垂直擺傾斜儀干擾原因分析

垂直擺傾斜儀干擾原因分析

鄭永通，張華，楊佩琴，劉其壽，張年明，鄭建志，李遠(yuǎn)興
（福建省地震局龍巖地震臺(tái)，福建龍巖364000）

針對(duì)垂直擺傾斜儀在日常觀測(cè)中受到的一些干擾因素進(jìn)行分析。著重探討了覆蓋層地形、地下介質(zhì)、雨水入滲等幾個(gè)方面對(duì)垂直擺傾斜儀觀測(cè)值的影響，同時(shí)排除雷電、氣壓、人為等引起的干擾因素，提高垂直擺傾斜儀觀測(cè)資料的可信度和可用度。

垂直擺傾斜儀；干擾因素；龍巖臺(tái)

鄭永通，張華，楊佩琴，等.垂直擺傾斜儀干擾原因分析[J].華南地震，2015，35（2）：100-105.ZHENG Yongtong，ZHANG Hua，YANG Peiqin，etal.Interference Cause Analysis of Vertical Pendulum Tiltmeter[J].South china journal of seismology，2015，35（2）：100-105.]

0　引言

垂直擺傾斜儀用于測(cè)量地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)引起的地面傾斜變化，該儀器的靈敏度為0.001″，能精確測(cè)量出地面傾斜的微小變化，具有較高的觀測(cè)精度和穩(wěn)定性，是進(jìn)行地震前兆觀測(cè)的重要手段之一。經(jīng)過多年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該儀器經(jīng)常受一些干擾影響，有人為因素引起的，有儀器本身因素引起的，還有天氣因素等等，這些干擾因素影響觀測(cè)曲線形態(tài)，對(duì)分析處理資料帶來不便。本文選取龍巖臺(tái)的垂直擺傾斜儀觀測(cè)資料，針對(duì)垂直擺傾斜儀在日常觀測(cè)中出現(xiàn)的一些常見干擾因素進(jìn)行分析，有助于進(jìn)一步提高分辨干擾的能力，提高日常分析和處理資料的水平。

1　概況

龍巖臺(tái)位于龍巖市新羅城區(qū)北郊虎頭山的西側(cè)半山坡上，地勢(shì)東高西低，山體南高北低。臺(tái)站東邊有一斷層，斷層呈北北東走向，傾角80°，西邊為第四系覆蓋層，基巖為石英砂巖。2004年2月，經(jīng)“九五”數(shù)字化改造，龍巖臺(tái)安裝了VS型垂直擺傾斜儀，該傾斜儀安裝在臺(tái)站東側(cè)的山洞內(nèi)（原SQ-70型石英水平擺傾斜儀的儀器墩上），山洞全長(zhǎng)約95 m，洞內(nèi)平均溫度為19.8℃，年溫差小于0.2℃。

2　氣象干擾

2．1降雨干擾

在洞室形變觀測(cè)中，氣壓、降雨、氣溫、濕度、大風(fēng)、雷電等氣象因素的變化是導(dǎo)致觀測(cè)資料出現(xiàn)異常變化的主要原因[1]。在垂直擺傾斜儀觀測(cè)中，降雨干擾則是最明顯的影響因素之一。根據(jù)地傾斜觀測(cè)受降雨干擾影響明顯的情況，龍巖臺(tái)于1990年10月安裝了雨量觀測(cè)儀，通過記錄每日蒸發(fā)量和降雨量，求出每日降雨累積值，根據(jù)累積值，尋求垂直擺傾斜儀觀測(cè)資料與降雨累積值之間的相關(guān)性。

2.1.1降雨干擾分析

圖1　 2010年5月至7月龍巖臺(tái)垂直擺傾斜儀EW、NS與降雨量曲線圖Fig.1 Graph of EW，NS components of vertical pendulum tiltmeter in Longyan station and rainfall from May to July in 2010

