洱源地震台水管仪水蒸发问题实验

字承柱张 演严自华李 庆和玉权吴荣帮

1）中国云南671200洱源地震台

2）中国昆明650224云南省地震局

3）中国云南674100丽江地震台

洱源地震台水管仪水蒸发问题实验

字承柱1）张 演2）严自华1）李 庆3）和玉权1）吴荣帮1）

1）中国云南671200洱源地震台

2）中国昆明650224云南省地震局

3）中国云南674100丽江地震台

针对洱源地震台水管仪水蒸发问题，采用二甲基硅油和石蜡油做对比分析实验，实验得出，石蜡油能有效控制水管仪水蒸发速度。水管仪加入石蜡油后，水蒸发问题得到有效解决，减少了加水调节量程造成的人为干扰，水管仪观测精度、数据质量得到较大提高。

水管仪；石蜡油；二甲基硅油；水蒸发

0 引言

地倾斜的观测目的是研究地壳垂直相对运动和固体潮汐动态变化。地倾斜观测数据质量的好坏制约着地球物理预报水平（冯建琴等，2011）。洱源地震台（以下简称洱源台）DSQ水管倾斜仪于2006年6月架设投入使用，但观测洞室存在严重的地热现象，水管仪水蒸发现象严重，导致观测数据质量差，科学参考价值低。针对洱源台水管仪的水蒸发问题，采用不同材料做对比实验，以解决该问题，提高水管仪观测数据质量。

1 观测背景

洱源地震台海拔2 100 m，地处红河断裂、金沙江断裂和剑川—丽江断裂等多条断裂交汇处，所处构造位置重要，温泉出露丰富，属地热异常区（郭绍忠等，1998）。观测洞室位于洱源地震台院内，山洞总面积183.6 m2，洞室由条石自然翻拱，地面水泥固化，内设4个支洞，常年温度26.5℃±1℃，相对湿度小于80%。洞室长120 m、宽1.82 m、高2 m，基岩属性：前奥陶纪变质岩，覆盖层：30 m（云南省地震局，2005）。DSQ型水管倾斜仪于2006年6月架设，东西长17.07 m，北南长17.20 m，斜边长13.34 m。

2 对比实验

2.1 原因

洱源台DSQ水管倾斜仪的水存在严重蒸发现象：每一测向平均每5日需人工加水调节量程，每一次加水量约8 mL。水蒸发量较大及频繁的人工加水调节量程，导致水管仪

观测受到严重干扰，产出数据质量差，科学参考价值低。

2.2 实验材料

本实验主要采用以下材料：①二甲基硅油：又称硅油，无毒无味，具有生理惰性、良好的化学稳定性、较高的闪点和燃点，不溶于水，不易挥发，可在-50℃—200℃下长期使用，密度0.963 g/mL；②石蜡油：是一种矿物油，从原油分馏所得无色无味混合物，不溶于水，密度0.76—0.78 g/mL；③蒸馏水、烧杯、量筒、移液管等。

2.3 实验方案

采用二甲基硅油和矿物油两种物质做对比分析实验，确定哪种物质能更有效防止水的蒸发。拟定实验方案如下：①在观测洞室内对蒸馏水、二甲基硅油、矿物油做对比试验，分析3种物质的挥发性、挥发速度及理化稳定性；②取两个等量烧杯，加等量蒸馏水，一杯液面上加一层石蜡油，另一杯液面上加等量硅油，置于观测洞室内，分析两种物质防止水蒸发的效果；③通过对比分析，确定理想物质为下一步实验所用；④选水管仪北南向分量做实验，确定水的日蒸发量，在水管仪液面上加一层确定的物质，对比分析加该物质前后水的蒸发速度；⑤定性、定量分析加物质前后观测数据，分析观测数据质量。

2.4 实验分析

2.4.1 各物质挥发性实验。2015年5月26日取5个烧杯（500 mL）标好序号。1、2、3号烧杯取硅油、石蜡油、蒸馏水各100 mL，4号烧杯取蒸馏水100 mL后加30 mL石蜡油，5号烧杯取100 mL蒸馏水加30 mL硅油。把5个实验样品放置于水管仪南端，观测30天，观测蒸发情况，具体数据见表1。

表1 实验样品Table 1 The experimental sample

由表1实验结果可知：在水管仪观测洞室内，硅油、石蜡油未挥发，100 mL蒸馏水平均每天挥发1 mL，石蜡油和硅油加到蒸馏水液面，烧杯里蒸馏水的蒸发得到有效控制。

2.4.2 水管仪水蒸发实验。在水管仪北南向分量分别于2015年7月15日和8月17日加注硅油和石蜡油，做对比实验，查看哪种物质可以有效防止水的蒸发。

（1）水管仪加硅油。2015年7月15日13时26分，水管仪北南向北、南端各加50 mL硅油，调到正常范围，查看观测数据变化，见图1(a)。

从图1(a)可以看出：水管仪加注硅油后，北南向蒸馏水依然存在蒸发现象，7月18日、24日、30日分别加水调节量程，北南向水蒸发速度与加硅油前相差不大。实验表明，加硅油不能有效控制水管仪水蒸发。分析认为：实验所用硅油密度为0.963 g/mL，与蒸馏水密度接近，硅油加入水管仪后，与水形成混合状态，不能有效封住水管仪液面，从而无法控制水管仪的水蒸发。

