銀川臺DSQ水管傾斜儀的干擾分析

李自芮，李國斌，沈 寧，王建亮

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；2.銀川基準臺，寧夏 銀川 750001）

0　引言

水管傾斜儀是測量地殼形變水平傾斜變化的一種儀器，能為地球固體潮汐、地殼巖石性質及地球參數等提供科學數據。本文從臺站觀測的第一手資料入手，對影響銀川臺DSQ水管傾斜儀（以下簡稱DSQ水管儀）觀測的常見干擾因素進行了具體分析，并總結了典型干擾因素的變化特征。

1　銀川臺水管傾斜儀的觀測條件和運行情況

1.1　臺站觀測環(huán)境

銀川臺小口子測點（以下簡稱銀川臺）位于賀蘭山東麓斷裂西側，海拔1545m。形變觀測山洞基礎巖性為前震旦系花崗片麻巖，呈“之”字形，主洞長90余米，寬1.6m，洞體、側室均采用中空雙層拱形磚石被覆，中間隔層厚0.42米，山洞頂部基巖厚約50m，覆蓋層厚度約100m。洞內年溫差≤0.2℃，相對濕度60～70%，銀川臺觀測環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（中國地震局，2003）要求。距山洞西偏南150m溝谷中有一深井，井深112.58m。每年3—11月抽水，對形變觀測資料造成不同程度的影響，尤其對各套儀器EW向資料影響較大。

1.2　儀器性能參數與運行情況

銀川臺DSQ水管儀架設在小口子形變觀測山洞里，2001年7—8月按照“九五”臺站改造項目要求，將原FSQ型水管儀拆卸，在原位置上組裝架設新研制的DSQ型水管儀，以正NS向和EW向分布在主洞室中，NS向基線長30.32米，EW向基線長30.39米；觀測條件符合規(guī)范要求，于9月1日開始試記，于2002年1月1日正式投入觀測。2015年11月將DSA-2數采更換為“十五”EP-3型數采。銀川臺小口子測點地下水為非封閉的基巖裂隙水，補給完全靠大氣降水。銀川臺DSQ型水管儀的性能參數詳見表1，山洞儀器布設情況見圖1。

圖1　銀川臺山洞儀器布設平面圖Fig.1　 The cave instrument layout plan of Yinchuan Seismic Station

表2　銀川臺DSQ水管儀性能參數

2　影響銀川臺DSQ水管儀觀測的常見干擾因素分析

2.1　銀川臺DSQ水管儀正常動態(tài)識別

要識別DSQ水管儀觀測中的干擾和異常變化，首先要了解數據的正常動態(tài)變化。水管儀的觀測數據根據時間長度不同，表現(xiàn)形態(tài)也不同。按照年、月和日這三類時間尺度可對銀川臺DSQ水管儀觀測數據的正常動態(tài)進行識別。

（1）年正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)：銀川臺DSQ水管儀觀測數據的年動態(tài)變化表現(xiàn)為近正弦曲線的變化規(guī)律（受年變化溫度較大），年正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)如圖2所示。

圖2　銀川臺DSQ水管儀年正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)Fig.2　 The annual normal dynamic performance of Yinchuan Seismic Station

（2）月正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)：銀川臺DSQ水管儀的觀測數據去除趨勢變化后，可見清晰的固體潮變化，趨勢變化多以線性或二次拋物線型變化為主，月正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)如圖3所示。

圖3　銀川臺DSQ水管儀月正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)Fig.3　 The monthly normal dynamic performance of Yinchuan Seismic Station

（3）日正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)：銀川臺DSQ水管儀可以記錄到清晰的固體潮日變化，一般每天有兩個波峰和兩個波谷，日正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)如圖4所示。

圖4　銀川臺DSQ水管儀日正常動態(tài)表現(xiàn)形態(tài)Fig.4　 The daily normal dynamic expression of Yinchuan Seismic Station

