厦门地震台伸缩仪畸变现象原因探讨

杨 婕 ，刘水莲 ，卓 群，凌学才

（1.厦门地震台，福建 厦门 361003；2.永安地震台，福建 永安 366000；3.厦门市地震遥测中心，福建 厦门 361003；4.安徽省电力设计院，安徽 合肥230022）

厦门地震台伸缩仪畸变现象原因探讨

杨 婕1，刘水莲2，卓 群3，凌学才4

（1.厦门地震台，福建 厦门 361003；2.永安地震台，福建 永安 366000；3.厦门市地震遥测中心，福建 厦门 361003；4.安徽省电力设计院，安徽 合肥230022）

通过对厦门地震台伸缩仪畸变现象分析，认为引起畸变的原因很多，比如仪器故障、电源故障、干扰等。也可能另有其他干扰因素，有待在今后的工作中继续观察、探讨。

伸缩仪；固体潮；畸变；异常

0 引言

固体潮有3种类型，即重力固体潮、倾斜固体潮和应变固体潮[1]。从理论上讲，正常的固体潮观测曲线是光滑的近似的正弦曲线，实际的观测曲线中，常常有突跳、台阶、波动（或脉动）、曲线速率改变等现象 （本文中统称为畸变现象），也记录到一些特异图像[2～6]。

厦门地震台位于鸿山东北麓，是一个固体潮综合观测台，集重力、倾斜与应变固体潮观测于一身，自开展地形变观测以来，已明显记录到了两次地震的地形变前兆[7]。2010年以来，该台站伸缩仪出现畸变现象的频次明显增加：截止至4月18日，合计108个观测日中，北南向观测曲线有28日出现畸变现象，占总观测日的25.9%；东西向观测曲线有69日出现畸变现象，占总观测日的63.99%。是环境干扰？仪器故障？还是地震前兆？值得探讨。

1 台址条件及仪器布设情况

厦门岛位于福建省南部九龙江出海口的金门湾，东临台湾海峡，背靠闽南大陆。地质构造属于 “闽东火山断坳带”东缘，“闽南沿海变质带”的西南部。厦门岛南部为中低丘陵地形，制高点云顶岩，海拔339.6 m。厦门地震台位于厦门岛南部，台站院子中有一平洞，由主巷、支巷和洞室组成。主巷道总体走向为SE122°31′04″，进深71.5 m，宽3.0 m，高2.5 m；支巷道宽3.0 m，高2.5 m或宽1.5 m，高2.0 m，洞室临支巷道修建。平洞内平洞上覆盖厚度由东向西减小，东端最厚处为38 m。洞内岩石为燕山中期花岗岩，质地坚硬，洞内年变温差＜0.5℃，日温差小于0.03℃，安装有DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪、VS垂直摆和DZW重力仪等4套仪器。

2 出现畸变的伸缩仪观测曲线

从理论上说，理想的观测曲线是光滑的近似正弦曲线，固体潮形态清晰，厦门台的重力曲线就是如此 （图1a）。根据固体潮理论，应变固体潮分量为引潮力对经纬度的二阶导数，倾斜则为位对经纬度的一阶导数，而重力是位对径向半径的一阶导数。因此，重力观测曲线非常光滑，倾斜观测 （水管仪和垂直摆观测仪）也基本光滑，伸缩仪观测曲线则显得不那么光滑，还经常有畸变现象 (图1b)。

图1 重力仪与伸缩仪日曲线对比图Fig.1 Comparison diagram of daily variation curves of gravity instrument and extensometer

厦门台伸缩仪观测曲线中的畸变现象主要是：出现 “毛刺”、数据突跳、台阶、曲线速率出现改变导致固体潮形态明显偏离似正弦形态 （图1b中椭圆示意部分）。

3 畸变现象原因分析

影响数字化仪器观测的因素很多，环境变化、仪器本体故障、数字采集器故障、应用软件出错、观测人员操作失误，都可能影响观测曲线。

3.1 气压影响

从2004年4月17日伸缩仪与气压日曲线对比图 （图2）中可以明显看出，23 h20 m，气压观测曲线与伸缩仪观测曲线的速率都向下大幅度降低，20 min后又急剧回升。三条观测曲线出现畸变的形态相似，时间同步。

库尔勒地震台伸缩观测数据变化与气压变化的相关系数的均值分别达到0.95、0.85，存在明显正相关[8]。利用厦门台2005年全年的气压和伸缩仪分钟值观测资料，用相同参数的高频滤波器分别进行滤波处理，得到各自的高频信息，通过一元回归得到相关系数 （表1）。同样方法得到各自的低频信息的相关系数 （表2）[9]。

