石嘴山地震台DSQ水管倾斜仪干扰因素概括分析

张 楠，王利波，吴 迪

（石嘴山地震台，宁夏 石嘴山 758600）

0 引言

宁夏石嘴山地区位于南北地震带宁夏境内的北端，历史上地震活动频繁。大地震的孕育过程中，前兆仪器有可能记录到各种地震异常现象。本文通过调查台站第一手数据，提取有用信息，概括各种干扰因素的特点，并总结了排除这些干扰的一点经验，与台站同行交流学习。

1 DSQ型水管仪的观测条件和运行情况

1.1 台站观测环境

石嘴山地震台是宁夏北部唯一的专业地震综合台站，对于宁夏北部的地震监测起着举足轻重的作用。石嘴山地区西为贺兰山中高山，东为卓子山丘陵区，地质构造复杂。石嘴山地区属干旱少雨的大陆性气候，年平均气温为9.6℃，年均气压为886.1hpa，年均降雨量为89.1mm，年均蒸发量为2450mm，年温差、日温差较大。形变观测山洞位于台站西约15km，该地区地表表层为冲洪积砾石层，地势轻微起伏，周围存在两条重要控制作用的活动断裂带：贺兰山东麓断裂带和正谊关断裂带。宁夏地震局1980年在正谊关沟口山坡上开凿山洞1孔。洞室为花岗岩，山洞双层被覆，洞顶覆盖厚度约20m，洞室平面呈“人”字形，主洞长22.1m、高3m、宽1.6m，在洞口左右建控制室各一间，面积均为5.1m×2.7m。洞内建2个洞室。2007年3月在正谊关山洞架设DSQ型水管倾斜仪和SS-Y型伸缩仪，投入使用至今。该山洞内原有三道塑钢门在2010年8—9月外扩加三道隔离木门，洞内年温差小于0.2℃，日温差小于0.01℃，空气较干燥。

1.2 仪器性能参数

DSQ型水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，适用于地壳倾斜固体潮、地震断层以及火山、大型精密工程垂直位移的连续观测。“十五”期间该仪器已在全国27个省市区62个地震台站安装运行。DSQ型水管倾斜仪由武汉地震科学仪器研究院生产，基线NS向长度10.75m，EW向长度10.75m，仪器分辨率0.0005″，日漂移量≤0.005″，标定精度≤1%。

1.3 安装运行情况

DSQ型水管倾斜仪安装于十五项目期间，在武汉地震科学仪器研究院仪器安装小组的帮助下，宁夏地震局于2007年3月在石嘴山地震台正谊关山洞内安装了DSQ型水管倾斜仪，经过初步调试、标定后，于2008年1月开始正式观测。运行5年多时间，仪器较为稳定，能清晰记录到固体潮变化、反映较大的远震，同时受各种干扰影响。图1是2012年1月两测项记录到的预处理分钟值曲线，固体潮清晰可见。北南分量大潮的最大变化幅度约为16.847×10-3″，小潮的最小变化幅度约为7.836×10-3″；东西分量大潮的最大变化幅度约为22.268×10-3″，小潮的最小变化幅度约为9.217×10-3″。

图1 石嘴山地震台水管倾斜仪2012年1月固体潮曲线Fig.1 The solid tide curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station in January，2012

2 DSQ水管倾斜仪观测过程中存在的干扰因素概括分析

2.1 自然因素

2.1.1 气温、气压变化的影响

冬春季节，由于气压变化较为剧烈，刮大风会改变地壳的负载，造成地面短时形变对资料形成干扰，资料日变曲线毛刺较多［1］。我台NS向干扰较为严重，EW向轻微一些（因为正谊关山洞NS向的入口离山洞入口更近，只有进了NS向山洞才能到达EW向山洞入口，故NS向受外界气压影响一直较EW向要大一些），图2是2010年3月24—26日的记录曲线，图中NS向的毛刺最大幅度达到2.707×10-3″（图2）。

图2 石嘴山地震台水管倾斜仪2010年3月24日至26日分钟值曲线图Fig.2 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station from March 24 to March 26，2010

2013年5月08时16分水管仪南端出现一个向南台阶，幅度约为8mV，12时左右南端恢复日变，当天日志没有记录到雷雨天气也没有人为干扰，结合前后5天的气压数据，当日气压平均值偏低，且5月2日02时50分—14时40分左右气压呈锯齿状变化剧烈，推测该台阶为气压剧烈变化造成（图3）。