2.2　銀川臺DSQ水管儀常見干擾因素分析

DSQ水管儀觀測數據的非正常變化形式主要表現(xiàn)為高頻變化、臺階、突跳、數據出錯和數據缺失等。造成以上非正常變化的因素主要有觀測系統(tǒng)故障、自然環(huán)境影響、場地環(huán)境影響、人為干擾和地球物理事件影響。本文統(tǒng)計了銀川臺DSQ水管儀從2016年1月1日至2017年12月31日的觀測數據，共統(tǒng)計了171例有干擾影響的事件，經分析得出：對銀川臺DSQ水管儀的觀測影響最大的干擾因素是地球物理事件，比重可以占到50%，其次是人為干擾、自然環(huán)境干擾和場地環(huán)境干擾，比重分別為27%、13%和9%，觀測系統(tǒng)故障影響最小，僅有1例。鑒于地球物理事件的影響隨機性較高，及觀測系統(tǒng)故障對銀川臺DSQ水管儀的干擾影響較小， 故本文只詳細分析自然環(huán)境、場地環(huán)境和人為干擾對水管儀的影響。銀川臺DSQ水管儀影響因素占比如圖5所示。

圖5　銀川臺DSQ水管儀干擾因素占比Fig.5　 The interference factor of DSQ water pipe in Yinchuan Seismic Station

2.2.1自然環(huán)境影響分析

刮風會使地殼的負載加大，造成地面短時間形變，會對觀測資料造成干擾。此種影響多造成觀測曲線起毛、變粗或出現(xiàn)鋸齒狀。在銀川臺DSQ水管儀的日常觀測中，自然環(huán)境影響的主要因素是風擾。本文統(tǒng)計了23例受自然環(huán)境影響的事件，只有1例為降雨干擾，其他均為刮風干擾。風擾幾乎為全年干擾。影響時長從幾小時可達數十小時，數據的變化幅度一般在十幾個毫秒以上，對銀川臺的DSQ水管儀觀測數據的質量影響非常大。銀川臺DSQ水管儀受刮風干擾的影響如圖6所示。

圖6　銀川臺DSQ水管儀受刮風干擾的影響時長與變化幅度關系Fig.6　 he relationship between the influence length and the change amplitude of the DSQ water pipe is influenced by the wind in Yinchuan station

銀川臺DSQ水管儀2017年3月23日06：30至16：50數據受刮風干擾，風力約4級，受干擾曲線呈毛刺狀，南北向最大變化幅度為1.96（ms），東西向最大變化幅度為2.02（ms），其他時段數據曲線變化正常。刮風因素影響產生的干擾如圖6所示。

圖7　受刮風因素影響產生的干擾Fig.7　 The influence of wind-blowing factors

2.2.2場地環(huán)境影響分析

本文共統(tǒng)計了15個受場地環(huán)境影響的事件，場地環(huán)境影響的主要因素是抽水。距離觀測山洞約150米處有一機井，每日08時至18時，間歇性抽水，對數據造成固體潮畸變，北南向受干擾小，東西向受干擾較大。除每日固體潮發(fā)生畸變外，抽水時段北南向趨勢向上，東西向趨勢向下。該抽水機井為當地生活、灌溉生產用水井，與用水方多次溝通無果。抽水事件繼續(xù)持續(xù)，無后續(xù)正常背景時間。本文統(tǒng)計了抽水干擾的影響時長與變化幅度的關系，經計算兩者的相關系數為R=0.923566，影響時長與變化幅度有很好的相關性，基本呈正相關，再次證明了抽水對水管儀觀測的影響。銀川臺DSQ水管儀受抽水干擾的影響時長與變化幅度的關系如圖8所示。

圖8　銀川臺DSQ水管儀受抽水干擾的影響時長與變化幅度的關系Fig.8　 The relationship between the duration and range of the pumping interference of the DSQ water pipe in Yinchuan Seismic Station

