大同市DLG型断层水平切向分量仪观测数据异常分析及排除

李秀英，邓海岩

(1.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；2.大同同车公司观测站，山西 大同 037038)

大同市DLG型断层水平切向分量仪观测数据异常分析及排除

李秀英1，邓海岩2

(1.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；2.大同同车公司观测站，山西 大同 037038)

文章从调查大同同车公司观测站周边环境入手，结合DLG断层水平切向分量仪自身的结构特点及工作原理，分析造成观测数据大幅波动、漂移的异常原因，并查找可能影响数据异常的干扰因素，进而为科学分析该区域构造活动研究提供可靠依据。

地裂缝；异常；观测数据

0 引言

大同市城区至少发育10条构造地裂缝，同车公司地裂缝是唯一一条被全天监测的地裂缝。

据文献[1]的研究成果，地裂缝活动与地震活动作为同一构造应力场作用下的不同表现形式，在大尺度时空上具有同步效应。同车公司地裂缝的活动方式表现为垂直沉降量最大，水平张量次之，水平扭量最小，比值依次为10∶6∶1。

2012年，同车公司地裂缝观测站进行数字化改造，由原来的垂向(DFG)、法向(DSG)二维观测升级为垂向(DFG)、法向(DSG)、切向(DLG)三维观测。近5年的观测结果表明，DSG、DFG两个测项数据相对稳定，DLG数据波动较大，且时常出现漂移。针对该现象，从观测站周边环境调查入手，结合仪器自身结构特点及工作原理，对影响观测数据异常的可能干扰因素做调查分析。

1 观测站背景资料

1.1 地裂缝形成的地质背景

房子村断层活动是同车公司地裂缝的深部构造背景，房子村断裂又是夹在口泉断裂和桑干河断裂之间的次级断裂。

口泉断裂位于鄂尔多斯地块与华北平原地块交接部位，是一条重要的活动断裂，作为大同盆地的北部边界，新生代以来控制着大同盆地的形成和演化[2]。围绕该断裂的活动性研究表明，口泉断裂是一条正倾滑的活动断裂[3-4]，所控制的大同盆地西侧曾发生过2次6.5级地震，其未来地震的危险性备受关注[5]。

1.2 台站基本概况

大同地裂缝观测站位于大同盆地西北部的大同市西南部，海拔高度为1 058.4 m，地处十里河冲、洪积平原上，周边地势为西北高、东南低，自然坡度约8‰，台站基底为第四系砂、黏土交互层。同车公司地裂缝西起十里河左岸，终止南关南街，长约5 km，由多条北东走向、右行排列的个体地裂缝组合而成，优势方位北东57°，倾向南东，倾角60°～70°，表现为高角度活动正断层性质。即地裂缝活动是以南东盘下降为主，水平拉张为辅，并伴有左旋扭动的张性地裂缝。

1.3 仪器安装情况

2012年，同车公司地裂缝观测站进行数字化改造，观测仪器使用北京震苑迪安防灾技术研究中心(中国地震局地壳应力研究所下属公司)研发的“三维断层形变观测系统”。包括MD2000数据采集器、断层水平切向分量观测仪DLG、断层水平法向分量观测仪DSG和断层分量观测仪DFG。主观测室为N-S方向，与机车厂台地裂缝正交。测线长度13 m，仪器的分辨率为0.004 mm，量程为40 mm，线性度为0.5%，重复性误差为0.5%(见第12页图1)。

1.4 DLG断层水平切向仪器工作原理

DLG观测仪选择光电图像传感方法，采用线阵CCD器件开发成的光电一体化位移传感器检测微量位移，即由发射端激光头发射激光，接收端CCD器件接收激光信号并转化为数字信号输出。当发射端和接收端之间发生相对横向位移时，所产生的输出数字差即为相对位移量(见图2)*中国地震局监测预报司.形变学科观测资料异常变化现场核实工作报告编写要求(试行)(中震测函[2013]39号)，2013.。

图1 观测站仪器设备平面布置示意图Fig.1 Equipment layout of observation station

图2 DLG断层水平切向分量仪观测原理示意图Fig.2 Working principle of DLG fault horizontal tangential component meter