图3 石嘴山台水管倾斜仪2013年5月2日分钟值曲线图Fig.3 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station on May.2，2013

2010年8月1日—9月13日山洞改造（外扩加三道隔离木门）后，洞温有所提升，之后记录到的日曲线图毛刺明显减少。山洞内要尽可能采用冷光照明，最好不用白炽灯，尽量减少不必要的发热源，使洞温尽可能接近恒定，从而使温度干扰达到最小［2］。图3为正谊关倾斜仪预处理数据日均差值（2008年1月—2011月9月），均值分别约为2×10-3″和1×10-3″，明显可以看到2010年9月后受气压影响变小（图4）。

图4 正谊关倾斜仪预处理数据日均差值（2008年1月—2011月9月）Fig.4 The hour value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station from Jan.1，2008 to Sep.31，2011

2.1.2 雷雨天气的影响

雷雨天气总是要伴随着温度和气压的剧烈变化。2010年7月27日09时20分左右，惠农区天气开始变化，由晴天突然转为刮风，随后在17时50分下起暴雨，暴雨持续了半个多小时，降雨量很快达到了当日的最大值，之后降雨停止，从图4可以看出，气压在打雷时的16时左右变化趋势折返上升，幅度达到3.476hPa，趋势维持到22时左右，水管仪两分量从16时到17时30分左右出现了鼓包、突跳和毛刺状干扰。NS向造成的干扰要明显大于EW向，变化几乎同步。NS向跃阶的最大幅度是2.629×10-3″，EW向跃阶的最大幅度是2.975×10-3″。（图5）强雷电的危害性很大，在安装数字化设备之前一定要未雨绸缪，布置防雷举措［3］。我台十五建设项目采取传输线路屏蔽、用电设备接地、供电线加装电源避雷器等措施应对强雷电问题。我台水管仪目前还未出现因雷击导致死机等重大故障的状况，故这类天气归根结底其实还是受气压干扰。

图5 2012年7月27日石嘴山台气压、降水量、水管倾斜仪分钟值曲线图Fig.5 Theminute value curves of atmosphericpressure，rainfall，water tubetiltmeter，in Shizuishanstation on Jul.27，2012

2.2 人为因素

2.2.1 停电的影响

突然停电、电压不稳、电流冲击会造成突跳和台阶。停电后，仪器直接断记，恢复供电后由于仪器被瞬间大电流冲击，从记录曲线上看是从一个峰值缓慢回复到日变的过程。2012年6月17日07时43分突然停电，造成数据断记，09时01分来电后，数据出现一个峰值，之后20分钟左右逐渐平稳（图6），在数据预处理时需要加一个改正量。我台山洞UPS电源在交流电中断后可以维持15个小时以上的供电，通过IP-Power这类UPS监控软件对UPS工作状态实时监控，可避免因停电造成的断记和干扰。

图6 正谊关倾斜仪供电恢复后回复日变（2012年6月17日）Fig.6 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station on Jun.17，2012

2.2.2 同槽安装的伸缩仪检修、标定的影响

由于石嘴山地震台DSQ型水管仪和SS-Y型伸缩仪架设在同一仪器槽内（2007年3月同期架设），两套仪器在检修时肯定会相互影响。2010年11月11日21时35分—23时55分洞体应变东西分量出现阶跃、突跳，幅度较大，原因尚不明。11月12日14时27分至16时，检查伸缩仪东西向正常，并对其进行多次标定，仍不符合要求，怀疑仪器故障。期间，对其他仪器造成干扰。16时至16时20分，对观测室内配电箱内O极进行检查，无异常。11月13日16时30分至18时20分，检测伸缩仪。17时45分，将伸缩仪东西向停记，检测南北向，怀疑仪器故障。期间，对其他仪器造成干扰。11月14日11时26分至11时53分检测伸缩仪，南北向数据恢复正常，东西向依旧数据突跳严重，怀疑为前置放大盒有问题。期间，对其他仪器造成干扰。11月15日10时45分至11时22分检测伸缩仪，将南北向和东西向的前置放大盒互换。14时57分至15时14分再次检测伸缩仪。期间，对水管倾斜仪造成干扰。11月16日14时53分将伸缩仪南北向和东西向换回原来的状态，南北向恢复正常，东西向出现变化，故判断东西向前置放大器存在问题，期间对水管数据产生了人为影响。11月17日伸缩仪东西向前置放大盒故障，申请邮寄。11月23日09时25分—10时10分更新伸缩仪东西向前置放大盒，随后使用网页远程对伸缩仪东西向进行多次标定，直至重复度小于1，使伸缩仪开始正常工作（图7）。图中可以看出这些人为干扰对水管仪EW分量的影响。目前条件下，只有摸清仪器运行规律，不断提高仪器维护水平，工作中尽量减少维修次数，才能尽量避免两套仪器相互影响。解决这类干扰最理想的办法应该是将两套仪器分别安装在不同的仪器槽内，我台目前还无法做到。