銀川小口子（64002）DSQ水管儀（6）2016年10月16日至10月29日，東西分量數據受距離觀測點150米機井抽水干擾，抽水對數據造成固體潮畸形，抽水時段最大變化幅度約為266.16ms。該抽水機井為當地生活生產用水井，規(guī)律為長期間斷性抽水，與當地管理部門多次溝通無果。 北南分量數據變化正常，未受到明顯干擾， 最大變化幅度79.74ms。

圖9　受抽水因素影響產生的干擾Fig.9　 The influence of pumping factors

2.2.3人為干擾影響分析

本文共統(tǒng)計人為干擾事件47例，主要是儀器標定、調零或在日常觀測中，人員進洞對儀器進行檢修、維護或架設新儀器時造成的干擾，此種影響會造成觀測曲線呈尖峰突跳、缺數、臺階和毛刺。水管儀受人為干擾的影響時長以20分鐘為隔斷進行統(tǒng)計，得出：人為干擾影響銀川臺DSQ水管儀觀測的時間一般為40分鐘以下，主要因素為儀器標定、調零或檢修；影響時間超過100分鐘以上的，主要因素是架設新儀器或者更換故障儀器元器件。銀川臺DSQ水管儀受人為干擾影響時長統(tǒng)計如圖10所示。

圖10　銀川臺DSQ水管儀受人為干擾影響時長統(tǒng)計Fig.10　 The time statistics of the influence of human disturbance on the DSQ water pipe instrument of Yinchuan Seismic Station

（1）人為進洞干擾

人為進洞開門時形成了空氣對流，人進入洞室后，由于人體溫通常高于洞室溫度，因而會很快產生熱擴散，隨著進洞時間增長，溫度亦逐漸升高，空氣對流也加快，從而影響到儀器各部分和基墩的不均勻變形[2]。銀川臺DSQ水管儀2017年7月20日15:17至17:58，因中國科學院測量與地球物理研究所來臺進行絕對重力測量，進入山洞架設儀器，進洞期間對水管儀造成干擾，觀測曲線出現(xiàn)大幅度脈動現(xiàn)象，作缺數處理。人為進洞因素影響產生的干擾如圖11所示。

圖11　人為進洞影響產生的干擾Fig.11　 Interference caused by artificial entrance

（2）儀器調零

2016年12月4日12：13至12：41對銀川臺DSQ水管儀北南向和東西向進行加水調零，造成此時段內觀測數據北南向和東西向受到影響，出現(xiàn)錯誤數據以及臺階，按缺數和臺階處理，北南向變化幅度為147（ms），東西向變化幅度為420（ms）。儀器調零因素影響產生的干擾如圖12所示。

圖12　儀器調零影響產生的干擾Fig.12　 The interference caused by zero influence of instrument

（3）儀器標定

銀川臺DSQ水管儀2017年6月29日15：45至17：46，對水管儀進行了兩次標定，第二次標定結果合格。干擾數據呈毛刺和臺階狀，用缺數和臺階方法處理；最大變化幅度約為9.85（ms）。儀器標定因素影響產生的干擾如圖13所示。

圖13　儀器標定影響產生的干擾Fig.13　 The interference caused by the calibration of the instrument

3　結論

通過對銀川臺DSQ水管儀兩年的觀測數據進行初步分析，認為水管儀可以清晰的記錄到固體潮的變化與地震，儀器在日常觀測中受自然環(huán)境、場地環(huán)境與人為干擾的影響較多，平時應做好防范和消除工作。對于自然環(huán)境的影響在觀測中我們無法避免，所以在日常值班中應多注意天氣的變化，收集氣象三要素，做好值班記錄，加強對自然環(huán)境干擾的各種因素進行特征總結，可以為觀測數據的跟蹤分析提供依據。對于人為干擾，應盡可能做到對儀器故障的快速和準確的處理，盡可能縮短人為干擾時間，平時應加強對儀器的維護，多總結儀器多發(fā)故障的解決辦法。在今后的日常觀測中，我們要不斷積累經驗，總結出典型干擾的特點，捕捉地殼內真實的異常變化信息，提高地震預報資料的準確度。

參考文獻:

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