2 DLG型断层水平切向分量仪观测数据异常分析

2012年4月19日，同车公司地裂缝观测站数字化改造完成。截止2015年10月31日的观测结果表明，DSG断层法向波动幅度0.73 mm，走势平稳(见图3)；DFG断层垂向呈周期性波动，实际波动幅度约1.15 mm(除2014年3月31日在水管一端注水引起数据突跳，见图4)；地裂缝切向DLG观测数据始终处于极不稳定状态(见图5)。通过对所在区及周边建筑物调查，地裂缝在此期间并未出现宏观活动迹象，与DSG、DFG观测资料吻合，但DLG数据变化与地裂缝活动严重不符。因此，判断DLG观测数据大幅波动、飘移是由地裂缝活动之外的其他干扰因素引起的。

图3 断层法向DSG日均值变化曲线Fig.3 Daily mean values of fault normal component DSG

图4 断层垂向DFG日均值变化曲线Fig.4 Daily mean values of fault vertical component DFG

图5 断层切向DLG日均值变化曲线Fig.5 Daily mean values of fault tangential component DLG

2.1 异常原因初步判定

DLG仪器自2012年4月数字化观测以来，数据一直起伏较大，极不稳定，特别是2015年4月以来，观测数据除大幅波动外，还出现飘移现象，而其他两个测项未出现类似变化。根据观测系统自身特点分析，可能受到高频振动干扰的影响。因此，结合观测站周边环境条件，初步判定异常可能来自地面的振动干扰。

① 中国地震局地壳应力研究所.三维断层变形观测系统使用说明书，2012.

2.2 异常分析与排除的工作思路[6] ①

(1) 检查观测系统的工作状态；(2) 调查周边环境状况，确定附近干扰源的性质、位置以及建(构)筑物、管网等的变化情况；(3) 分析气象因素及地下水动态对观测结果的影响；(4) 对比分析同一观测站的其他测项同时段有无明显变化；(5) 人为因素分析，检查观测人员操作仪器是否规范；(6) 进行锤击试验分析，验证异常成因的判断结果。

2.3 异常排查

2.3.1 观测系统工作状态检查

(1) 外线供电检查。观测站室内供电线路为专线，为防止停电造成数据断记，在2012年6月更换为不间断电源供电。观测人员定期对仪器线路巡检，不存在漏电与外线破损情况。

(2) 避雷系统检查。观测站借助建筑物原有的防雷系统，在数字化改造时采取以下措施：

①架设专线供电，避免同建筑物内电路故障影响观测站用电；②专用供电线路采取独立接地措施，避免过大、过强电压、电流冲击观测仪器；③所有仪器用电都通过过载保护插座；④观测仪器电路入口配置大型UPS，保证电源不间断给观测仪器平稳供电。

自数字化改造以来，避雷系统起到有效防护作用，未出现雷电影响观测系统的现象。

(3) DLG观测仪器自身因素检查。根据DLG观测仪器工作原理，当激光头受震动干扰发生微小偏转时，接收端输出数据就会发生偏差，其偏差量为：

ΔR=L×tgθ，

式中：ΔR为输出偏差量；L为基线长度；θ为激光头偏转角度(见图6)。如，当激光头偏转1′时，输出结果偏差3.78 mm。

图6 DLG断层水平切向分量仪变化示意图Fig.6 Variation of DLG fault horizontal tangential component meter

仪器自身基座存在缺陷。发射端固定基座(见图7)由相机三脚架固定部分组成。在微调激光发射方向时，纵、横两向旋钮相互干扰。为对抗两个方向的相互干扰，人为加力在固定基座上，常常在锁紧两个方向时

会储存一定的形变势能。在无干扰的情况下，形变势能可以基本不释放或释放极其缓慢，对观测影响甚微。如遇较强震动干扰时，形变势能会不规则地快速释放，对观测结果造成严重影响，使观测资料失真。

图7 断层水平切向DLG分量仪基座示意图Fig.7 Base of DLG fault horizontal tangential component meter

