依兰地震台新老洞体应变仪比较研究

高宏巍，斯琴塔娜，邱凤萍，孟祥龙，苑年军

（黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090）

依兰地震台由于受到哈佳高铁的影响，在依兰县松花江北岸烟筒山林场以南一公里新建观测山洞，重新安装了洞体应变仪，并行观测两年，本文全面梳理和总结新老两套仪器从观测环境、观测资料内在质量、同震效应、降水、气压及主要干扰源等方面的异同点，并分析观测资料质量出现差异的可能原因。

1 依兰地震台区域地震地质概况

依兰地震台北部是小兴安岭余脉，西南部为张广才岭余脉，松花江与牡丹江在依兰县西北角汇合，倭肯河在县城东北角与松花江交会。伊舒断裂带与勃利神树断裂也在依兰县交会，地质结构复杂，是黑龙江省中小地震多发地区。

2 台站观测环境对比

依兰台形变观测老山洞位于依兰县城东南郊，倭肯河流域，海拔约102 m，山洞进深约97 m，洞顶覆盖层厚35～50 m，洞体岩性为黑云母片麻岩（表1）。依兰台形变观测新山洞位于依兰县松花江北岸，巴兰河流域，海拔约120 m，山洞进深约200 m，洞顶被覆厚度约为100 m，洞体岩性为花岗岩（表1）。依兰台新观测山洞总长、密封门数量均比老台少。依兰台新老形变山洞DSQ 仪基线长度不同（表1），其中：老台NS 分量为21.56 m，EW 分量为21.76 m；新台NS 分量为25.45 m，EW 分量为25.50 m。依兰台老山洞走向为相对简单的“┐”型，进深短，抗外界干扰能力较弱；依兰台新山洞走向相对复杂，因为多加了一个斜边，水管仪腔体布设像一个“U”型，NS、EW、NW 分量布设于山洞最里侧，抗外界干扰能力较强。对比可知，依兰台新观测山洞地质和构筑条件全面优于老台站。

表1 依兰地震台新老形变观测山洞概况与SSY 洞体应变仪基线长度对比

3 资料内在质量对比分析

选取2020 年度依兰台新老洞体应变仪观测数据，统计数据连续率、完整率、年变幅及年零漂等指标，对观测数据进行一般性评价，并以相对噪声水平M1 和M2 波潮汐因子相对中误差作为指标，评价观测数据内在质量。观测资料质量评价结果见表2。

表2 依兰台2020 年度新老台站观测资料质量评价结果

由表2 可知：（1）老台因受观测场地和仪器老化情况的共同影响，连续率和完整率均比新台差很多，年变幅和年零漂均比新台少；（2）新、老台洞体应变内在质量的指标中，各个指标参数相差不多，表明新、老台洞体应变观测数据观测质量基本相同。由此可见，新台洞体应变观测质量要比老台好一些。

以相对噪声水平M1 和M2 波潮汐因子相对中误差作为资料内在质量评价指标，2020 年每月新、老洞体应变观测数据，绘制相对噪声水平M1、M2 波潮汐因子相对中误差对比曲线，如图1 所示。因观测山洞地质特性的差异，新、老台相对噪声水平M1、M2 波潮汐因子中误差均值和均方差存在显著差异。

图1 新、老台洞体应变潮汐因子中误差曲线图

4 同震效应对比分析

新、老台洞体应变观测数据均记录到2020 年1 月29日在古巴南部某海域发生M7.7 地震，震源深度10 km，震中距12 070 km（图2）。新台洞体应变北南向最大振幅：182.4×10-8角秒，东西向最大振幅：142.9×10-8角秒，持续时间：50 min；老台洞体应变北南向最大振幅：111.1×10-8角秒，东西向最大振幅：80.7×10-8角秒，持续时间：83 min。可以看出：老台记录的地震波形最大振幅比新台大将近一倍，持续时间基本相同。可能是由于新台台基为花岗岩，老台台基为黑云母片麻岩，花岗岩比黑云母片麻岩造成的弹性形变大的原因造成（图3）。

图2 依兰地震台新、老台洞体应变记录到2020 年1 月29 日在古巴南部某海域发生M7.7 地震

图3 新、老台洞体应变记录到2020 年1 月29 日在古巴南部某海域发生M7.7 地震（同轴曲线对比）

5 气象资料对比分析

地震形变观测资料包含大量气象类因素的干扰信息，如气压、降雨、温度、湿度等干扰，给地震形变观测异常识别带来困难，而洞体应变观测气象干扰因素主要为气温和气压。

新、老台洞体应变观测未受气温变化影响，夏季温度高（图4），冬季温度低（图5），新、老台洞体应变观测数据变化正常，未发现异常现象。

图4 新、老台洞体应变与气温分钟图

图5 新、老台洞体应变与气温分钟图

2020 年5 月31 日21 时-22 时气压出现剧烈波动变化，造成老台洞体应变北南向和东西向观测数据出现固体潮畸变（图6），北南向最大变化幅度61.8×10-8角秒，东西向最大变化幅度51.8×10-8角秒。新台洞体应变数据北南向和东西向未发现异常现象。气象三要素仪器布设在老台，距离新台直线距离约30 km，可能新台周边的气压未发生剧烈波动，因此新台未受到气压干扰影响。

图6 新、老台洞体应变与气压分钟图

2020 年8 月3 日22 时-23 时老台记录到降雨量2.9 mm，导致老台洞体应变北南向和东西向出现固体潮畸变（图7），北南向最大幅度70.4×10-8角秒，东西向最大幅度48.2×10-8角秒。新台洞体应变北南向和东西向观测数据未发现异常现象。此次降雨对老台洞体应变观测数据造成的干扰较大，对新台洞体应变干扰较小。

6 主要干扰源对比分析

2020 年05 月02 日老台洞体应变受东侧3 km 哈佳高铁影响，导致数据出现固体潮畸变，表现为固体潮扰动，北南向最大变化幅度67.9×10-8角秒，东西向最大变化幅度73.4×10-8角秒。哈佳高铁位于新台南侧30 km，未受到哈佳高铁干扰，观测数据记录到良好的固体潮，未发现异常现象（图8）。

图8 新、老台洞体应变受哈佳高铁干扰图

7 结论

前兆地震台站防雷工作是一项长期而且重要的任务，在做好避雷地网以及四级避雷防护的同时，要定期检查防雷系统，做好日常维护工作，做到有问题及时解决，尽量保持仪器系统运行，保证产出的前兆资料真实、连续、可靠。通过对2020 年度依兰地震台新、老洞体应变仪观测数据进行对比分析，得到以下结论。

（1）观测山洞进深大，被覆厚，有助于减少外部环境干扰。

（2）洞体应变装位置应远离洞口，减少人为干扰和仪器故障，有助于提高观测资料的连续率、完整率。

（3）哈佳高铁干扰源对依兰台新、老台址产生的影响存在差异，地处巴兰河流域地区、岩性为花岗岩的新台址，对比地处倭肯河为黑云母片麻岩的老台址，所受影响基本为零。

总之，降水、气压因素在不同的地理、地貌、气候环境下，对伸缩仪观测的影响存在显著差异。观测山洞良好的地质条件是伸缩仪观测的坚实基础，减少仪器故障，避免人为干扰，降低环境影响，提高仪器运维能力，是保证观测资料内在质量、长期稳定性的必要条件。