長(zhǎng)清地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)干擾識(shí)別分析

郝軍麗，盧雙苓，于慶民，油利紅

（1.長(zhǎng)清地震臺(tái)，山東 長(zhǎng)清 250300；2.泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)，山東 泰安 271000）

長(zhǎng)清地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)干擾識(shí)別分析

郝軍麗1，盧雙苓2，于慶民2，油利紅1

（1.長(zhǎng)清地震臺(tái)，山東 長(zhǎng)清 250300；2.泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)，山東 泰安 271000）

對(duì)長(zhǎng)清地震臺(tái)多年來(lái)的體應(yīng)變數(shù)字化觀測(cè)資料進(jìn)行了整理，對(duì)引起數(shù)據(jù)曲線發(fā)生畸變的干擾因素進(jìn)行了分析識(shí)別及分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為造成體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線畸變的因素主要有電源干擾、儀器本身問(wèn)題、氣壓、降雨、雷電等氣象因素干擾。這項(xiàng)工作將對(duì)臺(tái)站人員及時(shí)識(shí)別干擾、提高數(shù)據(jù)資料利用率起到重要作用。

長(zhǎng)清地震臺(tái)；體應(yīng)變；數(shù)字化觀測(cè)資料；畸變；干擾

0 前言

在鉆孔體應(yīng)變實(shí)際觀測(cè)中，由于各臺(tái)站井孔條件、觀測(cè)環(huán)境的不同，使體應(yīng)變儀記錄到的固體潮受到了很多因素（如氣壓，水位，雷電，儀器故障，儀器調(diào)試，電源等）的干擾，產(chǎn)生畸變圖形。為了給分析預(yù)報(bào)部門(mén)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，臺(tái)站人員需要對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行預(yù)處理，如果屬于干擾因素造成的畸變必須進(jìn)行處理，如果是未知原因或地殼本身的變化（如地震、突變等），則不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨意處理，如處理不當(dāng)，極易丟失一些地震前兆信息。為此，對(duì)本臺(tái)干擾因素進(jìn)行分析識(shí)別，并進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，可以使觀測(cè)人員提高對(duì)數(shù)據(jù)資料真實(shí)性的分辨能力，為分析預(yù)報(bào)人員提供更為可靠的資料。

1 臺(tái)站概況及體應(yīng)變觀測(cè)情況

長(zhǎng)清地震臺(tái)位于濟(jì)南市西部20km處，石磷山北麓，地理坐標(biāo)：36°33′14″N，116°43′48″E，高程40m。臺(tái)址坐落于丘陵與劇烈沉降平原的交界處，西北部為平原，東南部為丘陵地帶，距聊考斷裂帶北端約40km，巖性為中奧陶紀(jì)灰?guī)r，巖層傾向SE，傾角約20°。

長(zhǎng)清地震臺(tái)在山東省“九五”計(jì)劃中進(jìn)行了數(shù)字化改造，于1998年9月14日安裝了TJ-ⅡB型體積式應(yīng)變儀1臺(tái)。5天后資料穩(wěn)定，未開(kāi)閥，固體潮記錄均清晰、光滑、穩(wěn)定，與理論固體潮有著很好的一致性。2001年12月26日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變儀探頭出現(xiàn)故障，停止使用，2002年5月重新安裝，長(zhǎng)清地震臺(tái)將舊的體應(yīng)變井進(jìn)行了處理，新儀器安裝在舊井孔中。井深84.4m，終孔直徑130mm。4月17日正式投入使用，5月初儀器數(shù)據(jù)漂移量50mV／d，固體潮汐已經(jīng)較為清晰，9月數(shù)據(jù)停止漂移，資料趨于穩(wěn)定，數(shù)據(jù)曲線光滑，能記錄到清晰完整的固體潮曲線（圖1）。前后兩套體應(yīng)變儀在長(zhǎng)清臺(tái)已連續(xù)觀測(cè)10年之久，記錄到了大量的有重要意義的數(shù)據(jù)資料。根據(jù)臺(tái)站的多年觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，造成體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線畸變的因素主要有氣象因素（大風(fēng)、降雨、雷電），電源干擾、儀器本身問(wèn)題等。

