昆明地震台重力仪观测资料干扰分析

冯琼松， 杨星，崔庆谷，白仙福，李思瑶

(1.云南省地震局昆明基准地震台，云南昆明　650204；　2.云南省地震局，云南昆明　650224)



昆明地震台重力仪观测资料干扰分析

冯琼松1， 杨星2，崔庆谷2，白仙福1，李思瑶1

(1.云南省地震局昆明基准地震台，云南昆明650204；2.云南省地震局，云南昆明650224)

昆明地震台重力仪数采记录曲线连续一年来出现大量数据突跳故障现象，通过排查一些可能出现的故障干扰，认为很可能是静电荷对数字记录仪的干扰影响。

昆明地震台；重力仪；数据异常；干扰

0　引　言

2013年12月至2015年4月，昆明地震台GS—15型重力数采仪分钟值观测记录曲线不定时出现大量数据突跳现象。起初，观测人员无法确定故障原因，疑是电源故障、仪器故障(包括本体故障、数据采集设备故障)、环境干扰、震兆异常信息，或是其他原因。后经跟踪观察，认真分析，查找出故障的真正原因是静电荷干扰所引起。本文针对重力数采仪分钟值观测记录曲线的数据突跳现象进行可能的干扰排查及分析，总结仪器故障的排除经验，供台站观测人员参考。

1　台址及仪器情况

昆明地震台是地震监测的Ⅰ类观测台站，位于昆明市北郊黑龙潭，海拔1 952 m。各类监测仪器安置于洞室内，洞室主体为“凵”字型，长73 m；有个支洞，主支洞长71 m，最深处距洞口47 m；覆盖层约30 m～50 m。洞内温度约15℃，日变化小于0.1℃，年温差小于0.5℃，相对湿度约93%。

昆明台使用原西德进口的GS-15(230)型重力仪进行观测，为静力式螺旋状弹簧重力仪，是利用摆杆位移的大小来测量重力相对变化的精密仪器。GS-15重力仪主机架设在深达41 m的山洞基岩仪器墩上，数字采集器在地面前兆观测室，通过70余米长的电源线和信号线将数据传接到数据采集器，采用中国地震前兆台网数据管理软件通过服务器收取数据，使用“十五”前兆分析处理软件对数据进行处理。多年以来，仪器运行状态良好，工作性能稳定，能够清晰记录到固体潮分钟值观测数据，各测项数据的完整率、连续率符合要求[1]。由于精度较高，在全国资料评比中连续多年获第2名的好成绩。

2　出现突跳的重力仪观测曲线

GS-15重力仪观测具有较宽的动态线形测量范围，较低的噪声水平和漂移率，比较稳定，适合固体潮汐观测。在正常情况下，重力观测曲线是非常光滑的近似正弦曲线，固体潮形态清晰。2013年12月至2015年4月，昆明地震台重力数采观测数据出现大量突跳，后经跟踪分析观察，逐一排查一些可能出现的干扰，认为很可能是静电荷对数采记录仪的干扰影响[2]。如图1是重力数采记录出现大量数据突跳与正常记录时的曲线图。

3　突跳现象原因分析及处理

2013年12月至2015年4月，昆明地震台重力数采仪分钟值观测曲线出现大量突跳，这一现象长时间困扰着观测人员。由于之前没有出现过此类现象，也没有维修经验，一时间无法确定是什么原因造成曲线不正常，只能一边观察一边进行可能的干扰排查。重力观测不同于其他形变观测，具有较低的噪声水平和漂移率，比较稳定，受一般外界环境干扰很小，因此观测人员根据昆明台近年来的实际观测情况，考虑可能由以下原因引起：电源故障、生物因素影响、震前异常动态、仪器故障(包括本体故障、数据采集设备故障)或静电接地故障等。

图1　重力数采故障与正常记录

3.1电源故障

电源是仪器正常运行的根本保障，供电电源到观测仪器任一出现故障都会引起观测系统不正常。昆明地震台重力仪采用DK-2A(2×12 V/3 A)型电源控制器，观测人员试图用万用表量取各接口管线电压检查供电是否正常，检查数字采集设备与仪器的连线均正常，也排除了各管线接线头松动、接触不良的情况。说明重力数据大量突跳现象不是电源故障所致，另有其他原因。

3.2生物因素影响

生物因素分为人为因素或动物因素，只要人或动物进入，都会对前兆仪器记录资料造成影响。

人为干扰：昆明地震台洞室常有工作人员进洞校测仪器，为人为进洞干扰。观测人员跟踪了一段时间，发现从常年记录来看，重力仪对短时间内的人为进洞的影响极不敏感。而重力数据出现突跳的时间不定时，晚上至凌晨也出现了大量的突跳现象，与人员进洞的时间不吻合，所以排除人为进洞干扰所引起。

