福州地震臺DSQ 水管儀觀測資料分析

林苗祿，朱繼承，薛 飛，鄧 聰

（福州地震監(jiān)測中心站，福建 福州）

引言

地傾斜觀測是地震前兆監(jiān)測的主要手段，其觀測的對象是瞬時地平面相對大地水準面之間角度隨時間的變化[1]。地震研究所于1998 年研制了第三代數(shù)字代“DSQ 型短基線水管傾斜儀”[2]。DSQ 型水管傾斜儀采用差動變壓器式位移傳感器，結(jié)合應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)設(shè)計而成，具有結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、功能強大、分辨率高、通用性強等特點。本研究選取福州地震臺水管儀2015-2022 年的觀測資料進行分析，總結(jié)典型曲線形態(tài)，為傾斜前兆變量的長期觀測提供一定的依據(jù)。

1 臺站概況及儀器基本情況

1.1 臺站概況

福州地震臺位于福州西門大夢山，海拔高程17 m，占地面積2 033 m2，建筑面積706 m2，歸福州地震監(jiān)測中心站管理。場地環(huán)境優(yōu)良，無明顯干擾源，周邊供水、供電、通信和交通條件均便捷可靠，適宜開展體應(yīng)變觀測。臺站處于長樂- 詔安斷裂帶北段，出露地層除第四系松散堆積層外，主要為下白堊紀和上侏羅紀的火山巖，臺站基巖為二長花崗巖，北西向閩江斷裂帶的交匯地區(qū)，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，具有多期和不同性質(zhì)的活動特征[3]。

1.2 儀器基本情況

DSQ 水管傾斜儀安裝于臺站地下民防山洞內(nèi)，洞口高程約海拔10 m，洞頂覆蓋最厚20 m。山洞全長94.74 m，山洞北面出口處于封堵狀態(tài)。2009 年11 月15 日山洞改造動工，建造SS-Y 銦瓦棒伸縮儀與DSQ水管儀共用儀器槽，2010 年9 月19 日安裝完成進入試運行，2012 年10 月通過驗收，11 月26 日接入十五管理系統(tǒng)。

2 DSQ 水管儀運行情況分析

DSQ 型水管傾斜儀是根據(jù)連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，由主體、標定裝置、管路系統(tǒng)、差動變壓器式位移傳感器、DSQ 測微儀、EP 系列采集控制器組成。福州臺水管儀自2012 年正式觀測以來，運行情況基本正常，觀測曲線日變形態(tài)固體潮清晰，產(chǎn)出數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，儀器工作狀況較穩(wěn)定。

如表1 所示，除了2021 年，其余年份觀測數(shù)據(jù)完整率均大于99.5%。2021 年影響儀器運行率的主要原因為受水管儀EP-Ⅲ型數(shù)據(jù)采集器數(shù)采內(nèi)部軟件問題、數(shù)據(jù)采集器開關(guān)電源故障、標定器故障多次檢修導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)缺數(shù)。儀器設(shè)備的運行環(huán)境直接影響觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定，而穩(wěn)定的觀測系統(tǒng)才能產(chǎn)出完整可靠的前兆觀測數(shù)據(jù)。本研究利用年零漂、年變幅等指標來分析水管傾斜觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 DSQ 型水管傾斜儀數(shù)據(jù)年統(tǒng)計(2015-2022)

如表2 所示，福州臺DSQ 型水管傾斜儀觀測年零漂絕對值都小于2 000 ms，符合規(guī)范。NS 向的年變幅基本上都比東西向更小，或許是因為NS 向安裝在山洞更深處，熱彈性形變小。

表2 水管儀年零漂、年變幅數(shù)據(jù)統(tǒng)計(2015-2022)

相對噪聲水平是評價前兆儀器觀測數(shù)據(jù)是否長期穩(wěn)定性的一項重要指標。通過前兆數(shù)據(jù)處理軟件利用預(yù)處理數(shù)據(jù)，可以計算出日均值的相對噪聲水平（Q）值和五日均值的相對噪聲水平（M）值。

如表3 所示，相對水平數(shù)值不大，只有2021 年因為受觀測系統(tǒng)多次故障的影響，噪聲水平日均值的相對噪聲水平比較高。

表3 水管儀相對噪聲水平年統(tǒng)計(2015-2022)

利用前兆數(shù)據(jù)處理軟件集成版內(nèi)置的Venedikov調(diào)和分析方法計算水管儀潮汐參數(shù)。如表4 所示，M2波潮汐因子的平均值NS 分量為3.427 8，EW 分量為2.673 8。M2 波潮汐因子均方差EW 分量數(shù)值比較小，只有2019 年大于0.02，NS 向則只有2018 和2021 年小于0.02。可見儀器內(nèi)精度EW 向比NS 向好。

表4 水管儀潮汐參數(shù)計算結(jié)果(2015-2022)

3 干擾分析

通過對水管傾斜儀多年資料的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的干擾因素主要可分為：自然環(huán)境干擾、人為干擾和儀器故障三種類型。