圖1 2003年9月12日長(zhǎng)清體應(yīng)變固體潮曲線圖

2 氣象因素

2.1 大風(fēng)氣壓干擾

大氣壓力是通過(guò)兩種途徑作用在體應(yīng)變傳感器周?chē)?，一種是以附加荷載的形式作用在地殼的表面，再通過(guò)傳遞的方式作用在傳感器周?chē)?。另一種是通過(guò)井孔直接作用在儀器上方的水面上。鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)具有較寬的工作頻帶，可記錄從零頻（長(zhǎng)年的緩慢變化）直到1Hz、5Hz乃至10Hz以上的變化，因而它不僅可以記錄到遠(yuǎn)震面波，震時(shí)微小的應(yīng)變階躍（同震應(yīng)變階），長(zhǎng)、短期應(yīng)變異常，還可以記錄到氣壓對(duì)體應(yīng)變的干擾影響，這種影響反映到記錄的數(shù)據(jù)曲線上就表現(xiàn)為固體潮畸變現(xiàn)象。由目前氣壓采樣率可知，氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響周期最小為2min。氣壓變化是影響鉆孔儀器的主要干擾源之一，氣壓微動(dòng)態(tài)影響在長(zhǎng)清體應(yīng)變的分鐘值中表現(xiàn)得較為突出，其影響約為6.3×10－11hPa，與氣壓的短周期影響量相同。圖2為長(zhǎng)清地震臺(tái)2001年6月14—15日體應(yīng)變受氣壓干擾的分鐘值曲線對(duì)比圖。在氣壓出現(xiàn)短時(shí)劇烈波動(dòng)時(shí)，體應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)幾乎同步的顯著變化，一般表現(xiàn)為數(shù)據(jù)曲線趨勢(shì)性的變化及曲線的波動(dòng)。

圖2 2001年6月14—15日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變受氣壓干擾對(duì)比曲線圖

大風(fēng)天氣對(duì)體應(yīng)變的影響屬于非周期性短時(shí)氣壓變化影響。2009年4月15日凌晨長(zhǎng)清境內(nèi)出現(xiàn)大風(fēng)天氣，風(fēng)速為6級(jí)左右，輔助觀測(cè)氣壓曲線在5時(shí)43分出現(xiàn)向上趨勢(shì)變化，體應(yīng)變僅在6min后出現(xiàn)同樣趨勢(shì)變化，即體應(yīng)變與輔助觀測(cè)變化幾乎同步（圖3）。2011年4月25日出現(xiàn)陣風(fēng)天氣，氣壓變化明顯，在8時(shí)28分至11時(shí)32分時(shí)間段氣壓出現(xiàn)鋸齒形波動(dòng)現(xiàn)象，體應(yīng)變曲線出現(xiàn)同步的畸變現(xiàn)象（圖4）。

圖3 2009年4月15日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變受氣壓干擾對(duì)比曲線圖

圖4 2011年4月25日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變受氣壓干擾對(duì)比曲線圖

2.2 雷電干擾分析

2006年4月28日16時(shí)15分—17時(shí)長(zhǎng)清出現(xiàn)雷暴雨天氣，有強(qiáng)雷，體應(yīng)變?cè)谕粫r(shí)段出現(xiàn)畸變。2009年7月27日雷暴天氣過(guò)程中，體應(yīng)變曲線與輔助觀測(cè)氣壓曲線也同時(shí)出現(xiàn)了畸變現(xiàn)象。在強(qiáng)雷天氣出現(xiàn)之后，固體潮曲線同步出現(xiàn)脈沖式畸變現(xiàn)象，而后固體潮形態(tài)慢慢恢復(fù)正常（圖5）。強(qiáng)雷電對(duì)體應(yīng)變的干擾，可能是由于儀器電路對(duì)雷電的感應(yīng)造成的。

圖5 2006年4月28日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變分鐘值曲線圖

2.3 降雨干擾分析

2010年8月開(kāi)始長(zhǎng)清出現(xiàn)頻繁雷暴雨天氣，8月8日夜間長(zhǎng)清出現(xiàn)歷史罕見(jiàn)的特大暴雨天氣，據(jù)氣象部門(mén)數(shù)據(jù)，降雨量達(dá)到131mm，到9日水位從689.3cm上升至759.1cm，上升幅度為70cm，體應(yīng)變受到水位干擾，出現(xiàn)畸變，呈壓性上升變化。19日至20日長(zhǎng)清再次出現(xiàn)強(qiáng)雷雨天氣，降雨量為96.2mm，這2次特大暴雨天氣的影響下，體應(yīng)變和水位都迅速響應(yīng)，均在1天多的時(shí)間里同時(shí)達(dá)到高峰，固體潮也發(fā)生了大幅度變形（圖7）。而7日、8日白天降雨量較小時(shí)，體應(yīng)變和水位固體潮沒(méi)有明顯改變，只是在緩慢上升的同時(shí)受氣壓波動(dòng)的影響發(fā)生局部畸變。體應(yīng)變和水位固體潮畸變的程度取決于含水層滲透系數(shù)和降雨量。只有含水層滲透系數(shù)大于某一臨界值（取決于水文地質(zhì)條件，即內(nèi)在因素），才有可能產(chǎn)生畸變。持續(xù)降雨只有積累到一定程度（外在因素）才能導(dǎo)致畸變［2］。

