依蘭地震臺(tái)新老洞體應(yīng)變儀比較研究

高宏巍，斯琴塔娜，邱鳳萍，孟祥龍，苑年軍

（黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090）

依蘭地震臺(tái)由于受到哈佳高鐵的影響，在依蘭縣松花江北岸煙筒山林場(chǎng)以南一公里新建觀測(cè)山洞，重新安裝了洞體應(yīng)變儀，并行觀測(cè)兩年，本文全面梳理和總結(jié)新老兩套儀器從觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量、同震效應(yīng)、降水、氣壓及主要干擾源等方面的異同點(diǎn)，并分析觀測(cè)資料質(zhì)量出現(xiàn)差異的可能原因。

1 依蘭地震臺(tái)區(qū)域地震地質(zhì)概況

依蘭地震臺(tái)北部是小興安嶺余脈，西南部為張廣才嶺余脈，松花江與牡丹江在依蘭縣西北角匯合，倭肯河在縣城東北角與松花江交會(huì)。伊舒斷裂帶與勃利神樹斷裂也在依蘭縣交會(huì)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是黑龍江省中小地震多發(fā)地區(qū)。

2 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境對(duì)比

依蘭臺(tái)形變觀測(cè)老山洞位于依蘭縣城東南郊，倭肯河流域，海拔約102 m，山洞進(jìn)深約97 m，洞頂覆蓋層厚35～50 m，洞體巖性為黑云母片麻巖（表1）。依蘭臺(tái)形變觀測(cè)新山洞位于依蘭縣松花江北岸，巴蘭河流域，海拔約120 m，山洞進(jìn)深約200 m，洞頂被覆厚度約為100 m，洞體巖性為花崗巖（表1）。依蘭臺(tái)新觀測(cè)山洞總長(zhǎng)、密封門數(shù)量均比老臺(tái)少。依蘭臺(tái)新老形變山洞DSQ 儀基線長(zhǎng)度不同（表1），其中：老臺(tái)NS 分量為21.56 m，EW 分量為21.76 m；新臺(tái)NS 分量為25.45 m，EW 分量為25.50 m。依蘭臺(tái)老山洞走向?yàn)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單的“┐”型，進(jìn)深短，抗外界干擾能力較弱；依蘭臺(tái)新山洞走向相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)槎嗉恿艘粋€(gè)斜邊，水管儀腔體布設(shè)像一個(gè)“U”型，NS、EW、NW 分量布設(shè)于山洞最里側(cè)，抗外界干擾能力較強(qiáng)。對(duì)比可知，依蘭臺(tái)新觀測(cè)山洞地質(zhì)和構(gòu)筑條件全面優(yōu)于老臺(tái)站。

表1 依蘭地震臺(tái)新老形變觀測(cè)山洞概況與SSY 洞體應(yīng)變儀基線長(zhǎng)度對(duì)比

3 資料內(nèi)在質(zhì)量對(duì)比分析

選取2020 年度依蘭臺(tái)新老洞體應(yīng)變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率、年變幅及年零漂等指標(biāo)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一般性評(píng)價(jià)，并以相對(duì)噪聲水平M1 和M2 波潮汐因子相對(duì)中誤差作為指標(biāo)，評(píng)價(jià)觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量。觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 依蘭臺(tái)2020 年度新老臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2 可知：（1）老臺(tái)因受觀測(cè)場(chǎng)地和儀器老化情況的共同影響，連續(xù)率和完整率均比新臺(tái)差很多，年變幅和年零漂均比新臺(tái)少；（2）新、老臺(tái)洞體應(yīng)變內(nèi)在質(zhì)量的指標(biāo)中，各個(gè)指標(biāo)參數(shù)相差不多，表明新、老臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量基本相同。由此可見，新臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)質(zhì)量要比老臺(tái)好一些。

以相對(duì)噪聲水平M1 和M2 波潮汐因子相對(duì)中誤差作為資料內(nèi)在質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，2020 年每月新、老洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制相對(duì)噪聲水平M1、M2 波潮汐因子相對(duì)中誤差對(duì)比曲線，如圖1 所示。因觀測(cè)山洞地質(zhì)特性的差異，新、老臺(tái)相對(duì)噪聲水平M1、M2 波潮汐因子中誤差均值和均方差存在顯著差異。

