DSQ水管倾斜仪曲线受气象因素干扰的分析研究

熊 玮，孟建国，范 军，李栋梁

（1.潍坊地震监测中心台，山东 潍坊 261041；2.泰安基准地震台，山东 泰安 271000；3.潍坊市地震局，山东 潍坊 261041）

0 引言

前兆观测中，地震前兆仪器记录了地球物理量的变化情况。在正常情况下，地球物理量的变化表现出了潮汐变化的规律。月球和太阳对地球的引力不但可以引起地球表面流体潮汐（如海潮、大气潮），还能引起地球固体部分的周期性形变［1］。正常的固体潮曲线均匀而光滑，接近于正、余弦曲线波动，且存在一定的周期性。但由于干扰畸变因素较多，所以台站倾斜潮汐形变观测的固体潮曲线也是情况多变的。本文根据泰安台DSQ水管倾斜仪多年所记录到的几种典型畸变图像，对照自然环境因素，将畸变图像与环境干扰进行系统的研究，分析观测数据受气压、台风、雷电和降雨等气象因素干扰的典型记录曲线，并总结各干扰因素的记录形态特征、变化规律，分析其形成原因，以此来找出排除和降低干扰对观测的措施，提高日常观测资料质量、识别干扰与震兆图像的能力［2］。

1 台站观测条件及仪器

泰安基准地震台地处莱芜弧形断裂带北侧（台址附近段落称为泰山山前断裂），台基为太古代泰山群（Art）花岗片麻岩体，台址岩体完整致密均匀，结构致密完整。DSQ水管倾斜仪放在专用观测山洞内（1975年建成）。山洞洞室覆盖厚度为29 m以上，主洞进深76 m，入口设计成直立螺旋形，高差33 m，避免了洞室内空气流动对仪器观测造成的影响。洞室年最大温差小于0.8℃，日最大温差小于0.05℃，洞室内相对湿度小于90%，其热稳定性居全国地震系统观测之首，具体仪器布设见图1。

图1 泰安台观测仪器及钻孔示意图Fig.1 Tai’an Observatory and drilling diagram

泰安台水管倾斜仪属于首批“九五”数字化实验仪器。后经十五数字化改造，已经有三十多年的观测历史。目前，该仪器观测基线EW向长10.0 m，NS向长30.03 m；方位角EW向为 124°37′，NS 向为 39°48′。

2 典型的曲线畸变情况分析

根据泰安台DSQ水管倾斜仪观测资料显示，该仪器经常能记录到一些单点突跳、数据掉格、台阶、毛刺等非连续性的图形畸变现象。据以往研究显示，产生这种数据非连续畸变的原因很多［3-4］。造成畸变的因素很多，如爆破、标定、人员进洞和电源引起的畸变；缓变因素例如气压、气温、降雨等气象因素引起的观测曲线畸变、趋势上升或趋势下降，或者为震前异常引起的畸变。但对于水管倾斜仪观测数据影响最突出，干扰最明显的主要是环境因素导致。

2.1 气压干扰

DSQ型水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，具有高灵敏度、高精度、高稳定性等特点［5］，因而它不仅可以记录到远震面波，震时微小的应变阶跃（同震应变阶），长、短期应变异常，还可以记录到气压的干扰影响［6］。

对2012年11月11日水管倾斜仪与气压分钟值对比分析结果显示，水管倾斜仪W与NS两个测项数据变化均与气压存在比较显著的相关性。其中NS向与受气压变化影响较为显著，EW向相关性相对较小（图2）。表明只有当气压出现短时剧烈波动时水管仪观测值才会同步出现显著变化，表现为固体潮曲线波动畸变，这种波动变化无法利用回归分析完全消除，只能定量与定性相结合进行分析。

图2 水管倾斜仪观测数据和气压变化对比图Fig.2 The tiltmeter observation data and pressure comparison chart

对于气压干扰对水管倾斜仪影响的识别，观测人员应该具备环境记录的习惯。气压变化主要对应的是观测区域的刮风等现象。对于前一天的风速方向等，在第二天的数据处理中应该有所备注。同时，对于数据分析而言，因气压干扰影响的水管仪观测数据，主要呈现一定时段的连续毛刺现象，但不影响趋势变化。在对比分析过程中，对应气压辅助观测数据会更为直观。

2.2 降雨干扰

降水对水管倾斜仪的影响主要是部分雨水渗入洞体岩石裂缝和土层中，导致岩体内部发生显著膨胀，空隙压力也随之改变，使岩体产生不均匀变形，地表受其作用发生倾斜。对水管仪观测产生影响［7］。根据泰安台气象三要素中的降水量资料，对降水量与水管倾斜仪进行分析。若初始降水量较大，则仪器受到的干扰更为明显，降水结束后，干扰并不会马上结束，而是会持续几天［8］。

如2016年7月17-20日降雨大于10 cm，引起水管倾斜仪观测值的变化为100 ms（图3）。水管倾斜仪受降水干扰变化主要与观测场地的地质构造和周围的环境荷载变化有关［9］。因泰安台观测山洞地势北高南低，雨水一般向南流，故南侧的水更容易渗透到基岩中，致使基岩体积膨涨、变形，造成降雨时NS向南倾。同样，山体东高西低，也使得降雨时，EW向西倾。