圖7 2010年8月長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變受降雨干擾曲線圖

3 電源干擾分析

在日常觀測(cè)過(guò)程中，每個(gè)應(yīng)變臺(tái)都因?yàn)殡娫吹脑驅(qū)е掠^測(cè)曲線出現(xiàn)過(guò)畸變異常，電源的干擾圖像也多種多樣。2003年1月26日體應(yīng)變曲線出現(xiàn)突跳（圖8a），經(jīng)落實(shí)為市電電源電壓不穩(wěn)定造成。2003年4月20日0：00及8：55，出現(xiàn)2次類(lèi)似標(biāo)定的階躍（圖8b）。臺(tái)站人員立即查找原因，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。其中，在11：00進(jìn)行了交直流電源切換實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：之所以出現(xiàn)類(lèi)似標(biāo)定的階躍，原因是電壓不穩(wěn)，引起交直流自行切換，影響到了標(biāo)定電阻絲。當(dāng)即，臺(tái)站決定在每次標(biāo)定后鎖住標(biāo)定鈕，防止再出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。2007年12月18日至2008年1月15日觀測(cè)曲線中出現(xiàn)了周期約為半小時(shí)的噪聲畸變（圖8c），經(jīng)查是水位探頭電源并聯(lián)在體應(yīng)變儀器電源上導(dǎo)致的。由于電源匹配不當(dāng)，產(chǎn)生了長(zhǎng)周期自激震蕩，加一濾波電容后觀測(cè)曲線才正常。2011年5月3日7：43—9：17體應(yīng)變曲線出現(xiàn)畸變現(xiàn)象（圖8d），查找原因后發(fā)現(xiàn)，220伏外接電源意外連接到體應(yīng)變儀器電源，由于電源不匹配，產(chǎn)生畸變，經(jīng)處理體應(yīng)變曲線恢復(fù)正常。電源干擾現(xiàn)象在實(shí)際觀測(cè)中是非常常見(jiàn)的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)畸變時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)電源進(jìn)行排查。

圖8 長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變受電源干擾畸變圖

4 儀器故障

數(shù)字化觀測(cè)資料的異常情況有時(shí)是受到儀器故障的干擾形成，在長(zhǎng)清臺(tái)實(shí)際觀測(cè)中遇到的情況主要有數(shù)采故障，信號(hào)線接觸不良，更換十一五采集系統(tǒng)等。

4.1 數(shù)采故障

長(zhǎng)清地震臺(tái)體應(yīng)變?cè)?003年7—8月出現(xiàn)了幾次鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)無(wú)效的情況，經(jīng)查找原因，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集器在強(qiáng)雷雨天氣過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)分量表亂碼現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)采集器空采。2010年10月9日13時(shí)35分，工作人員調(diào)取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，原因?yàn)閿?shù)采死機(jī)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集終止。立即重新啟動(dòng)數(shù)采，在重啟過(guò)程中觸動(dòng)自動(dòng)開(kāi)閥調(diào)零，重啟數(shù)采采集的數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)階躍畸變現(xiàn)象。數(shù)采死機(jī)的原因經(jīng)排查推測(cè)可能是由于電源電壓的不穩(wěn)定造成的（圖9）。

圖9 2010年10月9日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變分鐘值曲線圖

4.2 信號(hào)線接觸不良

2003年10月28日7時(shí)50分體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)一臺(tái)階，工作人員使用萬(wàn)用表測(cè)試信號(hào)線輸出的信號(hào)正常，10時(shí)50分對(duì)數(shù)采串口數(shù)據(jù)線進(jìn)行檢查，并重新拔出插上，然后調(diào)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，推測(cè)可能是數(shù)采數(shù)據(jù)線松動(dòng)，接觸不良造成干擾（圖10）。

圖10 2003年10月28日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變分鐘值曲線圖

5 同震應(yīng)變

數(shù)字化前兆記錄的精度較模擬資料有較大提高，對(duì)遠(yuǎn)大震或中小地震均能記錄到同震效應(yīng)（地震面波）。2009年8月11日安達(dá)曼群島7.7級(jí)地震時(shí)，長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變就記錄到了明顯的同震應(yīng)變（圖11）。

