遼陽石洞溝水管傾斜短期異常分析

翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，邵媛媛，騰 藤

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

傾斜類儀器一直以來具有較高的觀測精度和穩(wěn)定性，震前的異常形態(tài)變化能清晰的反映出地球固體潮汐、地殼巖性參數(shù)變化的信息[1-2]，并幫助我們認(rèn)清應(yīng)力變化以及相關(guān)地殼形變之間的關(guān)系[3]。但是觀測資料會受到一些外界因素的影響①遼寧省地震局監(jiān)測處.地震觀測資料評比辦法及管理細(xì)則匯編.沈陽：遼寧省地震局，2012.，如氣溫、濕度、氣壓、降雨等，使得觀測資料出現(xiàn)不同程度的異常變化，影響機(jī)理復(fù)雜，這在地震預(yù)報實踐中，如何提取較為可靠的前兆異常信息是非常重要的。

遼陽地震臺石洞溝DSQ型水管儀為“十五”項目新入網(wǎng)廣測儀器，自2014年正式運(yùn)行起，該臺儀器運(yùn)行狀態(tài)良好，多年觀測資料連續(xù)穩(wěn)定可靠。其測線分鐘值變化曲線存在明顯年變，每年9—10月達(dá)到最大值后出現(xiàn)N傾轉(zhuǎn)向S傾，次年4—5月達(dá)到最低值后開始S傾轉(zhuǎn)向N傾。2017年2月19日以來NS分量開始出現(xiàn)N傾短期加速、EW分量自2017年3月27日出現(xiàn)E傾短期加速、NE分量自2017年4月5日開始出現(xiàn)E傾短期加速變化。異常出現(xiàn)后對觀測各個環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查分析認(rèn)為：NS分量N傾加速是更換防雷器造成，EW和NE分量加速變化為前兆異常，但由于該儀器受標(biāo)定和底腳螺絲生銹，導(dǎo)致異常信度較低，后續(xù)密切關(guān)注該異常變化情況（圖1）。本文針對遼陽石洞溝地震臺DSQ型水管傾斜儀在2017年2月以來出現(xiàn)的短期異常變化，根據(jù)《形變學(xué)科觀測資料異常變化現(xiàn)場核實工作報告編寫要求（試行）》準(zhǔn)則對此次異常變化進(jìn)行了分析研究[4-5]。

圖1 遼陽石洞溝DSQ水管傾斜整點值異常曲線圖Fig.1 Liaoyang Shidonggou DSQ water tube tiltmeter hour value anomaly curve

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及歷史地震概況

遼陽石洞溝地震臺位于2013年新建山洞，處于華北地臺東部，遼東隆起次一級構(gòu)造單元太子河凹陷之西段，距離太子河斷裂約5.8km。臺基巖性為寒武系下統(tǒng)灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，較破碎，風(fēng)化剝蝕較強(qiáng)[7]，山上巖石出露較好，附近主要斷裂有太子河斷裂及哨子河斷裂，水文地質(zhì)為含水性極弱的孔隙含水層（圖2）。

圖2 遼陽石洞溝地震臺地理位置圖Fig.2 Geographic location of Liaoyang Shidonggou Seismic Station

遼陽地區(qū)有記錄以來發(fā)生的最大震級地震為2013年1月23日遼陽燈塔M5.1地震，震前無明顯異常變化；此外有記錄以來1974年12月22日葠窩水庫發(fā)生過ML5.2地震。

2 DSQ水管傾斜觀測情況簡介

遼陽石洞溝山洞位于遼陽市龍石公路西側(cè)的森林公園山體上，距龍石公路僅50m左右。洞址區(qū)所在的山林，走向近于南北向，山體大部分被植被覆蓋，山洞兩端地勢起伏較大，呈西高東低之勢。洞口處最低，地面高程約為80m；觀測洞的東西分量西端處最高，地面高程約130m，相對高差約70m，洞址區(qū)及附近無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)體，且無活動的斷裂構(gòu)造，具有較好的場地穩(wěn)定性。石洞溝地震臺DSQ型水管儀為“十五”項目新入網(wǎng)廣測儀器，自2014年正式運(yùn)行起，運(yùn)行狀況良好，連續(xù)率、運(yùn)行率、內(nèi)精度均達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，無測點變更和儀器變更情況。