3.1 自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境干擾主要是指大風、降雨和雷電等氣象變化造成觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變，產(chǎn)生突跳、階躍和震蕩等現(xiàn)象。小的雷電雖會造成觀測數(shù)據(jù)曲線畸變，但不會影響整體形態(tài)變化。大的雷電則可能擊穿儀器元器件，導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作，造成數(shù)據(jù)缺測，影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。2016 年9 月7 日19:00-19:02 受雷電干擾，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)了毛刺、突跳、階變、鋸齒狀等畸變，最大變化幅為NS 向9.51（ms）、EW 向7.53（ms）（見圖1）。

圖1 2016 年9 月7 日水管儀受雷電干擾曲線

降雨是比較常見的自然現(xiàn)象，持續(xù)或突降大雨后,山體表層容易積水, 容易增加巖體荷載導(dǎo)致巖石壓力和應(yīng)變的變化[4]。當降雨停止后,地表中的水分會較長時間內(nèi)慢慢蒸發(fā)和滲流流失，巖體荷載和巖石縫隙中含水量降低，使傾斜應(yīng)變量逐步恢復(fù)[5]。2017 年4 月20 日0:00 EW 向觀測數(shù)據(jù)受降雨影響急劇東傾，最大幅度達357.11 ms；22 日07:24-24 日14:24 受降雨減少恢復(fù)的影響轉(zhuǎn)折西傾；NS 向觀測數(shù)據(jù)呈正常動態(tài)變化，固體潮日變清晰，變化趨勢正常(見圖2)。

圖2 2017 年4 月水管儀受降雨干擾曲線

福州臺水管儀一直受洞溫的變化影響，EW 分量反應(yīng)尤其敏感。2020 年5 月30 日09:25-31 日07:37受洞溫下降影響(當日溫度日變幅為0.06 ℃)，NS 向呈北傾變化、EW 呈東傾變化，變化幅度分別為58.53(ms)、137.35 (ms)，同樣2019 年7 月1 日14:24-14:36受洞溫變化影響(當日溫度日變幅為0.06 ℃)NS 向呈北傾變化、EW 呈東傾變化。由兩次洞溫變化引起水管儀觀測曲線變化對比分析可以發(fā)現(xiàn)，洞溫對福州臺水管儀影響非常明顯。

3.2 人為干擾

人為干擾影響主要包括：進洞檢修儀器、洞內(nèi)儀器調(diào)零及標定、維修電源和照明系統(tǒng)、洞內(nèi)科普參觀。由于福州臺水管儀和伸縮儀安裝在同一個儀器槽內(nèi)，因此檢修、標定伸縮儀時，水管儀觀測數(shù)據(jù)同時間段也會受影響。受到干擾的觀測曲線會產(chǎn)生畸變，影響數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率，降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。2019 年4 月25 日15:30-16:43 進洞改造洞體照明系統(tǒng)造成干擾，表現(xiàn)形態(tài)為數(shù)據(jù)突跳，干擾變化幅度較小，干擾變化最大幅值為NS 向3.00 ms、EW 向11.49 ms。

3.3 觀測系統(tǒng)

福州臺水管儀觀測系統(tǒng)對固體潮影響主要有：步進電機故障、東端傳感器故障、主機電源故障、前置放大盒受潮、儀器工作電源不穩(wěn)、前置放大器故障等。2017 年5 月14 日10:14-17:03 EW 向觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)觀測曲線畸變，NS 向觀測數(shù)據(jù)呈正常動態(tài)變化，固體潮日變清晰，變化趨勢正常，檢查水管儀電源、主機、線路并無異常，發(fā)現(xiàn)水管儀東端傳感器不穩(wěn)定，曲線表現(xiàn)形態(tài)為震蕩，變化最大幅值14.72(ms)，更換傳感器后恢復(fù)正常。

4 同震響應(yīng)

福州臺水管儀觀測多年來，能記錄到遠近地震時地震波的變化，曲線表現(xiàn)形態(tài)為上下階躍，波動幅度隨震級增強而增加，隨距離變大而降低。2020 年12 月25 日07:43:41 在菲律賓 (緯度：13.81°，經(jīng)度：120.65°)發(fā)生6.3 級地震，震源深度100 km，震中距1 373 km，NS 向07:46-08:12、EW 向07:48-08:21 記錄到該地震，表現(xiàn)形態(tài)為上下階躍，NS 向最大幅值為14.19(ms)，EW 向最大幅值為12.66(ms)。

5 結(jié)論

(1) 福州臺水管儀整體運行穩(wěn)定，記錄固體潮清晰，總體變化平穩(wěn)，保持較高運行率。

(2) 受到自然干擾主要為降雨和雷電，降雨對觀測數(shù)據(jù)影響較大，雷電影響比較小。

(3) 洞溫變化對觀測數(shù)據(jù)影響比較大，要持續(xù)跟蹤。

(4) 水管儀運行13 年來，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，噪聲小，在日常運行觀測中，觀測員要有儀器維修技能，及時修復(fù)小故障，縮短故障時間，降低進洞頻率，不斷提高觀測資料質(zhì)量。