漳州地震台SS-Y型伸缩仪短时畸变分析

张 凯李杏梅林苗禄全建军

1）中国福建363000漳州地震台

2）中国福建366000永安地震台

漳州地震台SS-Y型伸缩仪短时畸变分析

张 凯1）李杏梅1）林苗禄1）全建军2）

1）中国福建363000漳州地震台

2）中国福建366000永安地震台

对漳州地震台SS-Y型伸缩仪日常观测资料中出现的多种短时畸变，利用Matlab软件进行谱分析和滤波处理，总结各种干扰表现形式，以便更好识别非地震前兆因素干扰，为地震研究服务。

伸缩仪；短时畸变；谱分析和滤波

0 引言

漳州地震台SS-Y型伸缩仪安装于2006年12月，由于此前仪器所处窿洞进行大规模改造，观测环境有了很大提升，伸缩仪稳定运行，产出大量可靠的观测数据。目前观测仪器运行正常，可以清晰记录到固体潮，对国内外震级较大的远震具有良好的映震能力。但观测资料时常受到各种因素干扰，有人为因素、环境因素等。具体表现在日变曲线出现短时间畸变，在特定时段出现小突起、单点突跳、台阶或者长时间段的毛刺、曲线的不光滑等（冯英，2010）。因此，分析伸缩仪日常观测中出现的短时间畸变的表现形式，判定干扰特征并予以排除干扰，提高观测资料质量。

1 台站观测仪器

漳州地震监测台（以下简称漳州台）位于漳州龙海市九湖镇衍后村石狮岩，基岩为花岗闪长岩，距长诏断裂带几十千米，附近有北西向、近南北向断裂经过。

漳州台SS-Y型伸缩仪安装于仪器专用窿洞内，该窿道开挖于1976年7月，宽1.40 m、高2.07 m、总长100 m，2006年11月窿洞完成改造及装修，现有3道密封式船舱门，年温差0.15℃，日温差0.05℃，平均室温22℃，观测条件较好。SS-Y型伸缩仪分辨力优于1×10-9，漂移量小于10-6/年，基线南北向长度为16.95 m，东西向长度为24.44 m，两方向均砌有砖混仪器密封槽，槽内四周用粘贴高密度聚苯乙烯泡沫板，顶部用高密度聚苯乙烯泡沫板盖严，并在上部加盖一层宽幅塑料薄膜，使仪器主体基本处于良好密封状态下。

2 观测资料特征

2.1 日变特征

漳州台伸缩仪2007年运行至今，仪器无故障，观测资料完整连续，日常记录的应变曲线光滑，固体潮清晰，分钟值曲线噪声较低，日变规律明显，具有良好的周期特征。如2012年5月6日伸缩仪观测日变曲线，清晰可见明显日变规律，见图1。

2.2 映震效应

漳州台伸缩仪对强远震能够较好的记录到产生的显著同震应变阶跃，信息量丰富。如：2011年3月11日日本MS9.0大地震，震中距几千千米，大震引起较大的振幅波动，周期长达数十分钟，见图2。

图1 2012年5月6日伸缩仪观测日变曲线Fig.1 The daily change curve of extensometer observation on May 6, 2012

图2 2011年3月11日日本9.0级大震伸缩仪大振幅效应曲线Fig.2 The curve of large amplitude response of telescopic instrument for JapanM9.0 earthquake on March 11, 2011

3 短时畸变分析

漳州台伸缩仪能够清晰记录到固体潮变化和较大的地震面波。日常观测曲线二分量均较为光滑，毛刺突跳现象较少，但也会受到各种因素干扰，利用Matlab对短时畸变进行分析，提取并排除相关干扰噪声波形，观测曲线更加清晰。

3.1 人工爆破影响

漳州台距小型工业区约1 km，工程建设对地震观测有一定影响。2014年4月4日漳州台周边平整山地，实施人工爆破，伸缩仪EW向于16时前后及22时前后受到爆破影响，曲线出现瞬时尖峰突跳（图3）。

通过Matlab设计的FIR带通滤波器，提取并滤除高频噪声，见图3。从图中清晰可见2个爆破干扰，表现为短时尖峰或单点突跳；对滤波前后波形进行对比，可见消除高频噪声后，观测曲线恢复光滑清晰的形态。

3.2 仪器探头受潮影响

2014年4月13日伸缩仪EW向出现全天连续的毛刺突跳现象，观测曲线与平时相比极不光滑。因当地春季湿度较大，观测洞室较为潮湿，墙壁渗出水珠，洞门附近有积水。仪器密封槽附近更加潮湿，南北向密封槽上部覆盖的塑料薄膜也有大量积水，判定此次干扰为仪器探头受潮影响所致，春季返潮天气结束后，观测曲线恢复正常。当天发生所罗门群岛7.8级、7.5级地震，由于探头受潮曲线毛糙，地震同震响应不明显，通过Matlab设计带通滤波器，提取高频噪声，滤除地震影响及探头潮湿干扰，输出信号见图4。

图3 2014年4月4日伸缩仪EW向数据滤波前后对比Fig.3 The comparison of EW direction before and after fltering for extensometer on April 4, 2014

图4 2014年4月13日伸缩仪EW向数据滤波前后对比Fig.4 The comparison of EW direction before and after filtering for extensometer on April 13, 2014