龍巖臺(tái)垂直擺傾斜儀降雨后主要表現(xiàn)為EW分量東傾，NS分量南傾（圖1）。劉其壽等認(rèn)為：當(dāng)降雨時(shí)，雨水滲入到山體巖石的裂縫或土層并加載到山體中，使地面發(fā)生傾斜，由于臺(tái)站地勢(shì)東高西低，山體南高北低，降雨后東側(cè)和南側(cè)山體較重，因此降雨時(shí)表現(xiàn)為向東傾和向南傾[2]。形變觀測(cè)對(duì)降雨，尤其是暴雨響應(yīng)靈敏，當(dāng)連續(xù)降雨量超過趨動(dòng)降雨量時(shí)，形變觀測(cè)受降雨干擾變化就會(huì)同步表現(xiàn)出來。雨季初期，地下介質(zhì)干燥松軟，雨水的滲入改變了介質(zhì)的密度，引起局部區(qū)域加速變形[3]。降雨對(duì)垂直擺傾斜儀的影響主要與洞室基巖條件有關(guān)，由于雨水的滲入，造成地表傾斜和伸縮變化，其變化量因降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間等不同而不同[1]。巖石不規(guī)則的裂隙經(jīng)過雨水滲透后，體積發(fā)生膨脹，孔隙壓力改變，使巖石產(chǎn)生不均勻變形，由于水體存在，負(fù)荷增加，造成傾斜[4]。根據(jù)以上幾點(diǎn)，筆者認(rèn)為：在雨水滲入到儀器房周圍的基巖后，也會(huì)對(duì)垂直擺傾斜儀觀測(cè)產(chǎn)生影響。主要原因：一方面由于龍巖臺(tái)基巖為石英砂巖，砂巖的表面孔隙較多，孔徑大小不一，且砂巖滲水性較強(qiáng)，雨水入滲速度較快，雨水滲入山體基巖的裂縫，使基巖的密度與體積發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石發(fā)生微小變形，由于儀器墩與基巖相連，基巖的微小傾變必然使垂直擺傾斜儀觀測(cè)值發(fā)生變化。另一方面，儀器室所處地勢(shì)東高西低，降雨后西側(cè)的水更容易滲透到基巖中，使巖石體積發(fā)生膨漲、變形，故降雨時(shí)東西向東傾。同樣，山體南高北低使得降雨時(shí)北面的水更易滲透到巖石中，使得降雨時(shí)南北向南傾，這與降雨后反映出來的傾變方向一致。由于東西高差明顯，坡度接近45°，而南北相對(duì)平緩得多，下雨時(shí)滲入地表下的水量比較均衡，差別較小，因此降雨時(shí)NS向雖然往南傾，但變化幅度明顯比EW向小得多[5-6]。

綜上所述，雨季初期主要是以雨水滲入到石英砂巖上的覆蓋層影響為主，當(dāng)雨水滲入到石英砂巖后則為覆蓋層與石英砂巖兩個(gè)影響因素之疊加結(jié)果，因此，當(dāng)持續(xù)降雨達(dá)到一定量后，即使雨停了，NS向或EW向的變化幅度仍然存在幾天較明顯的變化。

2.1.2降雨因素影響傾變速度

持續(xù)突降大雨后，由于雨水不斷滲入到地表下，逐步滲透到山洞內(nèi)垂直擺傾斜儀的主墩和過渡墩處及其附近，增加了巖石孔隙中的水分，降低了巖石的抗壓強(qiáng)度和屈服力，進(jìn)而導(dǎo)致巖石壓力和應(yīng)變的變化，引起測(cè)值短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大幅度的加速變化，這種變化極易使曲線超限（超過儀器測(cè)量范圍）。2010年6月龍巖地區(qū)降雨量達(dá)510.3 mm（臺(tái)站雨量觀測(cè)儀測(cè)值），為近年來降雨量較多的月份，尤其是6月14日至17日，日均降雨量達(dá)70.8mm，強(qiáng)降雨使垂直擺傾斜儀觀測(cè)值發(fā)生快速變化，受降雨影響，2010年6月19日12時(shí)起NS向曲線出現(xiàn)限幅（圖2）。

圖2　降雨使曲線超限Fig.2 Curve overrun caused by rain

2.1.3降雨因素引起基墩不穩(wěn)

持續(xù)降雨后，曲線出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。圖3是2007年4至5月降雨量直方圖和2007年5月25至28日NS向分鐘值曲線圖，受持續(xù)降雨影響，曲線出現(xiàn)許多毛刺現(xiàn)象。