遼陽石洞溝地震臺站地形變觀測項目有DSQ型水管傾斜儀和SS-Y型銦瓦棒伸縮儀。DSQ型水管傾斜儀能清晰記錄固體潮汐變化。

表1 傾斜觀測環(huán)境基本情況

表2 數(shù)字形變儀器觀測資料基本情況

3 異常分析

分析遼陽石洞溝DSQ型水管傾斜NS分量自2017年2月19日以來N傾短期加速、EW分量自2017年3月27日前后E傾短期加速和NE分量自2017年4月5日前后開始E傾短期加速這三項短期異常，主要從儀器工作狀態(tài)、降雨、周邊觀測條件改變和孕震機(jī)理等方面進(jìn)行了分析研究（圖1）。

3.1 水管傾斜儀工作狀態(tài)及周邊環(huán)境檢查

對DSQ水管儀器的觀測日志、工作報告和標(biāo)定記錄，儀器的主機(jī)、傳感器、通信系統(tǒng)、供電線路、UPS、避雷設(shè)施等進(jìn)行了檢查，信號電壓與工作電壓均正常；仔細(xì)檢查儀器墩柱發(fā)現(xiàn)腳底螺絲有生銹現(xiàn)象，且銹蝕點比較多，一端三個螺絲至少會有一個生銹較為嚴(yán)重；儀器水管內(nèi)水質(zhì)清澈，無渾濁，無漏水現(xiàn)象。

形變山洞的儀器墩基周邊自然干擾源主要是雷電引起的波動干擾，但此種干擾不會產(chǎn)生斷記。全年主要人為干擾是儀器調(diào)零、儀器維修、標(biāo)定系統(tǒng)維修等原因造成的，為了分析預(yù)報應(yīng)用，對人為嚴(yán)重干擾時段的觀測記錄做缺數(shù)處理。

對DSQ儀器的觀測日志、工作報告和標(biāo)定記錄，儀器的主機(jī)、傳感器、通信系統(tǒng)、供電線路、UPS、避雷設(shè)施等進(jìn)行了檢查，信號電壓與工作電壓均正常；儀器洞室干燥無積水，同洞室儀器工作正常；經(jīng)現(xiàn)場勘查遼陽石洞溝地震臺形變洞室儀器供電系統(tǒng)正常，數(shù)據(jù)、主機(jī)外觀線路系統(tǒng)外觀工作正常；主機(jī)箱信號線接頭無氧化現(xiàn)象；常年維護(hù)、標(biāo)定、大震靠擺等技術(shù)保障正常，儀器穩(wěn)定可靠。

對DSQ水管儀的密封板、保溫板、砵體、水管水質(zhì)等進(jìn)行檢查，檢查后儀器工作槽保溫性能封閉良好。砵體為不銹鋼材質(zhì)，砵體表面無銹跡現(xiàn)象；簧片檢查，完好無腐蝕銹跡；膠皮管呈乳白色，紋理清晰未見老化現(xiàn)象；水管內(nèi)水質(zhì)很清，無渾濁、漏水現(xiàn)象。

對周邊觀測環(huán)境干擾情況進(jìn)行調(diào)查，DSQ型水管傾斜儀器洞室內(nèi)干燥，未有滲水現(xiàn)象出現(xiàn)。洞室密閉性良好，無風(fēng)和異味，說明洞外與洞室內(nèi)空氣為不流通狀態(tài)。對遼陽石洞溝臺山洞外觀測環(huán)境進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)在山洞對面是鄉(xiāng)間小路平日里行人很少，且路邊為荒蕪很久的平地及山林，無人為干擾和環(huán)境變化影響。

