荥阳形变台伸缩仪维护经验和干扰分析

周冠强，赵祖虎，李海峰，刘学升，芦永杰，林景枝

(郑州地震台，河南郑州 450062)

SS-Y型伸缩仪是用于精密测量地壳表面两点间的水平相对变化的仪器，适用于地壳应变固体潮水平分量、地震断层活动以及大型精密工程水平形变的连续监测。荥阳台伸缩仪自2001年8月运行以来，仪器工作正常，多次清晰地记录到河南省内外一些显著地震事件，映震效果良好。但在仪器稳定运行过程中，观测资料也会受到人为、环境等各种因素的干扰，干扰的具体表现为日变曲线出现畸变、台阶或者长时间段的毛刺，曲线不光滑，在特定时段出现小突起，单点突跳等。因此，分析和总结各种干扰因素对观测资料的影响，快速找到畸变发生原因，对于提高观测资料质量和为地震监测提供可信度较高的形变观测资料意义重大。

1 观测环境和仪器概况

河南省郑州荥阳地震台位于荥阳市崔庙乡王宗店村，台站地处地质构造部位为秦岭东西复杂构造带北缘偏东，二级构造单元属华北沉降带开封中坳和嵩(山)萁(山)中台隆起的交界部位，台站周围分布有须水断层、尖岗断层、郭小寨断层等。地层属于新生界第三系及古生界二叠系、石炭系、寒武系，处于东部平原区及丘陵缓坡地带，覆盖层为新生界第四系松散堆积层。地震台的台基为第三纪灰岩，地表黄土埋深30 m。洞顶覆盖厚度30 m，侧旁覆盖厚度60 m，洞体岩性为馒头页岩和石英岩等。地层稳定。洞室通道有两道船舱门，一道水泥封闭门，观测条件较好，洞内日温差小于0.02度，年温差0.2度。2012年8月1日至9月30日对荥阳观测山洞进行优化改造和更换新仪器，2012年10月1日开始运行。仪器有水管仪、伸缩仪、竖直摆钻孔倾斜。观测环境合符观测要求。

荥阳形变台安装的SS-Y型伸缩仪是武汉地震研究所生产的，观测精度优于1×10-9，分辨率优于0.01微米，记录方式为数据采集存储。SS-Y型伸缩仪主要用于洞体应变固体潮及地震前兆地应变监测与研究。其是以线膨胀系数极小的含铌特种材料为基线棒，把标定器及相邻的一个框架安装于测量墩，固定座安装于固定墩上，当固定墩与测量墩之间距离发生变化时，在密封较好的洞体恒温环境下，视基线棒长度不变，探头与极片之间的间距随之变化，电涡流位移传感器将此间距变化转换成电压变化，经过前置放大器，由电缆传输至主机。由主机主控器分送至自动调零器作固体潮曲线模拟记录;分送至应变标定数控仪作数据采集与数据传输;分送至地震前兆数据采集器进行数据传输联网。通过灵敏度、格值等换算，便可计算出应变量的变化。主控电路还具有自动调零、自动标定、自动零位跟踪、自动测量等功能。

通常通过仪器主页检查仪器测向电压值，超过正负1.8伏特时对仪器进行调零，以免造成数据缺失。数据出现突跳、台阶时，进山洞检查观测系统线路是否有破损和焊点虚焊的地方，看山洞内是否有老鼠活动。对发现的问题及时进行处理。雷雨天时即时断开市电，用UPS对观测系统供电，雷雨过去后再恢复正常供电。伸缩仪每年标定不少于2次，2次校准间隔≤195天;仪器检修、更换部件或重新安装后必须进行格值校准;落实异常等认为必要时可进行校准。应变仪器格值校准重复精度优于2%。格值年稳定性优于95%，2次校准格值差＞5%时应重测格值并确认操作无误。标定前先手动对电机进行几次运转，使其各部件灵活后再进行标定。标定时段应选在小潮时(农历初八、二十二)。若出现因网络故障无法收取数据的情况，应及时到现场收取，并采取人工方式导入数据库。仪器调零时注意不要调到假零点，假零点虽然实测输出为零，但已经不是仪器正常工作状态，表现形式是标定正常，标定结果符合要求，仪器观测数据日变幅变小。调整差动变压器，通过调整标定器底座、调节支架上的吊线，将线圈调成水平，可动铁心平行于线圈内孔，不能有摩擦感，可启动仪器标定观察线圈和吊线是否有晃动，判定可动铁心是否蹭线圈壁。如果伸缩仪两个测向同时出现问题，一般是仪器的公共部分故障引起的，如数采、电源等;一个测向出现故障可通过调换NS向EW向探头、放大器等部件以确定故障部位。荥阳台共有三套仪器分别是伸缩仪、水管仪、竖直摆，如果三套仪器同时出现不正常，一般是UPS电源故障和外界干扰等因素引起，可通过对比三套仪器数据曲线判断仪器是否工作正常。