老鼠干扰：在重力数据出现突跳期间，前兆数采观测室出现老鼠触碰记录线的干扰现象，而重力数据无时间规律的大量突跳，与老鼠无规律活动的性质相似，并且前兆室的地下通线管道很适合老鼠蜗居，所以当时观测人员就认为重力数据的大量突跳现象可能是老鼠干扰所致，在重力观测日志故障一栏中记为“考虑老鼠干扰所致”。由于老鼠精灵，工作人员连续两周才把老鼠除掉，估计重力的观测记录应当恢复正常。正当观测人员如释重负时，重力观测数据又出现了同样的突跳，说明不是老鼠的干扰所致，只能进一步观察。

3.3震前异常动态

昆明地震台每个月的重力数据月报都要上传至武汉地震研究所地球重力组，重力组的工作人员对昆明台的重力数据突跳现象十分重视，也作了大量的分析并反馈给台站观测人员，并提出可能是震兆异常，要求再作进一步的跟踪分析。于是观测人员对照了2014年所有的国内外5.0级以上地震，在2014年云南出现的10年来罕见的7次5.0～7.0级地震连发过程中，重力数字仪记录曲线不定时出现大量数据突跳现象。在观测仪器和观测环节均正常情况下，从本地区本类震兆异常或国内外同类震兆异常进行对比分析，从短临和中长期预报，从同震效应、震后效应、震前异常动态来看[3]，没有一次是能够很好地作为震兆异常的。所以观测人员认为重力数字仪分钟值观测曲线出现的大量数据突跳现象是地震前兆的可能性不大，排除是地震前兆异常。

3.4仪器故障(包括本体故障、数据采集设备故障)

本体故障：昆明地震台现在还保留着重力模拟观测测项，同时段的模拟记录曲线正常。如果是仪器本体故障，数采和模拟记录数据应当都不正常。因此对于一年多重力数采仪记录曲线出现的数据突跳现象，观测人员分析认为：可以排除仪器本体故障的原因，也可以排除是本体的观测环境受到干扰的可能，图2是重力数采与模拟记录在同一时间段的记录曲线。

图2　重力数采与模拟记录曲线

数据采集设备故障：重力数字采集器安装在地面前兆仪器室，与计算机、形变和流体观测仪器等电子产品摆放在一起，所有前兆数字化采集均使用中国地震局地球物理研究所研制的地震前兆设备网络协议转换器中的前兆数据采集单元，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微伽物理量。重力数采仪记录信号线从模拟仪信号输出端口接出，同时段的模拟记录曲线正常，所以观测人员分析认为可能是重力数字采集单元坏掉，将故障上报给省地震局仪器维修组，并要求更换重力数字采集器。在重力观测规范的要求内，观测人员对数据突跳做了数据补插处理，而整点值的数据补插会出现该点和均值数据为空(NULL)的现象。为了降低数据缺记率，观测人员统一对不在整点时的数据突跳了数据补插处理，对整点时的数据突跳作不做处理。表1是在观测人员对整点数据突跳数据补插处理后出现整点和均值数据均为空(NULL)的现象。

表1 整点数据突跳时的数据补插

云南省 省(市、自治区)昆明(重力潮汐观测值)2015年2月重力观测整点值月报表

月均值：756.27格值(C)：0.59潮汐参数(T)：1.16

567891011121314151617181920212223均值53.873.972.753.723.2-8.3-31.4-39.4-29.4-3.829.861.781.480.957.514.0-41.0-95.9137.9-6.943.375.885.472.743.15.9-26.9-45.8-45.525.58.547.378.492.682.948.7-5.0-63.7-116.8-5.626.570.492.488.663.224.6-14.9-84.0-54.9-43.5-13.427.067.493.597.976.231.6-27.1-86.2-5.35.858.190.697.879.743.40.5-36.6-58.1-57.5-34.73.746.882.499.792.459.37.1-52.37.8-17.239.480.698.289.559.316.6-25.4-56.5-66.9-54.5-22.619.660.488.494.775.434.0-20.3-3.9-37.918.665.893.095.472.734.4-9.5-46.6-67.1-65.6-43.135.770.588.183.454.79.8-49.21.750.283.995.382.850.910.8-31.2-59.82.7-58.7-30.27.444.069.676.863.430.1-0.1-63.1-19.326.964.383.881.459.023.0-17.1-50.5-69.569.5-52.3-22.012.541.758.658.340.4-7.3-60.4-26.612.549.173.880.567.941.04.0-30.4-56.5-67.8-62.7-43.7-16.412.134.444.841.0-5.6-47.6-26.93.135.061.074.772.755.627.4-4.8-33.8-54.0-61.7-56.0-23.4-17.74.821.930.6-1.4-32.0-23.8-6.117.340.357.363.757.839.915.1-13.1-37.3-56.7-64.7-62.6-51.3-34.3-15.21.94.6-8.3-10.3-5.36.522.739.451.956.852.616.3-9.3-34.4-55.0-68.5-71.9-65.6-51.0-31.222.413.76.64.69.520.033.746.955.054.644.624.3-2.8-32.8-60.9-8.2-91.4-88.1-72.1-0.452.342.026.611.21.30.810.126.645.159.864.856.934.91.8-37.5-75.4-103.2-117.9-113.01.474.224.252.326.61.6-14.5-16.4-3.221.048.771.480.872.144.01.1-49.1-96.6-131.2-144.6-0.1

