涉县地震台伸缩仪EW向观测精度的提高途径

赵长红,张双凤,马广庆,李相平,江永建

(1.河北省地震局涉县地震台,涉县 056400;

2.河北省地震局邯郸中心台,邯郸 056001;

3.河北省地震局,石家庄 050022)

涉县地震台伸缩仪EW向观测精度的提高途径

赵长红1,张双凤2,马广庆3,李相平1,江永建1

(1.河北省地震局涉县地震台,涉县 056400;

2.河北省地震局邯郸中心台,邯郸 056001;

3.河北省地震局,石家庄 050022)

涉县地震台伸缩仪EW向自2001年数字化改造以来,其观测精度呈逐年下降的趋势,为了找出原因并解决这个问题,我们从改造供电系统、加强洞室密封、改进避雷措施、更换仪器传感系统等方面展开工作,有效地去除了伸缩仪观测曲线的“毛刺"现象,杜绝了雷害,提高了伸缩仪 EW向的观测精度。

伸缩仪;观测精度;传感系统

0 引言

伸缩仪是精密测量地壳岩体两点间距离相对变化的仪器,为研究地震孕育过程的应变变化规律提供数据。SS-Y型伸缩仪以线膨胀系数极小的含铌特种铟瓦棒为基线,使用高灵敏度的电涡流位移传感器和精密超微量标定平台,具有高灵敏度和高稳定性的特点[1]。涉县台的SS-Y型伸缩仪2001年9月投入运行,近9年来,仪器运行正常,连续率高,故障率低。其间,根据我台的实际情况,做了一些改造工作,有效提高了观测精度,收到了较好的效果。本文就此做简单地分析总结。

1 涉县地震台概况

涉县地震台位于河北省涉县县城西南大约2km处,太行山山前断裂带西侧,高程500m,台基为下奥陶系白云质灰岩。形变山洞呈L型布设,进深约120m,引洞深约60m,洞顶覆盖层平均厚度不足15m。为了加强洞内观测环境的稳定性,2006年对形变山洞进行了密封改造,在仪器室和引洞内共加装了7道船舱水密门,并用5cm厚的聚乙烯泡沫板将仪器本体密封包装起来。这些措施在很大程度上减轻了气温、气压变化和人为进洞引起的干扰。改造后洞内结构及仪器布设如图1所示。

图1 涉县地震台形变山洞平面示意图

2 存在问题

涉县台的伸缩仪自2001年9月投入运行至今已经8年多了,在此期间,我们发现其 EW向观测资料的内在精度(M2波潮幅因子相对中误差)呈逐年下降的趋势(表1),而NS向的观测精度一直比较稳定,且比 EW向高。我们知道,理论上伸缩仪 EW向的固体潮幅度没有NS向大,如果存在同样的干扰,则 EW向的信噪比就相对较小,其固体潮形态也会较差。但是这却无法解释为什么NS向的观测精度稳定,而EW向的观测精度却长期下滑。

表1 涉县台SS-Y型伸缩仪潮幅因子相对中误差年均值表

2009年的精度值,用中国地震局形变学科管理组指定的“形变前兆台网及台站数据处理系统”计算得出,其它年份则是采用中国地震局形变学科管理组的计算结果。2005年伸缩仪2分量的观测精度较低,有3大影响因素:①3—5月NS向仪器故障,多次进洞调试;②7—9月洞室内建门垛及更换密封门;③10月多人多次进洞重装DSQ仪NS分向。

3 原因分析

为了找出伸缩仪 EW向观测精度逐年下滑的原因,我们主要从下面几个方面进行查找。

3.1 排除电源干扰

日常资料处理中我们注意到涉县台伸缩仪记录到的固体潮不是细而光滑的曲线,而是一条叠加了某种周期性高频干扰成分的很粗的线,我们称之为“毛刺”(图2a),这种“毛刺”的叠加,会使观测值和真实值之间产生偏离,在计算M2波潮幅因子相对中误差时,就会在一定程度上造成精度的降低。我们通过断开交流电源,只用直流电源给仪器供电的方法进行检验,发现观测曲线的“毛刺”现象消失了,这说明交流电源正是造成这种高频干扰的主要原因。分析认为:我们国家交流电源50Hz的频率是固定的,经过稳压后干扰强度应该没有变化,伸缩仪两个方向使用同一个电源,也就存在同样的干扰。因为NS向的观测精度一直比较稳定,所以交流电是形成“毛刺”的原因,不是造成 EW向观测精度逐年下滑的主要原因。

图2 电源改造前后EW向曲线对比图

3.2 加强洞室密封效果

涉县台形变山洞覆盖层较薄,平均厚度不足15m,距离《地形变观测规范》的“水平坑道仪器室顶覆盖及旁侧覆盖≥40m覆盖层”的要求差距很大;2006年改造前洞室的密封效果也较差(仪器本体没有保温层,引洞内只有4道塑料门)。有研究显示气压的变化波动幅度102Pa左右,其应变量的变化率相对量级达到10-8,而SS-Y型伸缩仪的相对观测精度优于10-9,所以已超出了它的相对观测精度[1-2],因此认为密封措施不利对资料精度的影响是不可忽略的。涉县台伸缩仪的EW向更靠近洞口,加上其固体潮幅度比NS向小,所以信噪比也会比NS向小,受到气流变化的影响就会更明显。