2 干扰分析

2.1 大气压干扰

大气压对伸缩仪的影响包含作用于大地和作用于仪器本身的影响。在大气压出现短时剧烈波动时导致伸缩仪出现与大气压几乎同步的显著变化，一般表现为数据曲线的波动、固体潮曲线出现畸变，不影响观测值长周期趋势变化。通过与大气压的对比分析，比较容易判断是否为大气压的短时微动态影响。图1为荥阳台伸缩仪受气压干扰曲线。从图中看出，气压对东西向数据的影响要大于南北向，并且是气压急速变化的时候明显。通过对洞室环境改造，洞室内增加隔断门，对仪器槽进行封闭，能减轻自然环境对仪器的影响。

表1 2011年1月1日至2014年5月31日日降雨量10 mm以上对伸缩仪有无干扰统计

2.2 降雨干扰

降雨对伸缩仪观测的影响主要是雨水渗透岩层裂隙使岩石孔隙压改变，体积发生膨胀以后产生的不均匀变化。从表1可以看出只有当降雨达到一定量值时才会造成观测值曲线出现异常变化，即受降雨影响的洞室形变观测都有一个驱动值。降雨对洞室形变观测的影响比较复杂，不但与降雨量、降雨持续时间有关，还与洞室基础岩性、岩石倾角、当地干旱程度等因素有关。因此，降雨的影响复杂而无法定量排除，需定性与定量分析相结合才能排除。图2为荥阳台伸缩仪受降雨干扰曲线。

图1 伸缩仪受气压波动影响

图2 伸缩仪受降雨干扰

2.3 水管仪、伸缩仪标定相互干扰

荥阳形变台伸缩仪、水管仪并排安装在同一仪器槽内，两套仪器在维护、标定、调零、调仪器灵敏度时会产生相互干扰。比如，2013年7月9日10时01分至17时30分对水管仪NS向多次调仪器的灵敏度、标定仪器时，就对伸缩仪NS记录向产生干扰。图3为伸缩仪受水管仪调仪器灵敏度、标定仪器时记录下的干扰曲线。同一仪器槽内仪器相互干扰无法避免，因此只有提高仪器维护水平，缩短仪器维护时间，以减少对仪器的影响。

2.4 伸缩仪受停电干扰

停电造成数据缺失，恢复供电后造成数据图形出现“拖尾”现象，从表2可以看出，恢复供电后常造成几个小时数据不正常，观测数据无法恢复正常状态，仪器瞬间断电常造成数据出现突跳、台阶。图4为伸缩仪受停电干扰的记录曲线。停电、电源不稳对仪器的影响较大，因此对供电设备要定期检查维护排除隐患，定期更换UPS电池，保证电力持续稳定。

3 结论

(1)提高仪器维护水平能提高仪器观测质量。(2)只有当降雨达到一定量值时才能造成伸缩仪观测值曲线出现异常变化而且影响观测值长周期趋势变化。(3)气压对伸缩仪的影响一般表现为数据曲线的波动、固体潮出现畸变，不影响观测值长周期趋势变化。(4)停电造成数据缺失，恢复供电后造成伸缩仪观测值出现“拖尾”现象，恢复供电后常造成几个小时数据不正常，观测数据无法恢复正常状态。

表2 停电伸缩仪的影响(伸缩仪所用传感器是差动变压器)

图3 伸缩仪受水管仪调仪器灵敏度、标定干扰曲线

图4 伸缩仪受停电干扰曲线

［1］陈德福，罗荣祥，刘国培.倾斜异常图像分类及特征浅析［M］.北京:海洋出版社，1993:179-187.

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