云南燕子岩观测站DSQ水管倾斜仪潮汐扰动现象研究

曹白伦 杨悦 匡福江 赵正贤 段勇 李旺

[摘要]  云南燕子巖观测站DSQ水管倾斜仪各分量频繁记录到高频扰动，表现形式为观测曲线脉动加粗，更换放大盒、线圈、线路、数采等都未能排除此高频扰动。经与实况气象观测资料对比后发现：潮汐扰动与气压波动有一定的同步性。经进一步诊断、排查、分析，确定引起高频扰动的原因为：DSQ水管倾斜仪钵体罩子缺少空气管，导致水管仪两端液面上方各自形成独立空腔，两端液面压力平衡被打破，引起高频扰动。对钵体罩子进行打孔处理后，高频扰动排除。这种高频扰动诊断与排除的过程和方法，对提高DSQ水管倾斜仪固体潮观测质量具有重要意义，对改进、管理同类仪器具有参考和借鉴价值。

[关键词] DSQ水管仪; 高频扰动; 气压

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-093

0  引言

定点形变观测作为前兆观测重要手段之一，具有明确的物理意义，在日常数据跟踪及地震危险性判定中发挥着重要作用^[1]。DSQ 水管倾斜仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，对构造变动中的倾斜成分敏感^[2]，适用于地壳倾斜固体潮、地震断层以及火山、大型精密工程垂直位移的连续观测^[3]，在定点形变观测中广泛运用。有研究表明，形变测量受多种因素影响，其中包含了气象变化、人为作用、仪器故障、环境载荷变化及未知的诸多情况^[4-5]。台风会引起倾斜仪“脉动加粗”，水质变差会使水管内阻尼增大，造成标定困难，环境载荷变化会引起趋势变化。为准确判断变化性质，分析倾斜资料时可以对比本台或其他台站的体应变辅助气压、水位观测，并充分利用单端资料^{[3， 6]}。

云南燕子岩观测站DSQ水管倾斜仪架设于2021年6月，观测站选址科学严谨，地震观测专用山洞严格按地倾斜观测规范建设^[7]。DSQ水管仪自安装以来，各分量、端点固体潮观测曲线记录日波、半日波明显，但观测曲线频繁出现高频（相对固体潮）扰动现象，具体表现为脉动加粗，同测点的VP垂直摆、gPhone重力仪、SSY伸缩仪却未显著记录到高频扰动。对DSQ水管倾斜仪传感器、数采、线路等进行检修更换，高频扰动仍然持续出现。经与实况气象资料对比，发现高频扰动与气压波动存在一定同步性。本文围绕气压效应，利用功率谱分析法对地形变观测数据进行处理^[8-9]，对测点DSQ水倾斜管仪主体结构与设计图进行对比排查，最后发现钵体罩子缺少空气管，经对钵体罩子进行打孔处理，高频扰动问题得以解决。该测点高频扰动的诊断、排除，可为DSQ水管倾斜仪设计、生产、日常管理提供参考和借鉴。

1  台站观测条件及仪器概况

1.1  观测条件

云南燕子岩观测站位于云南省凤庆县洛党镇桃花村（图1），2018年开工建设，2021年建成并投入试运行。观测站区域大地构造位于冈底斯—念青唐古拉褶皱系（Ⅰ级）昌宁—孟连褶皱带（Ⅱ级）与唐古拉—昌都—兰坪—思茅褶皱系（Ⅰ级）兰坪—思茅褶皱带（Ⅱ级）的过渡地带，周边主要分布有南汀河断裂、昌宁断裂、澜沧江断裂。观测站所处山势平缓，山体岩性为片麻岩，岩石新鲜完整。地震专用观测山洞总长300 m，最大进深180 m，洞顶覆盖大于50 m，植被为灌木丛及杂草，覆盖良好，引洞及观测室安装有保温门，保温效果良好，洞内日温差小于0.01℃。观测山洞基岩完整，观测山洞顶面及侧面铺设EVA止水板后浇筑0.35 m厚抗渗钢筋混凝土，底面两侧采用盲管进行排水，盲管以上铺设涤纶防水卷材进行防水防潮处理，地面铺设石材地板，洞内相对干燥。

1.2  仪器概况

DSQ水管倾斜仪观测室按地倾斜观测规范建设，北南分量、东西分量正交，与北西分量构成等腰三角形（图2），观测室最小进深136 m，有8道冷库门与外界隔离，保温密封条件良好。观测室截面宽3.1 m、高3.05 m。北南分量基线长28.03 m、方位角0°，东西分量基线长约27.75 m、方位角90°，北西分量基线长39.76 m、方位角315°，各分量两端墩面高差小于0.03 m，观测墩为花岗岩墩，长1.2 m，宽0.8 m，下部用砂浆混凝土与完整基岩面稳定粘合，四周设有隔震槽。