2006年涉县台形变山洞综合改造时,主要做了以下3方面的工作,一是改进了仪器的供电系统,断开交流电源,采用全天候的直流供电;二是用聚乙烯泡沫板做保温层将仪器本体密封包装起来,在仪器洞室和引洞内加装了7道船舱水密门。三是将直流电源、数采等设备从原观测室(位于台站大院内)迁至洞口房内。

通过这3项改造措施,观测资料的内在质量有了明显改观:彻底消除了交流电造成的干扰,分钟值曲线变得细而光滑,“毛刺”消失(图2b);洞内温度、气流变化等更趋稳定,洞温年变化远远小于0.5℃的要求[2](表2)。然而从表1可知改造后的2008年EW向的观测精度仍然在下滑,原因仍需继续寻找。

表2 涉县台洞体温度日均值年变表

3.3 雷害

涉县地震台地处太行山麓,是雷电高发区,2006年山洞改造前洞内洞外的仪器及电源设备都曾多次被雷电击坏过,改造后的3年多时间,形变仪器未发生雷击事件。

伸缩仪EW向曲线的日常形态是正常的,多年来格值标定的重复性和稳定性也符合规范要求,所以我们一直在外部寻找原因。2006年山洞改造后影响观测资料精度的外在原因基本排除了,但是EW向的观测精度仍在不断下滑,所以开始在仪器方面查找原因。首先更换了伸缩仪的数采,然而问题依旧。经过反复分析讨论,结合台站所在地雷电较多的情况——只在2005年一年内涉县台就发生过4次雷击事件,我们推测EW向的传感系统存在遭到雷电破坏的可能性。2005年8月,位置比伸缩仪EW向更靠里的VS仪的主机箱就曾被雷电击坏过。我们进洞检查了EW向的传感系统,在前置盒里的电路板上发现有轻微的发黄痕迹,这可能就是雷击造成的,很有可能就是2005年8月的那次雷击造成的,那次雷击造成的破坏较大,台站的几台家用电器、形变观测全套的数据采集系统、UPS电源、甚至位于山洞内的部分前端仪器(VS仪主机箱)都遭到了不同程度的破坏。但是2005年8月的那次雷击事件后,EW向曲线的形态并没有发生明显的变化,格值标定也符合规范要求。分析认为:前置盒虽然遭到雷击,但并没有给电子元件造成严重的损伤,只是造成了其性能的不稳定,所以在日常观测中很难发现。随着时间越来越长,加之山洞内湿度较大,电子元件的稳定性也逐渐变差,于是就造成了 EW向观测精度逐年下滑的现象。

4 结果及讨论

4.1 结果

2009年6月底调仪器期间,更换了伸缩仪 EW向的整套传感系统。从表3、表4中可以看出,1—6月EW向 M2波潮幅因子相对中误差的均值为0.0573,7—12月为0.0428,更换传感系统后 EW向的观测精度明显优于更换前。事实证明传感系统性能的下降,就是导致涉县台伸缩仪EW向精度逐年下降的主要原因。

表3 2009年1—6月伸缩仪EW向 M2波潮幅因子相对中误差表

表4 2009年7—12月伸缩仪EW向M2波潮幅因子相对中误差表

4.2 讨论

影响形变观测资料质量的因素有很多[2-4],从观测场地的地址构造到洞室环境以及仪器系统和供电系统等,每一个环节都至关重要。观测场地一经选定,就无法改变;洞室环境,也只能做一些微观改进,比如采用小腔体,直接给仪器营造一个相对稳定的小环境;采用交流电源给仪器供电,容易造成高频干扰,改用直流供电,这种干扰就可避免;仪器本身的问题一般是在标定过程中检验出来的,如果标定的参数都合格,一般就认为仪器工作正常;容易忽视雷击、洞室湿度大等原因造成的仪器内部电子元件性能的不稳定,会造成观测精度的不断下降。所以,当观测仪器出现问题或故障时,我们不能只注意到那些常见的原因,还应该从多方面更深入地去分析,才能更准确地找出问题所在。

[1] 吕宠吾,孙亚强,杜为民,等.SS-Y型短基线伸缩仪及其标定装置[J].地壳形变与地震,2001,21(3):82-88.

[2] 中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范[M].北京:地震出版社,2001.

[3] 张文来,罗宏江,苏萍.气压变化对SS-Y伸缩仪观测日变曲线的干扰分析[J].内陆地震,2006,20(3):266-270.

[4] GB/T19531.3-2004地壳形变观测[S].北京:中国标准出版社,2004.

Study on Observation Accuracy of Extensometer in Shexian Seismostation

ZHAO Chang-hong1,ZHANG Shuang-feng2,MA Guang-qing3,LI Xiang-ping1,J IANG Yong-jian1
(1.Shexian Seismostation,Shexian 056400,China;
2.Handan Central Seismostation,Handan 056001,China;
3.Earthquake Administration of Hebei,Shijiazhuang 050022,China)

Since 2001,the observation accuracy of the EW component of extensometer in Shexian seismostation decreased year by year.In order to find the cause and solve the problem,we reformed the power supply system,enhanced the sealing property of the observation cave room and improved the lightning protection measure.Through these methods,the observation accuracy of the EW component of extensometer in Shexian seismostation was obviously improved.

extensometer;observation accuracy;the transducer system

P315.72

A

1003-1375(2011)01-0036-04

2010-06-22

赵长红(1974-),男,河北内丘人,河北省地震局助理工程师,从事形变观测工作.E-mail:zhchh@eq-he.ac.cn.