依蘭縣西北角匯合，倭肯河在縣城東北角與松花江交會，巴蘭河在縣城東部也與松花江匯合，如圖1所示。依蘭臺形變觀測老山洞位于依蘭縣城東南郊，倭肯河流域，海拔約102 m，山洞進深約97 m，洞頂覆蓋層厚35 m以上，日溫差≤0.1℃，年溫差≤0.5℃，濕度保持在65%左右，洞體巖性為黑云母片麻巖。依蘭臺形變觀測新山洞位于依蘭縣松花江北岸，巴蘭河流域，海拔約110 m，山洞進深將近200 m，洞頂覆蓋層厚度大于100 m，日溫差≤O.1℃，年溫差≤0.5℃，濕度保持在60%左右，洞體巖性為花崗巖。

圖1 依蘭地震臺地質(zhì)地貌圖

2 儀器工作原理及臺站觀測環(huán)境對比

DSQ型水管傾斜儀的工作原理：同樣的兩個容器中，同一液體在相同的氣壓、溫度等條件下，其液面在靜止時位于同一水平面上，當(dāng)?shù)孛娈a(chǎn)生傾斜時，兩個容器隨之傾斜，從而相對于保持水平的液面產(chǎn)生垂直位移，借助于測微系統(tǒng)精確地測定此位移量，即可換算成地面的傾斜值。本文利用調(diào)和分析計算方法，對依蘭地震臺松花江南北兩岸的新、老水管傾斜觀測數(shù)據(jù)進行計算對比分析見表1，驗證新臺站水管傾斜觀測數(shù)據(jù)在觀測質(zhì)量上是否超過老臺站水管傾斜觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

依蘭地震臺形變觀測老山洞位于依蘭縣城東南郊，倭肯河流域，海拔約102 m，山洞進深約97 m，洞頂覆蓋層厚35 m以上，密封門為船艙水密門，水管儀觀測腔體距洞口40 m，洞體巖性為黑云母片麻巖；依蘭臺形變觀測新山洞位于依蘭縣松花江北岸，巴蘭河流域，海拔約110 m，山洞進深約200 m，洞頂被覆厚度大于100 m，密封門為冰箱門，水管儀觀測腔體距洞口75 m，洞體巖性為花崗巖（表1）。依蘭臺新觀測山洞總長比老臺長100 m、密封門為冰箱門，抗外部干擾能力比老臺強。依蘭臺新老形變山洞DSQ儀基線長度不同（表1），其中：老臺北南分量為21.56 m，東西分量為21.76 m；新臺北南分量為25.45 m，東西分量為25.50 m。

表1 依蘭地震臺新老形變觀測山洞概況與DSQ水管傾斜儀基線長度對比

依蘭臺老觀測山洞走向為相對簡單的“┐”型，進深短，抗外界干擾能力也較弱；依蘭臺新觀測山洞走向相對復(fù)雜，因為多加了一個斜邊，水管儀腔體布設(shè)像一個“U”型（圖2），北南、東西、北東分量布設(shè)于山洞最里側(cè)，抗外界干擾能力較強。通過觀測山洞概況和基線長度等條件對比分析可知，依蘭臺新觀測山洞地質(zhì)和構(gòu)筑條件全面優(yōu)于老臺觀測山洞。

圖2 依蘭臺新老形變觀測山洞儀器布設(shè)圖

3 觀測資料內(nèi)在質(zhì)量對比分析

選取2020年度依蘭臺新老水管儀觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率、年變幅及年零漂等指標(biāo)，對觀測數(shù)據(jù)進行一般性評價，并以相對噪聲水平M1和M2波潮汐因子相對中誤差作為指標(biāo)，評價觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量。觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果見表2。

由表2可知：（1）老臺因受觀測場地和雷擊情況的共同影響下，連續(xù)率和完整率均比新臺差一倍，年變幅和年零漂均比新臺少。（2）新、老臺水管傾斜內(nèi)在質(zhì)量的指標(biāo)中，各個指標(biāo)參數(shù)相差不多，表明新、老臺水管傾斜觀測數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量基本相同。（3）以潮汐因子做指標(biāo)，新臺的精度高于老臺。由此可見，新臺水管傾斜觀測質(zhì)量要比老臺好一些。

表2 2020年度依蘭新老臺站觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果

以相對噪聲水平M1和M2波潮汐因子相對中誤差作為資料內(nèi)在質(zhì)量評價指標(biāo)，2020年每月新、老水管傾斜觀測數(shù)據(jù)，繪制相對噪聲水平M1、M2波潮汐因子相對中誤差對比曲線如圖3所示。因觀測山洞地質(zhì)特性的差異，新、老臺相對噪聲水平M1、M2波潮汐因子中誤差均值和均方差存在顯著差異。