（2）水管仪加石蜡油。2015年8月17日水管仪北南向的北、南端各加30 mL石蜡油，把数据调到正常范围，查看观测数据变化，见图1(b)。

从图1(b)可以看出，水管仪北、南端加入石蜡油后无需加水调节量程，水管仪水蒸发明显减小，蒸发速度得到有效控制。

2.4.3 水管仪北东向加注石蜡油。2015年8月26日往水管仪北东向的北西端、南东端各加30 mL石蜡油，把数据调到正常范围，查看观测数据变化（图2）。

图1 水管仪加注硅油、石蜡油对比实验数据曲线(a)7月14日—7月31日加注硅油后观测数据分钟值； (b) 8月15日—8月31日加注石蜡油后观测数据分钟值Fig.1 Contrast experimental data curve of polydimethyl siloxane and paraffin wax in water-tube tilmeter

图2 2015年8月25日—9月30日水管仪北东向分钟值曲线Fig.2 Minute value curves of northeast component of water-tube tilmeter from Aug.25 to Sep.30,2015

由图2可以看出，北东向加入石蜡油后第18天加水调节量程。与之前相比，水管仪水蒸发速度有一定程度减小，但蒸发量依然较大，认为加注的石蜡油较少，无法有效

封住水管仪液面。9月28日北东向两端追加30 mL石蜡油，水管仪北东向水的蒸发得到有效控制。

2.5 实验结论

通过实验得出以下结论：①硅油不能有效控制水管仪的水蒸发；②石蜡油能有效控制水蒸发速度，达到实验目的；③石蜡油减小水管仪水蒸发的程度与所加石蜡油的量有关，量越多，效果越好。

3 石蜡油加注前后观测数据分析

3.1 水蒸发速度

2015年1月—8月水管仪北南向因为水的蒸发量程调节44次，北东向量程调节35次，人为干扰较多，严重影响观测数据质量。水管仪北南向、北东向分别于2015年8月17日和8月26日加注石蜡油，9月28日进一步调试，至12月31日均只有1次加水量程调节。由2015年水管仪整点值观测曲线（图3）可见，2015年1—8月曲线干扰大，加注石蜡油后，观测数据曲线变化平缓，干扰较小。由此可知，水管仪加注石蜡油后，水的蒸发得到有效控制，进而减少人为干扰，观测数据质量有一定程度地提高。

图3 2015年水管仪整点值曲线(a)北南向观测数据； (b)北东向观测数据Fig.3 Integral point value curves of water-tube tilmeter in 2015

3.2 观测数据质量

3.2.1 观测资料完整率。采用水管仪预处理分钟值数据，计算北南向、北东向2015年观测数据完整率，统计结果见表2。

据以往工作经验，洱源台水管仪预处理缺测数据主要由加水调节量程引起。从表2可见：2015年9月（加注石蜡油）以后，水管仪北南向、北东向观测数据完整率明显提高。

3.2.2 调和分析。对洱源台水管仪2015年数据做调和分析，获得北南向、北东向潮汐参数，具体数值见表3。

表2 2015年1—12月观测数据完整率Table 2 The integrity rate of data from January to December,2015

表3 观测数据调和分析结果Table 3 The harmonic analysis results of the data

从北南向、北东向加石蜡油前后调和分析结果（表3）可知：①加注石蜡油前后，水管仪观测数据潮汐因子相差小，说明水管仪记录固体潮能力相同；②加注石蜡油后，观测数据绝对误差和相对误差明显减小，说明水管仪观测精度提高；③加注石蜡油前后，水管仪观测数据相位滞后相差不大，但相位误差明显减小，说明水管仪观测质量有了很大提高。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：石蜡油比二甲基硅油更能有效减小水管仪的水蒸发，石蜡油加注越多，效果越好；从水管仪2015年观测数据分析可知，加注石蜡油后，水蒸发问题得到有效解决，减少加水调节量程造成的人为干扰，观测精度、数据质量有很大提高。

洱源台水管仪受环境干扰、人为干扰、水蒸发等因素影响，观测数据质量较低。现虽然有效解决水管仪的水蒸发问题，观测数据质量得到提高，但是否具有科学参考价值，是否具有地震前兆异常等，还需在今后观测工作中进一步分析。

冯建琴，沈晓松，等.山西数字化水管倾斜仪观测资料质量分析[J].地震地磁观测与研究，2011，32（3）：100.

郭绍忠，黄绍裘，张鸿飞，等.滇西水汞观测的地震短临预报指标[J].地震研究，1998，21（1）：50-51.

云南省地震局.云南省地震监测志（上册）[M].北京：地震出版社，2005.

A study to solve the water evaporation of water tube tiltmeter at Eryuan Seismic Station

Zi Chengzhu1），Zhang Yan2），Yan Zihua1），Li Qing3），He Yuquan1）and Wu Rongbang1）
1) Eryuan Seismic Station,Yunnan Province 671200,China
2) Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650024,China
3) Lijiang Seismic Station,Yunnan Province 674100,China

To solve the problem of water evaporation of the water tube tiltmeter for Eryuan Seismic Station,in this study we compared the effect of polydimethyl siloxane and paraffin wax in preventing water evaporation.Our results suggested that,paraffi n wax had a better effect on controlling water evaporation.By adding paraffin wax,the water evaporation of water tube tiltmeter was mostly prevented.This enormously reduced the man-made interference by adding water.This improved the observation accuracy of the water tube tiltmeter,thus the quality of the data had a great improvement.

water tube tiltmeter，paraffi n wax，polydimethyl siloxane，water evaporation

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.020

字承柱（1988—），男，本科，从事地震活动性、地形变观测与前兆异常等研究工作。

E-mail： zczzichengzhu4@126.com

2015年中国地震局“三结合”课题，项目名称：洱源台水管仪水蒸发问题的实验研究

本文收到日期：2015-10-20