图3 水管倾斜仪观测数据和降雨对比图Fig.3 The tiltmeter observation data and rainfall comparison chart

降雨对水管仪的干扰，具有趋势影响效果，降雨过程往往伴有气压的变化，降雨过后水管仪曲线恢复正常，但是变化趋势具有一定的趋势转折。因此，识别该现象应该对比降雨量辅助观测，通过雨量的多少及作用时间定为水管仪曲线趋势转折点，及趋势变化放向。根据观测点的地质地势特点，判断倾斜方向是否正确。

2.3 台风干扰

在地震计、重力仪、倾斜仪的观测记录中，热带气旋引起的震颤波的包络线呈纺锤状叠加在观测背景信号上，信号持续时间基本与热带气旋的生命过程相符，但其中出现强信号的时间大多为2～3d［10］。其强弱变化主要与热带气旋的强度变化和气旋中心与观测点的距离有关［11］。每年的夏秋季节,与我国毗邻的太平洋上热带气旋活跃，形成台风。由于台风以负载的形式作用于安放仪器的整个山体。无论哪个方向的风力作用，都会在垂直于山体的方向产生较大的作用力。山体也会随之在倾向方向产生微弱的变化［12］。

泰安台所受台风干扰较为明显，以2016年9月18日强台风马勒影响为例，如图4所示。泰安台水管倾斜仪能清楚地记录到台风引起的较强震颤波。由于泰安台水管倾斜仪所处山体南北向较陡，岩体完整，对于台风造成的震颤波影响会存在较突出响应。此外，由于NS向观测基线长于EW向，可以看出，在台风影响下，NS向波动明显强于EW向波动，可见基线的长短对于仪器的效应情况有明显相关性。

图4 水管倾斜仪观测数据移动平均残差图Fig.4 The observation data of water tube tiltmeter moving average residuals chart

对于台风对水管仪的干扰，单从直观上分析较为困难，较小范围的毛刺及数据抖动往往不易察觉或者与气压干扰混淆。这就需要对台风信息进行掌握，利用数据处理方法比如移动平均残差或者一阶差分等，另外对比重力等其他观测仪器在同时段的变化情况，也有助于此类现象的识别与判定。

2.4 雷电干扰

水管倾斜仪受雷电干扰频率从每年5月起会逐月增加，7—8月出现干扰次数最多，9月以后迅速减少。雷电对水管仪的危害主要为直击雷和感应雷（伴随着雷电产生的电磁脉冲和静电感应），由于水管仪传感器、放大盒等电子集成化程度高，导致仪器耐过电压很低，所以水管仪对感应雷较为敏感，受其干扰的几率要远高于直击雷。水管仪NS向和EW向受雷击过电压干扰，甚至造成仪器运行中断，使得观测数据失真和丢失，严重影响仪器的日常观测和预报分析。

水管倾斜仪器受雷电干扰的表现形式多为曲线波动。原因可从两方面解释，一种是频繁的雷电感应造成水管倾斜仪传感器产生不规则感应静电，影响到了正常的数据采集；另外，较大的雷声造成山体震动，产生波动的真实数据。两种可能都会导致雷电状态下水管仪的数据波动，如图5为2016年9月7日水管倾斜仪受雷电干扰图。这种波动形态类似于气压干扰，且雷电过程中容易伴随气压的突变，分析时应附上实时气压值进行对比。

图5 2016年9月7日水管倾斜仪受雷电干扰图Fig.5 The tiltmeter by lightning interference graph on September 7，2016

雷电对于水管仪的干扰，除较为明显的雷击及切换电源干扰外，还包括传感器受感应雷影响，该现象与雷电期间的气压干扰会混杂，不易识别。建议对比气压辅助观测数据，结合实时天气变化进行综合判定。

3 结论

泰安地震台水管倾斜仪受多种气象因素的干扰。其中气压对年变化趋势无明显影响，但气压短期急剧变化对各测项有不同程度的干扰。因属东部地区，距海洋较近，常受台风影响相对明显，主要体现为台风期间记录的曲线出现震颤波，但并不影响固体潮趋势形态。雷击对水管仪存在干扰和破坏，台站工作人员需做好相关防护措施，降低雷暴的危害，同时雷电状态下对于干扰的分析，应该对比气压、降雨等综合分析，区别气压及雷电的综合影响。水管仪汛期均受降雨干扰严重，主要体现为观测数据曲线出现长周期趋势性变化，变化幅度和持续时间与降水强度和持续时间有关，且变化方向与地质构造和环境荷载有关。对于短时间的曲线畸变，应该考虑地下水文条件变化对观测环境造成的短临影响。

通过研究得出了不同气象因素下的水管倾斜仪数据变化情况，可以为将来的日常观测提供参考依据，有利于及时准确的判定观测数据的异常，提高观测人员分辨干扰能力。今后在利用水管观测数据进行前兆观测和分析预报时，应正确识别和排除上述气象因素的干扰。