图7 石嘴山地震台检测伸缩仪对水管仪数据造成的干扰Fig.7 The influence on water tube tiltmeter of troubleshooting for extensometer in Shizuishan station

2.2.3 水管仪自身工作状态的影响

水管仪在观测中由于仪器检测、标定、加水、调整浮子、调整放大器灵敏度、数据超量程及数采工作异常等原因都可造成观测值曲线出现畸变，从而使观测数据受到影响。例如2010年6月30日08时59分—16时58分对水管仪两个测向进行标定，东西向标定未成功。7月1日13时37分-13时55分对水管仪东西测向研究发现是东西向灵敏度偏大（约30mV／μm），并且遇到大潮，对标定影响过大。将东西向灵敏度调到25mV／μm左右（24.7mV／μm）后标定成功。标定时造成数据有缺失现象，无法正常使用。按形变学科组规范要求必须将调零和标定时段的数据做缺数处理，代价是降低资料的完整率。总结我台经验，杜绝失误的方法是需按流程熟练操作仪器，减少检测、标定、加水等操作的时间，尽量做到零误操作。

图8 2010年6月30日-7月1日水管仪北南、东西分钟值曲线图Fig.8 The NSand EW minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station from Jun.30 to Jul.1，2010

此外对形变手段来说超量程是常见人为操作失误之一。DSQ水管仪量程均在±2000mV以内，2012年12月23日18时左右北端超过-2000m V，之后数据产生台阶，不能反映真实情况，24日08时50分左右北端加水后两端点回到量程以内（北端450mV左右，南端1420mV左右）（图9）。之间的台阶需要人为预处理，避免此类失误只需值班人员细心即可。

图9 2012年12月22—25日水管仪北端超量程Fig.9 The over measuring range in the north of water tube tiltmeter from Dec.22 to 25，2012

2.2.4 其他人为干扰的影响

2010年8月1日—9月13日山洞改造（外扩加三道隔离木门），9月11日11点14分我台人员进山洞更换电灯，对水管仪造成了明显的人为干扰。如图6所示，NS向干扰的最大变幅是27.58×10-3″，EW向干扰的最大变幅是54.523×10-3″，均远大于当日正常变化量，EW向的干扰要略大于NS向的干扰，干扰大约持续了10分钟后结束（图10）。此类干扰无法避免只能通过熟练操作以减轻。

图10 石嘴山台水管倾斜仪2010年9月11日分钟值曲线图Fig.10 The minute value curves of water tube tiltmeter in Shizuishan station on Sep.11，2010

3 结语

通过以上对石嘴山台DSQ型水管倾斜仪2008年以来的资料分析，我台已经认识到影响前兆信息提取的几类自然和人为干扰因素，并总结了减弱或者消除干扰的一点方法。在今后的工作中，我们要不断累积经验，学习先进的理论方法，找出更多隶属于宏观、微观的干扰，提升信息提取水平，从根本上提高我台水管仪的观测精度和分析预报的水平。

［1］李永振.铁岭地震台数字化水管仪资料分析［J］.形变学科通讯，2007，（2）：45-50.

［2］张荣挺，于沈平.DSQ水管倾斜仪和SS-Y伸缩仪观测条件建设要点［J］.东北地震研究，2002，18（1）：66-68.

［3］邱永平.地震前兆数字化仪器受到强雷暴干扰研究［J］.地震地磁观测与研究，2003，24（5）：100-105.