图2 伸缩仪与气压日曲线对比图Fig.2 Comparison diagram of daily variation curves of extensometer and barometer

表1 从厦门台伸缩仪与气压的高频信息中得到的相关系数Table 1 Correlation coefficients of high-frequency information between extensometer at Xiamen seismostation andatmosphericpressure

表2 从厦门台伸缩仪与气压的低频信息中得到的相关系数Table 2 Correlation coefficients of low-frequency information between extensometer at Xiamen seismostation andatmosphericpressure

对比表1和表2，可以看出，厦门台伸缩仪高频信息与气压的相关系数很低，最大的（5月份南北分量）为0.2952，最小的 （12月份东西分量）才0.0260。低频信息与气压的相关系数高得多，最大的 （10月份东西分量）达到0.7479，最小的 （2月份南北分量）为-0.0282。从相关系数计算结果看，厦门台伸缩仪观测值受气压影响并不大。

3.2 降水影响

2006年，伸缩仪 (EW分量尤为明显)的年变曲线在5～8月间出现几次明显的 “突降”，似乎出现了异常，而且以下降 （即压缩）为多，而变化时间与强降水时间有很好的对应。以2006年5月观测曲线 （图3）为例，该月降水总量579 mm，从图上可看出，观测曲线出现趋势变化和开始恢复的时间，明显就是强降水出现和结束的时间。通过对比分析，计算相关性，认为伸缩仪的年变趋势和月变趋势中出现的突降现象，是在强降水影响下，山体岩石体积发生膨胀，产生不均匀变形，进而影响伸缩仪的变化趋势。由于原因是仪器安装在平洞内，平洞之上的花岗岩风化山丘的山脊走向为NNE-SSW，强降水作用下，山体变形是非均匀的，伸缩仪NS向曲线受强降水影响程度不如EW向大[10]。

图3 伸缩仪与降水量的月曲线对比图Fig.3 Comparison diagram of monthly variation curves of extensometer and precipitation

3.3 温度影响

山洞为封闭式，巷道内安装有船舱门，洞内温度的年变幅在0.5℃内，温度的年曲线基本呈直线型。温度因素对伸缩仪的影响不明显。

3.4 人为干扰

主要是人员参观、标定仪器、检查仪器等原因进入山洞，引起空气气流改变，或者水管仪进行标定时调整电压值对共墩的伸缩仪造成影响，这类干扰主要是造成一些小的脉冲，偶尔有小的台阶；对伸缩仪进行标定则会引起大的脉冲和台阶。

3.5 海潮影响

因为厦门岛四周环海，仅在岛的北偏西方向有一海堤与大陆相连，厦门台所处的位置无论是从外海的角度来讲还是从港内湾流的方面来讲，都被海水所包围，其观测资料严重受海潮干扰[11～12]。厦门台洞体应变观测曲线上叠加的 “毛刺”现象实际上就是海潮干扰的一种表现形式[9]。在理论上，将海潮的影响从地形变观测资料中剔除，即所谓的 “海潮效应改正”问题已经得到根本的解决[13～14]。但海潮影响是一个很复杂的过程，目前，厦门台的日常资料预处理中还无法进行海潮改正。

3.6 可能是前兆异常

强震前后，在长周期地震观测仪的观测中常能记录到一些异常的地动信号[15～17]。伸缩仪的观测对象为应力固体潮，从滤波角度来看，应力固体潮为一个二阶微分器，实质上是一个高通滤波器，所以，对外界激励的响应，应变固体潮表现为对短临前兆反映最灵敏。 2011年3月11日13时46分21秒，在日本本州东海岸附近海域发生8.6级地震。3月10日，全球范围共发生破坏性地震6个 （表3）。

研究表明[1]：大震前，形态法：在原始记录曲线、整点值与日均值等分量图与矢量曲线图变化的背景上，若出现曲线速率、阶跃、脉冲、波动 （或脉动）、“鼓包”等情况，矢量图显示急拐弯、打结、变速，经查实又无其它因素的突变干扰，可当作是地壳异常运动的反映来处理。对于日本强震前厦门台伸缩仪观测中出现的这些的畸变，不排除是前兆异常。这些畸变与强震的关系、机理还不清楚，有待今后继续研究。

表3 2011年3月10日6次MS5.0以上地震震的基本参数Table 3 Basic parameters of 6 strong earthquakes in March.10,2007 with MS＞5.0