3.5静电接地故障

观测人员排除了上述种种原因，多次电话上报省地震局仪器维修组，仍没有真正确定是什么原因造成的重力数采仪数据突跳。在几个月观测中观测人员都认为是重力数字采集单元损坏，在观测日志中将事件记录为“采集器故障”，将数据突跳进行数据补插处理，再做进一步观察。2015年5月9日10时左右，省地震局维修组人员到台检修洞体标定故障时，观测人员将重力数字仪数据突跳现象以及所作的排查工作进行了报告，并请求再次查看一下故障原因。维修人员进行了仔细分析，怀疑可能是电流冲击造成的数据突跳，即由静电荷干扰引起。而静电接地可以对电磁干扰起到抑制作用，降低电磁干扰，提高电子设备的电磁兼容指标，进而确保设备及系统的稳定工作[4、5]。于是抱着试试看的心理，维修人员找了一根导线，将数字采集器的外壳与机箱的外壳连接起来，结果第二天就发现数据不再出现突跳现象。继续跟踪发现，数据曲线恢复正常(图3)，说明重力数字仪分钟值观测曲线出现的大量数据突跳现象确实是由静电荷干扰引起。

图3　重力数字仪曲线正常记录

4　讨　论

通过对昆明地震台GS—15重力数采仪日常观测曲线中出现的数据突跳现象进行多种排查、核实分析，最终排除电源故障、生物因素影响、震前异常动态、仪器故障(包括本体故障、数据采集设备故障)的可能后，认为数据突跳是静电荷干扰造成。据此认为：

(1)在对昆明地震台重力数字仪数据突跳现象的排查过程中，发现同时段的模拟曲线正常，仅仅是数字化数据出现突跳，可以排除是仪器本体方面的故障引起，也排除了是记录到的前兆异常。2015年5月9日静电接地后，重力数采仪记录曲线恢复正常，可以判断产生畸变的原因是静电荷干扰所致。

(2)对于地震台站，电源和信号从洞室到地面观测室的过程中会受到许多干扰，而静电荷是最为常见的电磁干扰，可能造成观测数据不定时的大量突跳，所以要把产生的静电荷迅速中和，就需要有一个良好的防静电接地装置，通过接地可以降低电磁、高频、交流等干扰，从而释放静电[6]。

(3)本文分析的干扰都可能给仪器系统的正常工作带来危害，由于干扰源种类繁多，所以只能逐步排查和判断。虽然故障原因很简单，但比较隐蔽，不容易查找，加之观测人员维修经验不够丰富，要找出每个系统的干扰源，并对症下药地解决，确实不是一件容易的事。在排查中出现了一些错误判断，导致故障时间长达一年多才得以解决。因此认识到要提高数字化台站维护管理水平，缩短干扰及故障排查时间，就要多总结经验，掌握更多的故障、干扰排查技术，作出科学判定，保证观测资料质量。

[1]熊先保，林立峰，杨婕，等.水管倾斜仪与摆式倾斜仪抗干扰能力分析[J].华南地震，2013,33(2)：34-39.

[2]郭自强.GS—15重力仪电磁反馈检测技术[J].地震地质，1987,9(2)：78-83.

[3]杨婕，占惠，卓群，等.厦门地震台重力仪同震响应特征分析[J]. 大地测量与地球动力学，2010,30(4)：96-99.

[4]李金辉，李琪，王行舟，等.关于汶川8.0级地震前电磁扰动异常的讨论[J]. 华南地震，2011,25(4)：63-67.

[5]韦进，刘高川，李辉，等.弹簧式连续重力观测非线性漂移影响因素分析[J]. 大地测量与地球动力学，2012,32(5)：137-141.

[6]王锋吉，林眉，许单，等.地震台站的防雷技术探讨[J].地震地磁观测与研究，2008,29(4)：80-85.

DISTURBANCE OF GRAVITY DATA IN KUNMING SEISMIC STATION

FENG Qiongsong,YANG Xing,CUI Qinggu,BAI Xianfu,LI Siyao

(1.KunmingSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfYunnanProvince,Kunming650204,China;2.EarthquakeAdministrationOfYunnanProvince,Kunming650224,China)

The curves of a large number of data anomalies and fault phenomena in a year are recorded by Kunming seismic gravimeter. These anomalies are analyzed, and they may be influenced by electrostatic interference effect of digital recorder.

Kunming seismic station; Gravimeter; Data anomaly; Interference

2016-06-21

地震行业科研专项(项目编号:201208018)资助。

冯琼松(1976—)，女，云南宣威人，本科学历，工程师，主要从事前兆形变观测。

P315.72+6

A

1005-586X(2016)03-0043-05