為了對儀器穩(wěn)定性進(jìn)行分析，筆者對儀器本體進(jìn)行檢查，并通過儀器標(biāo)定檢查、原始曲線分析、固體潮汐分析、數(shù)字濾波分析及與其他儀器對比分析結(jié)果進(jìn)一步確定其觀測穩(wěn)定性和可靠性。

通過對儀器本體進(jìn)行檢查及查閱監(jiān)測志發(fā)現(xiàn)，在2017年6月3日拆除避雷器，儀器的腳底螺絲生銹較為嚴(yán)重，共計6端，每端3個墊片，其中生銹最為嚴(yán)重的三端NS分量的N端、EW分量的W端和NE分量的N端，共計9個腳底墊片出現(xiàn)生銹情況，對儀器觀測數(shù)據(jù)可能造成一定的影響。

儀器標(biāo)定工作是為了檢驗儀器工作穩(wěn)定性，并校準(zhǔn)格值，因此，標(biāo)定工作的質(zhì)量能夠很好的反映儀器穩(wěn)定性和可靠性。筆者對最近一期的標(biāo)定情況進(jìn)行進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示NS分量和EW分量標(biāo)定正常、格值穩(wěn)定（表3）。

3.2 氣象因素調(diào)查

遼陽石洞溝DSQ水管傾斜儀NS向受降雨影響較為顯著（圖3）。我們收集遼陽石洞溝地震臺降雨資料，選取2014年以來降雨數(shù)據(jù)并與該儀器進(jìn)行對比。據(jù)臺站收集資料：每年5—6月為降雨旺季。其中北南向受降雨影響明顯，表現(xiàn)為毛刺，但并不會影響其總體形態(tài)，東西向受降雨影響不明顯。且2016年11月和12月初并無大規(guī)模降雨和降雪，2017年年初1月和2月，該時段天氣較干燥無明顯降雪，因此可排除氣象干擾因素。檢查歷年來洞室溫度資料分析，洞室溫度變化一直非常穩(wěn)定（圖4），認(rèn)為該異常情況與洞室沒有直接關(guān)系。

表3 DSQ型水管傾斜儀格值標(biāo)定表（2016年6月28日）

3.3 固體潮汐分析

固體潮潮汐因子是表征觀測場地的介質(zhì)彈性參數(shù)，其變化反映地殼介質(zhì)的物性變化[8]。潮汐因子分析計算方法的物理意義清晰，異常容易識別，是當(dāng)前形變預(yù)報領(lǐng)域中的重要方法[9、10]。應(yīng)用Mapsis軟件對DSQ水管傾斜整點值數(shù)據(jù)進(jìn)行Nakai擬合檢驗、潮汐變化分析、去潮汐零漂分析等計算，結(jié)果顯示SQ-70石英擺整點值原始曲線能夠記錄清晰的固體潮汐曲線，具有很好的固體潮曲線一致性，表明儀器觀測是真實、有效、穩(wěn)定的（圖5）。DSQ水管傾斜整點值原始曲線能夠記錄清晰的固體潮汐曲線，表明儀器觀測是真實、有效、穩(wěn)定的。

圖3 遼陽石洞溝地震臺DSQ水管傾斜儀與降雨對比曲線Fig.3 Comparison of horizontal and rainfall

圖4 遼陽石洞溝地震臺洞室溫度曲線Fig.4 Temperature curve of the tunnel in Liaoyang Shidonggou

圖5 遼陽地震臺DSQ水管儀固體潮汐對比Fig. 5 theoretical solid tidal contrast

圖6 遼陽石洞溝DSQ型水管傾斜NS向、EW向和NE向數(shù)據(jù)濾波和周期分析Fig. 6 The NS、EW and NE of DSQ data filtering and period analysis