DSQ水管倾斜仪架设于2021年6月，数据采样类型为分钟值。北南分量初始格值0.3483×10^?3″/mV、东西分量初始格值0.3419×10^?3″/mV、北西分量初始格值0.2405×10^?3″/mV，各分量初始标定精度优于0.2%、相对误差优于0.5%。

2  潮汐扰动分析

2.1  潮汐扰动现象

DSQ水管倾斜仪自架设以来，各分量、各端点频繁记录到高频扰动，具体表现为观测曲线脉动加粗、毛刺增多，北南分量最为明显（图3a）。同一洞室内的重力仪（图3b）、SSY伸缩仪（图3c）、VP垂直摆（图3d）却未显著记录潮汐扰动现象。台站先后进行了放大盒更换、线圈更换、供电线路更换、数采更换等排查操作，潮汐扰动未能排除，后续观测中各分量、各端点仍频繁记录到该高频扰动现象（图4）。

2.2  潮汐扰动原因分析

图5a为典型高频扰动记录图（2022年1月25日），经与测点处倾斜固体潮理论值进行对比，DSQ水管倾斜仪观测数据记录半日波固体潮形态、相位与理论值基本一致，变化幅度略小于理论值。北南分量、东西分量、北西分量扰动差异非常大：北南分量脉动加粗现象最为显著、北西分量次之、东西分量最小，高频扰动已严重影响观测质量。图5b为对应分钟值数据功率谱密度（PSD）曲线，北南分量高频噪声非常大，扰动优势频率为0.001 Hz以上。

经与同期实况气象观测资料进行对比，发现潮汐扰动与气压波动有一定的同步性，气压波动较强时段，DSQ水管倾斜仪潮汐扰动明显增强。但DSQ水管倾斜仪各分量观测条件基本一致，洞室保温及密封性良好，北南分量与北西分量洞室是连通的，两洞室间气压一致，外部气压作用无法解释各分量间巨大的扰动差异。但潮汐扰动与气压波动的同步性给了作者从气压效应入手排除高频扰动的启示。

定点形变观测中常用的DSQ水管倾斜仪多属于不封闭的液体静力水准系统中。自然界大气压力的变化及进气通风均可能是使局部压力变化的原因。由于大气压的影响，连通管要重新分配液体，直至出现新的静力平衡为止^[5]。图6为DSQ水管倾斜仪主体设计结构图，液体一般为蒸馏水。

经排查，发现该测点DSQ水管倾斜仪钵体罩子与图6的罩子结构存在差异，随着产品的更新换代，仪器厂家新设计生产的钵体罩子取消了空气管，下部用密封圈及卡扣与钵体紧密贴合在一起。钵体罩子结构上的差异导致DSQ水管倾斜仪两端液面上方形成了独立的空腔。分析认为：地倾斜连续观测过程中，随着地面的倾斜变化，DSQ水管倾斜仪在重力作用下需重新分配液体，随着两端液面发生变化，两端钵体与罩子间形成的独立腔体导致两端液面压力不再平衡。此时，连通管的平衡原理被破坏，两端气压差反作用于液面，迫使连通管重新分配液体，直至出现新的静力平衡为止。因地面倾斜是一个连续的过程，两端气压的不平衡将始终作用于两端液面，气压效应将伴随整个观测过程。

2.3  潮汐扰动排除

2022年4月23日，对钵体罩子进行打孔处理，开放两端液面，使两端液面大气压力与洞内气压保持一致，形成开放的液体静力水准系统。图7a 为4月29日固体潮观测值与理论值的对比曲线，打孔处理后，高频扰动消除，固体潮观测曲线变得非常光滑，日波、半日波固体潮汐形态清晰。图7b为功率谱密度曲线，各分量高频成分呈现较好的一致性，观测数据质量与之前相比显著提升。

对改进前与改进后连续5日观测数据（图8）进行对比：2022年3月24—28日观测曲线与6月24—28日观测曲线（图8a、图8d）对比，改进后固体潮观测曲线光滑，日波、半日波固体潮汐形态清晰。滤除固体潮等长周期成分后，改进前形态呈“纺锤形”（图8b 、图8e），与台风引起的固体潮“脉动加粗”形态相似^[6]，高频信号幅度达3×10^?3″以上，改进后高频信号幅度仅0.2×10^?3″，幅度降为改进前的6.6%，高频扰动显著减少，数据质量显著提升。对去除长周期成分的信号进行频谱分析（图8c 、图8f），改进前的高频信号是无规律的，改进后高频成分优势频率为0.005～0.01 min^?1，为典型地脉动信号。

