山洞温度对形变仪器的影响特征分析

张亮娥，陈常俊，曹文强，赵 强，范 磊

（1.山西省地震局太原基准地震台，山西 太原 030025；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

太原基准地震台（以下简称太原台）山洞开凿完工于2004年底，2005—2006年陆续安装水管倾斜仪、伸缩仪、水平摆倾斜仪等数字化形变观测仪器。其中，伸缩仪附带有精度为0.01℃温度观测传感器，该传感器安装于EW向支洞内。自观测以来，山洞温度一直保持在15.7～15.9℃之间，日变幅≤0.03℃，年变幅≤0.5℃，符合规范要求。2012年12月24日起，山洞温度出现趋势性上升，日上升幅度≥0.03℃，安装于山洞各形变仪器的观测数据也出现同步变化。为此，文章对此次温度异常变化的原因进行落实，并对温度变化造成形变数据的影响做初步分析，同时在山洞保温措施方面提出建议。

1 太原台形变观测基本情况

1.1 山洞概况

太原台形变观测山洞于2004年底建设完工，位于台站院内，监测大楼南测（见图1），山体出露地层由老至新为中奥陶系马家沟统灰色―深灰色中厚层石灰岩―浅黄灰色泥灰岩，在太原台台址一带出露的灰岩厚度达80余米。岩层走向NE或NNE，倾角10°～20°，洞口高程832.5m，山洞全长170m，其中引洞长78m，EW向长54m，NS向长28m，两支洞长10m，覆盖层厚40～60m。

1.2 仪器安装情况

太原台山洞内共安装3套形变观测仪器，基本参数如表1所示。

2 温度异常落实

2.1 山洞温度年、日变化

图1 太原台形变山洞位置及仪器布设图Fig.1 The position of deformation cave at Taiyuan Station and the instrument layout

表1 太原台山洞安装仪器简表Table 1 Instruments in the cave at Taiyuan Station

太原台山洞温度由伸缩仪自带的辅助观测设备进行观测，传感器安装于EW方向支洞内。自观测记录以来，温度一直保持在稳定的状态下，2008年至2012年五年间，除2008年山洞维修造成温度较大变化外，其余时段温度值的年变化范围保持在15.7～15.9℃之间，温度日变化幅度≤0.03℃，符合规范要求（见图2、图3）。

图2 太原台山洞温度日均值图Fig.2 Daily mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

图3 太原台山洞温度日变化分钟曲线图Fig.3 Minute mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

2.2 温度异常及采取的措施

太原台山洞温度异常时段在2012年12月24日至2013年7月中旬，异常特征表现为趋势性的上升下降及日变化幅度≥0.03℃（见图2）。

异常出现期间，与相关技术人员及仪器生产厂家多次沟通，分析引起数据变化的可能原因，采取更换温度传感器等措施进行对比观测，排除仪器故障的原因。

经过大量的调查，确认是山洞更换灯泡引起温度数据的异常变化（见图4）。太原台山洞照明一直使用的是节能灯一类的发热量极小的冷光源灯泡，大部分时间处于关闭状态，使用率很低，但其故障率却很高。因此，2012年下半年以来陆续更换了一批白炽灯。由于白炽灯散热量大，导致山洞温度的升高。查明原因后，于2013年6月5日将所有照明灯更换为冷光源灯，温度逐渐恢复正常（见图4）。

分析温度数据异常期间的仪器标定、维修记录发现，每次标定及维修仪器时，较长时间的使用白炽灯会导致温度的显著升高（雷电及更换传感器造成的台阶在此不做讨论），人员撤离后，温度值开始逐渐下降，期间多次反复（主要表现为3次大的起伏），直至更换了照明设备（见图4）。下面详细列出仪器标定、维修的过程，与图4中温度的变化进行比较。

（1）2012年12月24日17时，水管仪、伸缩仪两方向调零。

（2）2012年12月25日15时，水管仪、伸缩仪两方向标定，其中伸缩仪NS向结果不合格，之后进行伸缩仪NS向标定器的维护，但标定结果仍不合格。

（3）2012年12月26日8时至11时，调整伸缩仪NS向标定器，之后标定结果合格。

（4）2012年12月31日，在厂家指导下维护NS向标定器。

（5）2013年1月5日，山西省地震局相关人员落实异常，查看洞室环境，未找到干扰原因。

（6）2013年1月30日，更换新传感器。

（7）2013年3月9日、5月6日调水管仪NS向零点。

（8）2013年6月5日更换灯泡。

（9）2013年9月12日雷电干扰。

（10）2013年12月26日更换为原温度传感器。

图4 太原台山洞温度日均值图Fig.4 Daily mean value of temperature in the cave at Taiyuan Station

3 温度对形变观测仪器的影响

太原台山洞共安装有3套形变观测仪器，温度变化对3套仪器均造成不同程度的影响，其特征基本表现为正相关（见表2、图5、图6、图7）。

（1）从图5看出，温度变化对水管仪NS向造成的影响表现为：温度异常变化前，2012年的数据曲线均比较光滑；在异常时段，同步于温度的起伏变化。对水管仪EW向造成的影响表现为：与2012年和2014年的年动态相比，在2013年的温度异常时段，年动态最低值时出现了明显的抬升现象；2012年、2014年的低值段期间，低值总会持续一段时间才恢复为上升状态（曲线会表现出比较圆滑的“凹”字形），而2013年的低值段数据，变化形式为比较尖锐的转折。

（2）从图6看出，水平摆的两个分量在温度异常变化的同时，数据曲线也表现出明显的变化趋势。原本光滑的两条曲线出现明显的有别于背景趋势的转折变化。

（3）从图7看出，温度变化对伸缩仪的两个分量均造成一定的影响。其中NS向影响较明显，数据曲线表现出与温度起伏非常同步的3次显著变化，2013年2月12日至7月15日期间，3次温度影响计算结果，温度系数在（12 000～15 000）／℃。

表2 温度对形变观测仪器的影响Table 2 Effect of temperature on deformation observation instruments

图5 太原台水管仪日均值图Fig.5 Daily mean value of water tube tiltmeter at Taiyuan Station

图6 太原台水平摆倾斜仪日均值图Fig.6 Daily mean value of horizontal pendulum tiltmeter at Taiyuan Station

图7 太原台伸缩仪日均值图Fig.7 Daily mean value of extensometer at Taiyuan Station

4 结论与建议

（1）山洞灯虽一般处于关闭状态，但由于湿度的影响，故障率却较高。要使用冷光灯，避免仪器调零维护对山洞温度造成影响。

（2）通过分析可知，温度对洞室各形变观测仪器均会造成不同程度的影响。

（3）温度对水管仪、伸缩仪NS向的影响比EW向要明显，其原因可能是NS向基线较短的缘故，所以在允许的情况下尽量加长基线；对水平摆仪器的影响，EW向要明显于NS向，显示出更好的同步性，造成这种明显差异的原因需要做进一步的研究。

（4）不同传感器观测的温度日变化值不同。2013年初，为探究温度异常的原因，安装新传感器，在更换冷源照明设备后，其测定温度日变化幅度长期≥0.03℃（曲线表现为比较明显的毛刺）。在更换为原传感器后，测定的温度日变化幅度在0.02℃以内。