3.4 數(shù)字濾波處理和周期分析

利用三點線性平滑濾對DSQ水管傾斜 NS向、EW向和NE向進(jìn)行分析，提取長趨勢周期和年變周期變化（圖6）。

采用三點線性平滑濾波的數(shù)學(xué)模型如下：

應(yīng)用平滑濾波方法提取趨勢項和周期項分析異常趨勢變化特征和年變周期變化特征[10-13]，由于該儀器為2014年新上儀器，時間較短，三個測向的年周期變化均不明顯，并在2016年前后具有同步的年變幅度變化特征；儀器NS、EW向均在2016年前后出現(xiàn)準(zhǔn)同步趨勢轉(zhuǎn)向變化，而NE向的年變幅較前兩測向較為清晰。分析結(jié)果表明，DSQ型水管傾斜儀NS、EW向兩個方向觀測結(jié)果具有很好的一致性，EW向自2010年存在W傾趨勢變化，且2014年以來EW向年變基本一致[11-12]。

應(yīng)用平滑濾波方法提取趨勢項和周期項分析異常趨勢變化特征和年變周期變化特征，該儀器三個分量在2017年4月份后年變均出現(xiàn)年變幅度增大變化（圖7）。

3.5 儀器對比分析

遼陽石洞溝地震臺洞體應(yīng)變觀測，自2014年10月正式運(yùn)行以來觀測穩(wěn)定，主要受降雨影響明顯。從觀測曲線形態(tài)看，2014年10月以來洞體應(yīng)變NS向、EW向和NE向目前均處于儀器穩(wěn)定狀態(tài)，逐漸出現(xiàn)年變化趨勢，且均受到明顯的降雨干擾，表現(xiàn)為小幅臺階變化（圖7）。

圖7 遼陽石洞溝地震臺洞體應(yīng)變觀測曲線Fig. 7 Curves of cave deforation observaion

通過儀器標(biāo)定檢查、原始曲線分析、固體潮汐分析、數(shù)字濾波周期分析儀器正常，及與其他儀器對比分析結(jié)果表明，儀器主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、避雷器均工作狀態(tài)良好，該項異常不能排除為前兆異常，但儀器腳底螺絲上銹嚴(yán)重，對觀測有一定影響，因此該異常信度較低。

4 結(jié)論與討論

水管傾斜儀測量的是水平面與地殼表面之間的夾角變化量，其原理為連通管內(nèi)水平面保持自然水平狀態(tài)[12]。水管傾斜的測量結(jié)果與地震的孕育與發(fā)生有著密切的相關(guān)性，一直以來都具有極好的映震效果。但是由于傾斜觀測都是在山洞中，很容易受到外界環(huán)境的干擾影響，儀器本身故障問題也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的大幅波動變化情況出現(xiàn)[13]。

遼陽石洞溝地震臺DSQ型水管傾斜儀NS分量自2017年2月19日以來N傾短期加速、EW分量E傾短期加速和NE分量E傾短期加速這三項異常變化排除人為干擾、降雨干擾、儀器主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、避雷器等問題，經(jīng)現(xiàn)場異常核實認(rèn)為，NS分量N傾加速是更換防雷器造成，EW和NE分量加速變化可能受儀器標(biāo)定和底腳螺絲生銹影響，該異常信度低，但2017年5月份開始，距遼陽臺20km左右的燈塔余震區(qū)小震活躍，因此仍需密切關(guān)注遼陽石洞溝水管EW和NE分量的變化。

在以后繼續(xù)對遼陽石洞溝地震臺目前使用的DSQ水管傾斜儀進(jìn)行實驗性分析，檢測分析儀器工作狀態(tài)的改變可能引起的變化；建議儀器生產(chǎn)廠家在有條件的情況下參與重大異常的落實，既可以對儀器老化進(jìn)行有效的分辨，又能對之后的儀器維修提出有效的建議；針對水管傾斜底角螺絲生銹現(xiàn)象對儀器影響的處理應(yīng)該謹(jǐn)慎，并根據(jù)具體情況進(jìn)行分析后再進(jìn)行相應(yīng)的儀器調(diào)整工作。