3  结语

针对燕子岩观测站DSQ水管倾斜仪频繁出现的高频扰动现象，台站先后更换了放大盒、线圈、供电线路、数采等，高频扰动未能排除。将气压数据和观测数据进行对比分析，发现潮汐扰动与气压波动具有同步性，这为笔者从气压效应进行高频扰动分析提供了很大帮助。经逐步排查，发现钵体罩子缺少空气管导致DSQ水管倾斜仪两端钵体液面上方各自形成独立空腔，两端液面产生压力差。在实际地面倾斜连续观测中，两端气压的不平衡始终作用于两端液面，气压效应引起观测曲线的高频扰动。经打孔处理，高频扰动彻底排除。该测点高频扰动的诊断、排除，可为厂家设计生产、监测台站管理同类仪器提供参考和借鉴。

参考文献

• 李智蓉，付虹，高华宴. 云南地区定点形变观测异常特征与地震预测研究[J]. 地震研究，2018，4（1）：90-97    Li Z R，Fu H，Gao H Y. Research on anomalous characteristics of fixed point deformation and earthquake prediction in Yunnan region[J]. Journal of Seismological Research，2018，4（1）：90-97
• 崔庆谷，曹白伦，李燕玲. 洞体应变、水管倾斜仪低频段记录数据差异的对比研究[J]. 大地测量与地球动力学，2023，43（5）：534-547    Cui Q G，Cao B L，Li Y L. Performance of extension-meter and water-tube tiltmeter in low-frequancy based on amplitude-sepetrum of recording data at the same site[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2023，43（5）：534-547
• 胡雪琪，徐诚，李颖楠，等. 天津蓟县DSQ水管倾斜仪故障诊断与排除[J]. 华北地震科学，2019，37（1）：52-56    Hu X Q，Xu C，Li Y N，et al. Fault diagnosis and elimination of the DSQ water tube tiltmeter in Tianjin Jixian[J]. North China Earthquake Sciences，2019，37（1）：52-56
• 王梅，李峰，孔向阳，等. 数字化形变观测干扰识别[J]. 大地测量与地球动力学，2004，24（1）：94-98    Wang M，Li F，Kong X Y，et al. Identification of disturbance of digital deformation observations[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，24（1）：94-98
• 陈福德， 聂磊. 液体静力水准仪及其应用[M]. 北京： 地震出版社， 2008    Chen F D， Nie L. Liquid static level and its application[M]. Beijing： Seismological Press， 2008
• 王梅，季爱东，郑建常. 台风引起的重力扰动现象[J]. 地震学报，2009，31（6）：641-649    Wang M，Ji A D，Zheng J C. Gravity disturbance caused by typhoon[J]. Acta Seismologica Sinica，2009，31（6）：641-649
• 曹白伦，匡福江. 云南云县地震台迁建观测站概述[J]. 地震科学进展，2022，52（4）：176-182    Cao B L，Kuang F J. Overview of the relocation of Yunxian Seismic Station in Yunnan Province[J]. Progress in Earthquake Sciences，2022，52（4）：176-182
• 趙莹. VP垂直摆观测背景的功率谱密度特征分析[J]. 大地测量与地球动力学，2018，38（10）：1080-1085    Zhao Y. Analysis of power spectral density charateristics of VP vertical pendulum tiltmeter observation background[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2018，38（10）：1080-1085
• 万永革. 数字信号处理的MATLAB实现[M]. 北京： 科学出版社， 2012    Wang Y G. MATLAB implementation of digital signal processing[M]. Beijing： Science Press， 2012

Research on tidal disturbance phenomenon of DSQ water tube tiltmeter at Yunnan Yanziyan observation station

Cao Bailun^*， Yang Yue， Kuang Fujiang， Zhao Zhengxian， Duan Yong， Li Wang

Lincang Earthquake Monitoring Center Station of Yunnan Earthquake Agency， Yunnan Yunxian 675803， China

[Abstract]  The DSQ water tube tiltmeter at Yunnan Yanziyan observation station frequently records high-frequency disturbances in various components， manifested in the form of thickened observation curve pulsation， and the replacement of amplification boxes， coils， lines， data acquisition， etc. failed to eliminate this high-frequency disturbance. After comparing with actual meteorological observation data， it was found that there was a certain degree of synchronization between tidal disturbances and atmospheric pressure fluctuations. After further diagnosis， investigation， and analysis， it had been determined that the cause of high-frequency disturbance was that the bowl cover of the DSQ water tube tiltmeter lacked air pipes， resulting in independent cavities above the liquid levels at both ends of the tiltmeter. The pressure balance at both ends of the liquid level was disrupted， causing high-frequency disturbances. After punching the bowl cover， high-frequency disturbances were eliminated. The process and method of diagnosing and eliminating high-frequency disturbances are of great significance for improving the quality of solid tide observation using the DSQ water tube tiltmeter， and have reference value for improving and managing similar instruments.

[Keywords] DSQ water tube tiltmeter; high frequency disturbance; air pressure