圖3　降雨引起曲線畸變Fig.3 Curve distortion caused by rainfall

持續(xù)降雨后引起曲線毛刺的原因是由于儀器的基墩建在石英砂巖上，雨水不斷滲透到砂巖裂隙，使砂巖體積發(fā)生微小膨漲、變形，這種微小變化使得基墩很不穩(wěn)定，在記錄曲線上則表現(xiàn)為毛刺，當(dāng)降雨停止后，砂巖中的水份不斷流失，曲線也將逐步恢復(fù)至正常狀態(tài)。

2.2雷電干擾

夏季是雷雨多發(fā)季節(jié)，打雷時(shí)在雷電感應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬間電磁場(chǎng)，這種強(qiáng)大的感應(yīng)磁場(chǎng)，可在地面金屬網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，高強(qiáng)度的感應(yīng)電荷在這些金屬網(wǎng)絡(luò)中會(huì)形成強(qiáng)大的瞬間高壓電場(chǎng)，從而形成對(duì)用電設(shè)備的高壓弧光放電，最終會(huì)導(dǎo)致弱電設(shè)備如傳感器、前置放大器等失靈甚至損毀，曲線則發(fā)生畸變或記錄中斷等現(xiàn)象。圖4是龍巖臺(tái)2014年7月28日受雷電干擾的分鐘值圖，圖中曲線發(fā)生畸變部分即因儀器傳感器或前置放大器出現(xiàn)短暫失靈造成；圖5是2014年9月10日受強(qiáng)雷電影響，導(dǎo)致垂直擺儀器放大板上的7650芯片被雷擊壞而斷記，更換芯片后，儀器恢復(fù)正常工作。雷電干擾解決方法，可在市電接入儀器設(shè)備前端裝一避雷裝置，并將雷電產(chǎn)生的過電壓通過避雷裝置引入地網(wǎng)。

圖4　雷電引起曲線畸變Fig.4 Curve distortion caused by lightning interference

圖5　雷電損壞儀器設(shè)備Fig.5 Equipment damaged by lightning

2.3氣壓干擾

氣壓干擾主要以短周期微動(dòng)態(tài)干擾導(dǎo)致固體潮畸變?yōu)橹鳎挥挟?dāng)氣壓出現(xiàn)短周期劇烈變化時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致垂直擺傾斜儀觀測(cè)出現(xiàn)較明顯的固體潮畸變[1]，說明氣壓對(duì)垂直擺傾斜儀的影響主要是由于大氣負(fù)載作用于地表引起的變化。

分析龍巖臺(tái)2013年3月28日的資料，有二處氣壓發(fā)生明顯短周期劇烈變化（圖6），導(dǎo)致NS向和EW向在同一時(shí)段內(nèi)受到不同程度影響，氣壓變化與垂直擺傾斜儀NS向呈正相關(guān)，與EW向呈負(fù)相關(guān)。

圖6　氣壓影響曲線形態(tài)Fig.6 Curve shape affected by pressure

氣壓引起的變化屬局部范圍變化，從南平臺(tái)同一天的資料來看，由于氣壓沒有發(fā)生短周期劇烈變化，因此，分鐘值曲線未受到影響。

3　儀器底腳螺絲受潮生銹引起的干擾

龍巖臺(tái)垂直擺傾斜儀放置在臺(tái)站東側(cè)的山洞內(nèi)，離洞口約90 m，洞內(nèi)濕度較高，儀器底腳螺絲容易受潮銹蝕，造成儀器與墩面接觸不夠緊密，底腳螺絲銹蝕過程也會(huì)產(chǎn)生傾變干擾等不穩(wěn)定因素，影響記錄曲形形態(tài)。如2013年3月19日EW向分鐘值曲線（圖7）7時(shí)前出現(xiàn)三處曲線畸變即為此干擾影響。解決方法：首先將垂直擺傾斜儀對(duì)應(yīng)本體（NS向或EW向）底腳螺絲用吹風(fēng)機(jī)干燥，然后再用手加力按壓該底座，使底腳螺絲與臺(tái)面接觸充分，經(jīng)處理后，曲線形態(tài)將恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖7　儀器底腳螺絲生銹引起曲線畸變Fig.7 Curve distortion caused by foot screws rusting of instrument