查阅仪器观测日志，发现仪器异常情况(见表1)，可见仪器存在抗干扰能力弱的缺陷。

表1 地裂缝观测站断层水平切向DLG仪器标定和仪器调试维修情况

2.3.2 周边环境干扰情况排查

分别对距观测站东、南、西、北4个方向200 m范围内的干扰源进行调查。

(1) 观测站以东200 m至同兴街东界。

观测站东邻公路，相距仅约10 m，车流密集，每分钟最多达30余辆。密集的车辆对观测仪器形成持续的振动干扰，当有重载车辆通过时，振动干扰情况更加明显；此外，公路下面的管网施工、照明线路的维护施工，广场上娱乐设施的维修以及住宅小区其他的零星施工，都对观测仪器产生一定的振动干扰。

①施工影响。

2012年7月19日至20日，在观测站以东10 m处，相邻公路挖槽施工，造成曲线直线下降0.258 mm(见图8)；2014年8月3日至10日，在观测站以东10 m，相邻公路管网施工，造成曲线直线下降1.160 mm(见图9)。

图8 断层水平切向DLG时均值曲线图Fig.8 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

图9 断层水平切向DLG时均值曲线图Fig.9 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

②仪器受到振动干扰，数据出现断记。

2013年1月28日至3月31日，观测数据因受振动干扰出现多次断记。观测人员对DLG仪器重新调试。调试后仪器基值发生改变，断记前后数据产生较大偏差(见图10)。

(2) 观测站以北200 m至大庆路。

观测站北邻车城广场，相距约30 m，节假日庆典或有商家举行促销活动时，观测站内可感觉到锣鼓音响冲击波的振动。

(3) 观测站以南、以西各200 m区域均为同车公司老旧住宅区，分别距观测站约30 m、150 m有社区公路(车流量分别约每分钟8～10辆和3～5辆)外，在地裂缝观测数字化改造以来，未发现有改变地表形态的人类工程和地表荷载的人为活动。

图10 断层水平切向DLG时均值曲线图Fig.10 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

综上所述，观测站的主要振动干扰源来自东边公路和北边车城广场。

2.3.3 气象因素排查

2015年3月30日至10月底，切向DLG的数据出现大幅波动异常变化，波动时段与季节降雨时间基本一致。2012年4月19日至12月31日及2014年的雨季均未出现类似的现象，表明2015年DLG的数据大幅波动异常变化与季节性降雨、气温的相关性较小(见图11～13)。

图11 断层水平切向DLG时均值曲线图Fig.11 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

图12 断层水平切向DLG时均值曲线图Fig.12 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

图13 断层水平切向DLG时均值曲线图Fig.13 Hour mean value of fault horizontal tangential DLG

2.3.4 地下水动态的影响

根据大同市地下水动态监测孔监测资料[7]可以看出，中浅层(D5)地下水或深层(D6)地下水的水位动态变化，与DLG的异常飘移不具有对应关系。因此，2015年DLG的数据大幅波动异常与地下水动态无关(见图14)。

图14 断层切向DLG与大同市地下水月动态对比图Fig.14 Comparison between fault tangential DLG and monthly dynamic of Datong underground water

2.3.5 相关测项同期资料的对比分析

截止2015年10月31日的观测资料表明，DSG断层法向波动幅度0.73 mm，走势平稳(见图3)；DFG断层垂向于2014年3月31日因在水管一端加注蒸馏水，与水管中原蒸馏水密度存在微小差异而出现突跳现象。2015年6月23日再次加注蒸馏水时，采取两端等量同时加入的方法，突跳现象未再出现，垂向波动幅度1.64 mm，剔除2014年3月31日突跳，实际波动幅度约1.15 mm，走势平稳(见图4)。根据观测结果，DFG断层垂向、DSG断层法向与地裂缝活动处于平静状态相吻合，而DLG断层水平切向观测数据始终处于不稳定状态。尤其是2015年3月30日之后，观测数据大幅漂移(见图5)，与地裂缝实际活动情况严重不符。因此，DLG断层水平切向数据异常波动及漂移，应与DLG切向观测仪器自身因素相关。