圖3 新、老臺水管傾斜潮汐因子中誤差曲線圖

4 同震效應(yīng)對比分析

新、老臺水管傾斜觀測數(shù)據(jù)均記錄到2020年1月29日在古巴南部某海域發(fā)生M7.7地震，震源深度10 km，震中距12 070 km（圖4）。新臺水管傾斜北南向最大振幅為56.8×10-3角秒，東西向最大振幅為108×10-3角秒，持續(xù)時間為394 min；老臺水管傾斜北南向最大振幅為105.6×10-3角秒，東西向最大振幅為150.6×10-3角秒，持續(xù)時間為395 min?？梢钥闯觯豪吓_記錄的地震波形最大振幅比新臺大將近一倍，持續(xù)時間基本相同?？赡苡捎谛屡_臺基為花崗巖，老臺臺基為黑云母片麻巖，花崗巖比黑云母片麻巖造成的彈性形變大的原因造成（圖5）。

圖4 依蘭地震臺新、老臺水管傾斜記錄到2020年1月29日發(fā)生在古巴南部海域M7.7地震

圖5 新、老臺水管傾斜記錄到2020年1月29日發(fā)生在古巴南部海域M7.7地震（同軸曲線對比）

5 氣象資料對比分析

氣壓、降雨、溫度、濕度等氣象類的干擾信息給地震形變觀測異常識別帶來困難，而通過1月和6月的氣溫、氣壓分鐘圖可以判斷，對水管傾斜觀測氣象干擾因素主要是氣溫和氣壓。

新、老臺水管觀測未受氣溫變化影響，夏季溫度高（圖6），冬季溫度低（圖7），新、老臺水管傾斜觀測數(shù)據(jù)變化正常，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

圖6 新、老臺水管傾斜與氣溫分鐘圖（2020-06-02至2020-06-04）

圖7 新、老臺水管傾斜與氣溫分鐘圖（2020-01-08至2020-01-09）

2020年6月10日16時-11日4時氣壓出現(xiàn)劇烈波動變化，造成老臺水管傾斜北南向和東西向觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)固體潮畸變（圖8），北南向最大變化幅度2.9×10-3角秒，東西向最大變化幅度1.9×10-3角秒。新臺水管觀測數(shù)據(jù)北南向和東西向未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。氣象三要素儀器布設(shè)在老臺，距離新臺直線距離約30 km，可能新臺周邊的氣壓未發(fā)生劇烈波動，因此新臺未受到氣壓干擾影響。

圖8 新、老臺水管傾斜與氣壓分鐘圖（2020-06-10至2020-06-11）

2020年8月3日22時-23時老臺記錄到降雨量2.9 mm，導(dǎo)致新臺水管傾斜北南向出現(xiàn)固體潮畸變（圖9），最大幅度1.8×10-3角秒；老臺水管傾斜北南向出現(xiàn)固體潮畸變，最大幅度1.7×10-3角秒。新、老臺水管傾斜東西向觀測數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。此次降雨對新、老臺水管傾斜觀測數(shù)據(jù)造成的干擾主要表現(xiàn)在北南向，對東西向干擾較小。

圖9 新、老臺水管傾斜與降雨分鐘圖（2020-08-03至2020-08-04）

6 主要干擾源對比分析

2020年5月1日-5月2日老臺水管傾斜受東側(cè)3 km哈佳高鐵影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)固體潮畸變，表現(xiàn)為固體潮擾動，北南向最大變化幅度1.1×10-3角秒，東西向最大變化幅度1.3×10-3角秒。哈佳高鐵位于新臺南側(cè)30 km，未受到哈佳高鐵干擾，觀測數(shù)據(jù)記錄到良好的固體潮，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象（圖10）。

圖10 新、老臺水管傾斜受哈佳高鐵干擾圖（2020-05-01至2020-05-02）

7 結(jié)論

水管傾斜觀測工作是一項長期而且艱巨的任務(wù)，只有良好的山洞條件才能保證產(chǎn)出的形變資料連續(xù)可靠。通過對2020年度依蘭地震臺新老DSQ型水管儀觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）DSQ型水管儀基線長，觀測山洞地質(zhì)情況優(yōu)越，觀測資料長期穩(wěn)定、內(nèi)精度更高。形變觀測山洞進深長，被覆厚，密封門多且嚴密有利于減少周圍環(huán)境干擾。

（2）DSQ型水管儀安裝位置應(yīng)盡量遠離洞口，有利于減少周圍環(huán)境干擾，儀器密封方式的不同對水管儀的觀測質(zhì)量影響不大。

（3）臺基地質(zhì)條件越好，DSQ型水管儀年變幅越小；年零漂指標(biāo)反映，依蘭地震臺新老DSQ儀觀測數(shù)據(jù)曲線變化趨勢具有一致性。

（4）從潮汐因子結(jié)果來看，新臺水管儀的精度高于老臺水管儀。

（5）地處巴蘭河流域地區(qū)、巖性為花崗巖的新臺址，比地處倭肯河為黑云母片麻巖的老臺的老臺址，所受高鐵的干擾影響基本為零。

綜上所述，觀測山洞良好的地質(zhì)條件是DSQ水管傾斜儀觀測的重要基礎(chǔ)，是有效降低儀器設(shè)備故障，人為影響，降低對外部環(huán)境影響，增強儀器設(shè)備運維能力，提高觀測質(zhì)量、持久穩(wěn)定性的重要條件。