圖11 2009年8月11日長(zhǎng)清臺(tái)體應(yīng)變記錄到的安達(dá)曼群島7.7級(jí)地震同震應(yīng)變圖

6 小結(jié)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)清地震臺(tái)多年來(lái)干擾因素的分析及排查，我們可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)體應(yīng)變數(shù)據(jù)資料造成干擾的因素第一大類(lèi)為氣象因素干擾，包括氣壓、雷電、降雨等。這類(lèi)干擾往往是無(wú)法提前預(yù)知和避免的。觀測(cè)人員需要對(duì)觀測(cè)時(shí)段的天氣狀況自然環(huán)境的變化細(xì)心觀察，認(rèn)真記錄，再結(jié)合記錄到的數(shù)據(jù)曲線，這些干擾型畸變是可以識(shí)別（并處理）的。

第二大類(lèi)是電源故障、儀器故障等因素，此類(lèi)干擾造成的數(shù)據(jù)缺失、畸變等現(xiàn)象通過(guò)觀測(cè)人員對(duì)儀器、電源的認(rèn)真維護(hù)和及時(shí)的故障維修，大部分是可以避免的。所以作為臺(tái)站觀測(cè)人員，保證儀器用電的正常，及時(shí)檢修供電設(shè)備，維護(hù)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)排除，這樣才能保證數(shù)據(jù)曲線盡可能少的受到外界因素干擾，保證數(shù)據(jù)資料的真實(shí)完整。

在整理資料過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)了原因不明的畸變，這些畸變有些在地震發(fā)生前后出現(xiàn)，有些則是獨(dú)立的畸變。通過(guò)對(duì)比工作日志查找排除各種干擾因素，我們發(fā)現(xiàn)一些畸變很可能與地震有關(guān)。這些震前畸變與干擾造成的畸變有些在形態(tài)上是非常相似的，很難加以區(qū)分，目前我們只有通過(guò)工作日志來(lái)查找畸變出現(xiàn)時(shí)段的氣象、儀器、電源以及人為等因素來(lái)排除干擾，加以識(shí)別區(qū)分。隨著數(shù)字化資料的不斷積累豐富，我們將不斷發(fā)現(xiàn)總結(jié)此類(lèi)畸變的出現(xiàn)及生成規(guī)律，相信其成因?qū)?huì)逐漸被揭示。

在應(yīng)變觀測(cè)中，作為最前線的觀測(cè)人員，具有掌握實(shí)時(shí)實(shí)地環(huán)境及觀測(cè)條件變化的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所以我們應(yīng)該在日常工作中細(xì)致認(rèn)真，工作日志書(shū)寫(xiě)詳細(xì)全面，善于總結(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題，為分析預(yù)報(bào)人員提供客觀真實(shí)的第一手資料。

［1］ 盧雙苓，于慶民，王強(qiáng)，等.泰安地震臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)受到抽水干擾的初步分析［J］.華北地震科學(xué)，2010，（3）：43-47.

［2］ 賴(lài)愛(ài)京，馮英，王金萍，等.烏什地震臺(tái)多分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料干擾的初步分析［J］.華北地震科學(xué)，2010，（4）：51-56.

［3］ 李杰，鄒鐘毅，閂德橋，等.TJ－Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀數(shù)字化觀測(cè)資料分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002，22（3）：69-74.

［4］ 張凌空.降雨對(duì)體應(yīng)變的干擾［J］.地殼形變與地震，1995，15（3）：78-83.

［5］ 盧雙苓，于慶民，鐘璞玉，等.山東數(shù)字化鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)的干擾異常分析［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2010，32（2）：186-190.

［6］ 盧雙苓，李峰，王強(qiáng)，等.泰安地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變固體潮畸變的分析探討［J］.華北地震科學(xué)，2008，26（2）：49-52.

［7］ 李杰，劉敏，鄒鐘毅，等.數(shù)寧化鉆孔體應(yīng)變干擾機(jī)理及異常分析［J］.地震研究，2003，26（3）：230-238.

［8］ 蘇愷之，張鈞，李秀環(huán)，等.鉆孔環(huán)境在鉆孔地形變觀測(cè)中的作用［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2005，26（6）：46-55.

Analysis of Interference Factors in Crustal Strain Record at Changqing Seismic Station

HAO Jun-li1，LU Shuang-ling2，YU Qing-min2，YOU Li-hong1
（1.Changqing Seismic Station，Shandong Changqing 250300，China；
2.Tai’an Standard Seismic Station，Shandong Tai’an 271000，China）

In this article，digital body strain observation data of Changqing seismic station is studied；interference factors which may lead to data curve distortion are classified and identified.The result shows that the interference factors mainly include power interference，instrument，air pressure，rainfall，thunder.

Changqing seismic station；body strain，digital observation；distortion，interference factor

P315.72

A

1003－1375（2012）01－0059－06

2010-11-19

2010年山東省地震局合同制項(xiàng)目（10Q04）

郝軍麗（1977－）女，工程師，主要從事地殼形變觀測(cè)與分析工作.E-mail：hjlzm117＠163.com