2.3.6 人为因素分析

观测人员具备仪器安装、调试、运行维护、标定等丰富的工作经验，有识别不同种类干扰的经验和能力。DLG观测数据异常期间观测人员未变动，不存在违规操作现象。

2.3.7 锤击振动试验分析

(1) 根据DLG切向数据大幅波动异常现象的初步判定结果，其原因可能来自地面的振动干扰。为验证此判定的正确性，观测人员于2015年10月27日对切向发射端的台基进行人为锤击振动试验(见图15)。结果表明，振动干扰能够使DLG切向数据产生大幅波动、漂移，而DSG断层法向、DFG断层垂向几乎不受影响。

图15 对断层切向DLG基座改造前的锤击试验结果Fig.15 Hammer test results before the reformation of the base of fault tangential DLG

(2) 2015年10月28日，对抗干扰能力弱的原基座进行更换。30日，观测人员再次对DLG发射端的台基进行锤击振动试验(见图16)。结果表明，DLG、DFG、DSG均未产生明显变化，证实更换后的新基座抗干扰能力明显优于旧基座。

图16 对断层切向DLG基座改造后的锤击试验结果Fig.16 Hammer test results after the reformation of the base of fault tangential DLG

3 认识与结论

通过以上分析，得出如下结论：

(1) 对周边环境进行调查，确认造成DLG水平切向分量仪数据异常的原因来自周边环境的振动干扰。

(2) 对DLG型断层水平切向分量仪自身的分析研究，得出原DLG仪器基座存在抗振动干扰弱的缺陷。

(3) 通过对异常因素的调查分析，排除气象、地下水动态、人为观测等因素对DLG观测数据异常的影响。

(4) 相关测项同期资料的对比分析，得出DLG数据异常波动及漂移，与其自身因素相关。

(5) 对发射端新旧基座的台基进行锤击振动试验，得出DLG数据异常波动及漂移，与其自身抗干扰能力弱有关。

综上所述，DLG观测数据大幅波动、漂移的异常是由周边环境振动及仪器自身抗振动干扰能力弱造成，与构造活动关系不大。

[1] 刘玉海，陈志新，刑集善，等.大同机车工厂及邻区地裂缝研究[M].陕西：陕西科学技术出版社，1991.

[2] 国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组.鄂尔多斯周缘活动断裂系[M].北京：地震出版社，1988.

[3] 谢新生，江娃利，王 瑞，等.山西大同盆地口泉断裂全新世古地震活动 [J].地震地质，2003，25(3)：359-374.

[4] 徐 伟，刘旭东，张世民.口泉断裂中段晚第四纪以来断错地貌及滑动速率确定[J].地震地质，2011，33(2)：336-346.

[5] 徐锡伟.山西地堑系的新构造活动特征及其形成机制[D].北京：国家地震局地质研究所，1989.

[6] 中国地震局监测预报司.地震前兆异常落实工作指南[M].北京：地震出版社，2000.

[7] 李常保，张晓燕，苏 丹，等.2012—2015年度大同市及周边平原区地下水动态年报[R].山西省地质勘查局二一七地质队，2015：12.

Analysis and Elimination of Abnormal Data of DLG Fault HorizontalTangential Component Meter in Datong City

LI Xiu-ying1, DENG Hai-yan2

(1.Earthquake Administration of Datong City, Datong, Shanxi 037006, China；2.Tongche Company observation station in Datong, Datong, Shanxi 037038, China)

Based on investigation ofthe surrounding environment of Datong Tongche Company station, the causes of abnormal fluctuation of observation data are analyzed combined with the structural characteristics and working principle of DLG fault horizontal tangential component meter. Interference factors that may affect the data are found out to provide reliable basis for the scientific analysis of the regional tectonic activities.

Ground fissure; Anomaly; Observation data

1000-6265(2017)01-0011-06

2016-08-08

山西省地震局科研项目(SBK-1620)

李秀英(1981— )，女，山西省大同人。2007年毕业于北京大学，工程师。

P315.62

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