从图4可见，滤波前地震信号淹没在探头受潮引起的噪声中，滤波后能够清晰分辨出2个地震波形，即所罗门群岛7.8级、7.5级地震，表现为集中连续时段的大幅突跳，探头受潮干扰幅度较小，但时间较长（万永革，2007）。对比滤波前后观测曲线发现，在消除当天地震影响和探头潮湿干扰后，曲线恢复光滑，可见清晰固体潮。

3.3 分量线路串扰影响

2014年5月初漳州台伸缩仪曲线出现连续多日毛刺突跳干扰，表现为正常固体潮曲线上叠加一连串突跳，分析认为，正常探头输出电压叠加了一个干扰电压，检查发现，线路串扰可能来自出现故障的洞体温度分量线路。将该线路输入线从主机拔下，干扰消除。由于伸缩仪NS向、EW向干扰相同，且NS向干扰明显（干扰集中在高频段），因此选取5月1日至3日的NS向数据进行频谱分析。通过Matlab设计带通滤波器，提取并滤除高频噪声，见图5。由图5可见，分量线路串扰影响为覆盖全时段的干扰，且幅度较大，叠加的干扰形态具有一致性，经滤波发现，在消除线路串扰后，观测曲线恢复光滑，具有清晰固体潮。

3.4 基建工程震动影响

2014年7月位于漳州台窿洞上方几十米处寺庙修筑道路及大殿挡土墙，基建施工伴随大型工程设备车辆带来的震动干扰及施工引起的山体土体扰动，伸缩仪EW向刚好对应土体扰动的挤压方向，因此影响较大，NS向相对EW向影响较轻微。对7月21日受干扰的EW向数据进行分析，通过类似的频谱分析，得出干扰集中在高频段。通过Matlab设计带通滤波器，提取高频噪声并将此干扰滤除，结果见图6。

从图6可以看到，基建施工震动影响覆盖全天大部分时段，幅度影响不一，主要施工时段干扰较大，同时土体扰动也造成全天数据不稳定。经过滤波前后对比可以发现，在消除基建震动干扰后，曲线恢复光滑，呈现清晰的固体潮。

图5 2014年5月1日—3日伸缩仪NS向数据滤波前后对比Fig.5 The comparison of NS direction before and after fltering for extensometer from May 1st to 3rd, 2014

图6 2014年7月21日伸缩仪EW向数据滤波前后对比Fig.6 The comparison of EW direction before and after fltering for extensometer on July 21, 2014

3.5 雷电恶劣天气影响

2014年9月19日下午漳州出现短时强对流天气，在此次强雷电天气过程中，伸缩仪EW分量数据曲线出现连续突跳和成片坏数，雷电过后数据曲线恢复正常，判断为雷电时段产生一定感应电压造成的干扰。由于雷击带来的电磁静电感应主要伤害弱电设备（仪器、电器），而当前科技水平，不论采取何种避雷措施都不能完全避免强雷电对数字化仪器观测数据造成的干扰。对9月19日全天受干扰的EW向数据进行分析，采取类似的频谱分析，得出干扰集中在高频段。通过Matlab设计带通滤波器，提取高频噪声并将此干扰滤除，结果见图7。

从图7可以看到，干扰影响主要集中在雷电恶劣天气时段，干扰幅度较大且连续，其他时段较为正常。滤波前后对比发现，在消除雷电干扰后，曲线恢复光滑，呈现清晰的固体潮。

图7 2014年9月19日伸缩仪EW向数据滤波前后对比Fig.7 The comparison of EW direction before and after fltering for extensometer on Sep.19, 2014

4 结束语

伸缩仪适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程的水平应变的变化规律提供数据（熊仲华，2006）。伸缩仪运行所受干扰原因各不相同，且可能同时受到多种因素干扰，可能表现为全天多时段连续毛刺突跳，或者特定时段的曲线畸变、数据缺数、不同幅度的台阶等，对各种干扰特征进行总结，便于地震台站工作人员及时识别干扰类型，利用Matlab等软件进行相应处理分析，有利于分析和滤除干扰数据，对于正确识别地震异常具有重要意义，可以提高仪地震观测数据质量，更好地为地震监测、预报、研究服务。

冯英.乌什地震台伸缩仪资料影响因素分析[J].高原地震，2010，22（4）：43-47.

万永革.数字信号处理的Matlab实现[M].北京：地震出版社，2007：224-225.

熊仲华.地震观测技术[M].北京：地震出版社，2006.

Analysis of short-term distortion data for SS-Y type telescopic instrument at Zhangzhou Seismic Station

Zhang Kai1），Li Xingmei1），Lin Miaolu1）and Quan Jianjun2）
1)Zhangzhou Seismic Station,Fujian Province363000,China
2)Yongan Seismic Station,Fujian Province366000,China

A variety of short-term distortion occurred in daily observation data of SS-Y expansion instrument at Zhangzhou Seismic Station.With Matlab software, spectrum analysis and fltering are adopted to data analysis.Through an analysis of the results, the various types of interference factors in extensometer observation are summarized for better identification of non-seismic precursory factors.

extensometer，short-term distortion，spectrum analysis and fltering

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.019

张凯（1983—），男，福建建瓯人，大学本科，助理工程师，2006年毕业于集美大学，主要从事台站地形变、倾斜、地磁观测工作

福建省地震局地震台站科技基金专项

本文收到日期：2012-03-02