3.7 数采收数过程出错

数字化采集使用中国地震局地壳应力研究所研制的DQS-1型前兆综合主台数字化公用设备中的DSC-2A型数据采集器，采集前兆观测仪器的输出电压信号，采用线性转换公式，将电压值乘以标定格值，再加上改正值得到对应的物理量[18]。

数据采集器安装在仪器室，与计算机、DSQ水管仪的测微扩展仪、垂直摆模拟观测仪器等电子产品摆放在一起，在数据采集时，有时候出现原始分钟值缺失，也经常出现数据突跳现象。由于突跳时间集中在07h30mm至08h30mm之间，且大多数在收数开始后3 min内，有可能是有可能因交流供电系统不稳定，或是收数的计算机启动时刻引起电流突然变化，对数据采集造成影响。这类突跳，在排除外界干扰和同震响应之后，可以使用预处理软件去除，对观测曲线的长趋势没有影响，目前也没有有效的预防方法。

3.8 零点台阶

零点台阶是一种很特殊的台阶，它出现在当日00h00m的观测值和昨日23h59m的观测值之间。厦门台数字化仪器的零点台阶产生原因主要有三点：第一，数据采集设备在信号采集和转换过程中的错误；第二，数据转换软件本身存在缺陷 （原始数据转换错误或归零处理、标定处理、自动台阶改正的计算结果不正确）；第三，观测人员数据处理不当是造成零点台阶最主要的原因[2]。

零点台阶用预处理软件消除后，对长趋势没有影响。但如果在日常的预处理工作中没有及时消除，这种台阶将影响观测工作的质量，对分析预报工作和科研也很不利，因此，仍值得重视。

4 讨论

通过对厦门台伸缩仪日常观测曲线中出现的畸变现象进行分析，认为厦门台伸缩仪畸变的主要原因有：可能的前兆异常、气象因素影响、人员干扰、数采仪器故障、伸缩仪本体故障以及转换环节出现错误。

（1）海潮干扰。海潮影响，使得伸缩仪的观测曲线一直存在 “毛刺”，是最重要的干扰源；

图4 伸缩仪的畸变现象Fig.4 Distortion of extensometer

（2）前兆异常。对于一些大震前出现的畸变，在排除环境干扰、电源干扰、人为干扰的前提下，也不排除是前兆异常，但这些畸变与强震的关系、机理还不清楚，有待今后继续研究；

（3）气压和强降水的影响。其中气压的影响主要为瞬时扰动，强降水 （尤其是长时间的强降水）对伸缩仪的观测影响较大，可能影响到月曲线和年曲线的趋势变化；

（4）人为干扰。人员进洞引起空气对流，观测曲线上会出现一些脉冲式的波动，或引起台阶波动；

（5）数字化采集过程出错。主要现象是数据缺失或数据突跳；

（6）零点台阶。产生原因主要是：数据采集设备在信号采集和转换过程中的错误，或者数据转换软件本身存在缺陷，或者观测人员对数据处理不当；

（7)伸缩仪本体故障，如探头出现故障，观测曲线也可能出现畸变现象。

影响伸缩仪观测的因素很多，研究表明：影响伸缩仪观测的因素很多，例如基线材料的温度效应，吊丝的温度效应，重力场的变化，环境场的变化，监测山洞中的空气对流、温度梯度等[8]。文章统计厦门台9年来的数字化观测中出现的畸变现象，并做粗浅分析，其他类型畸变现象及产生原因、预防方法都有待继续探讨。

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Discussion on the Cause of Distortion of Extensometer at Xiamen Seismostation

YANG Jie1，LIU Shuilian2， ZHUO Qun3， LING Xuecai4

(1.Xiamen Seismostation,Xiamen 361003,China;2.Yong'an Seismostation,Yong'an 3660003,China;3.Xiamen Seismic Digital Telemetering Centre,Xiamen 361003,China;4.Anhui Electric Power Design Institute,Hefei 230022,China)

Study on some distortion of extensometer at Xiamen seismostation,the result shows that there are many causes,most of which are instrument fault,power failure,and jamming,etc.Other interference factors are also likely to be the cause,which depends on further observation and research.

extensometer;earth tide;distortion;abnormity

P315.622

A

1001-8662（2012）01-0041-08

2011-09-13

福建省地震局2010年度地震科研项目基金 （闽震科函 [2010]9号）

杨 婕，女，1974年生，工程师.主要从事地形变观测与分析预报工作.E-mail:xmwjh@sina.com.