4　人為干擾

2013年3月29日，為完善儀器基礎(chǔ)信息的需要，人員進(jìn)洞拍攝儀器照片。圖8中，曲線NS向和EW向均出現(xiàn)了明顯的干擾，這種干擾的原因主要有兩個(gè)：一是氣流干擾，由于人的體溫與洞溫之間存在溫差，通過空氣傳播熱量形成對(duì)流，從而影響擺體；二是氣溫干擾，室內(nèi)溫度的升高，也會(huì)影響儀器本體以及基墩的微小變形。

圖8　人為因素干擾Fig.8 Man-made interference

2012年11月04日對(duì)NS向進(jìn)行了調(diào)零（圖8），垂直擺傾斜儀EW向受NS向調(diào)零影響，也出現(xiàn)了比較明顯的干擾，產(chǎn)生干擾的原因與人員進(jìn)洞產(chǎn)生的干擾原因相同。

5　結(jié)語

（1）垂直擺傾斜儀受降雨干擾嚴(yán)重是因覆蓋層地形，地下地質(zhì)條件，雨水入滲等多方面因素共同影響的結(jié)果。

（2）降雨影響垂直擺傾斜儀觀測(cè)結(jié)果，在利用垂直擺傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)報(bào)時(shí)，要考慮如何排除降雨干擾。

（3）由于垂直擺傾斜儀放置在潮濕的山洞內(nèi)，導(dǎo)致儀器底座受潮生銹產(chǎn)生不穩(wěn)定因素，因此，山洞要盡可能考慮如何去除潮濕問題。

（4）氣壓、基墩不穩(wěn)以及儀器底座生銹等引起的干擾如未影響固體潮形態(tài)可忽略不計(jì)，而限幅、雷電干擾和人為干擾等則必須進(jìn)行缺數(shù)和臺(tái)階處理。

[1]趙小賀．洞體形變數(shù)字化觀測(cè)干擾分析[J]．地震地磁觀測(cè)與研究，2009，30（4）：55-62．

[2]劉其壽，楊佩琴，王紹然，等．龍巖地震臺(tái)地傾斜資料干擾因素分析[J]．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30（增刊）：91-95．

[3]汪翠枝，張磊，劉雙慶，等．定點(diǎn)形變觀測(cè)的降雨干擾及排除方法研究[J].華北地震科學(xué)，2010，28（1）：42-46．

[4]黃曉華，陳智勇，林立峰，等．?dāng)?shù)字化形變觀測(cè)典型曲線畸變分類與說明[J].華南地震，2008，28（4）：142-148．

[5]張?；郏螘员?，李海孝，等．懷來地震臺(tái)VS垂直擺傾斜儀特異圖像淺析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2007，28（4）：97-100．

[6]樊冬，吳坤，李驚生，等.密封措施對(duì)降低洞體形變觀測(cè)氣象類因素干擾的效果與分析[J].華南地震，2014，34（3）：69-75.

Interference Cause Analysis of Vertical Pendulum Tiltmeter

ZHENG Yongtong，ZHANG Hua，YANG Peiqin，LIU Qishou，ZHANG Nianming，ZHENG Jianzhi，LIYuanxing
（Longyan Seismostation，Earthquake Administration of Fujian Province，Longyan 364000，China）

This paper analyzes the interference factors of the vertical pendulum tiltmeter in daily observation. The paper especially explains the influence of several aspects，such as overburden terrain，underground medium,and rainwater infiltrating on vertical pendulum tiltmeter,meanwhile the paper analyzes the physical mechanism of interference caused by lightning,air pressure，human factors.Combining with the daily experience to solve the problem and dealwith the interference，the paper eliminates these interference as far as possible,so as to improve the credibility and availability of the vertical pendulum tiltmeter observations.

Vertical pendulum tiltmeter；Interference factor；Cause analysis

P315.62

A

1001-8662（2015）02-0100-06

10.13512/j.hndz.2015.02.016

2014-05-26

福建省地震局科研基金（SF201212）

鄭永通（1973－），男，工程師，主要從事地形變觀測(cè)與分析預(yù)報(bào)工作.

E-mail：zyt2215112@163.com.