圖1 新、老臺(tái)洞體應(yīng)變潮汐因子中誤差曲線圖

4 同震效應(yīng)對(duì)比分析

新、老臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)均記錄到2020 年1 月29日在古巴南部某海域發(fā)生M7.7 地震，震源深度10 km，震中距12 070 km（圖2）。新臺(tái)洞體應(yīng)變北南向最大振幅：182.4×10-8角秒，東西向最大振幅：142.9×10-8角秒，持續(xù)時(shí)間：50 min；老臺(tái)洞體應(yīng)變北南向最大振幅：111.1×10-8角秒，東西向最大振幅：80.7×10-8角秒，持續(xù)時(shí)間：83 min?？梢钥闯觯豪吓_(tái)記錄的地震波形最大振幅比新臺(tái)大將近一倍，持續(xù)時(shí)間基本相同。可能是由于新臺(tái)臺(tái)基為花崗巖，老臺(tái)臺(tái)基為黑云母片麻巖，花崗巖比黑云母片麻巖造成的彈性形變大的原因造成（圖3）。

圖2 依蘭地震臺(tái)新、老臺(tái)洞體應(yīng)變記錄到2020 年1 月29 日在古巴南部某海域發(fā)生M7.7 地震

圖3 新、老臺(tái)洞體應(yīng)變記錄到2020 年1 月29 日在古巴南部某海域發(fā)生M7.7 地震（同軸曲線對(duì)比）

5 氣象資料對(duì)比分析

地震形變觀測(cè)資料包含大量氣象類因素的干擾信息，如氣壓、降雨、溫度、濕度等干擾，給地震形變觀測(cè)異常識(shí)別帶來困難，而洞體應(yīng)變觀測(cè)氣象干擾因素主要為氣溫和氣壓。

新、老臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)未受氣溫變化影響，夏季溫度高（圖4），冬季溫度低（圖5），新、老臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)變化正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

圖4 新、老臺(tái)洞體應(yīng)變與氣溫分鐘圖

圖5 新、老臺(tái)洞體應(yīng)變與氣溫分鐘圖

2020 年5 月31 日21 時(shí)-22 時(shí)氣壓出現(xiàn)劇烈波動(dòng)變化，造成老臺(tái)洞體應(yīng)變北南向和東西向觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)固體潮畸變（圖6），北南向最大變化幅度61.8×10-8角秒，東西向最大變化幅度51.8×10-8角秒。新臺(tái)洞體應(yīng)變數(shù)據(jù)北南向和東西向未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。氣象三要素儀器布設(shè)在老臺(tái)，距離新臺(tái)直線距離約30 km，可能新臺(tái)周邊的氣壓未發(fā)生劇烈波動(dòng)，因此新臺(tái)未受到氣壓干擾影響。

圖6 新、老臺(tái)洞體應(yīng)變與氣壓分鐘圖

2020 年8 月3 日22 時(shí)-23 時(shí)老臺(tái)記錄到降雨量2.9 mm，導(dǎo)致老臺(tái)洞體應(yīng)變北南向和東西向出現(xiàn)固體潮畸變（圖7），北南向最大幅度70.4×10-8角秒，東西向最大幅度48.2×10-8角秒。新臺(tái)洞體應(yīng)變北南向和東西向觀測(cè)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。此次降雨對(duì)老臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)造成的干擾較大，對(duì)新臺(tái)洞體應(yīng)變干擾較小。

6 主要干擾源對(duì)比分析

2020 年05 月02 日老臺(tái)洞體應(yīng)變受東側(cè)3 km 哈佳高鐵影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)固體潮畸變，表現(xiàn)為固體潮擾動(dòng)，北南向最大變化幅度67.9×10-8角秒，東西向最大變化幅度73.4×10-8角秒。哈佳高鐵位于新臺(tái)南側(cè)30 km，未受到哈佳高鐵干擾，觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄到良好的固體潮，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象（圖8）。

圖8 新、老臺(tái)洞體應(yīng)變受哈佳高鐵干擾圖

7 結(jié)論

前兆地震臺(tái)站防雷工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期而且重要的任務(wù)，在做好避雷地網(wǎng)以及四級(jí)避雷防護(hù)的同時(shí)，要定期檢查防雷系統(tǒng)，做好日常維護(hù)工作，做到有問題及時(shí)解決，盡量保持儀器系統(tǒng)運(yùn)行，保證產(chǎn)出的前兆資料真實(shí)、連續(xù)、可靠。通過對(duì)2020 年度依蘭地震臺(tái)新、老洞體應(yīng)變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論。

（1）觀測(cè)山洞進(jìn)深大，被覆厚，有助于減少外部環(huán)境干擾。

（2）洞體應(yīng)變裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離洞口，減少人為干擾和儀器故障，有助于提高觀測(cè)資料的連續(xù)率、完整率。

（3）哈佳高鐵干擾源對(duì)依蘭臺(tái)新、老臺(tái)址產(chǎn)生的影響存在差異，地處巴蘭河流域地區(qū)、巖性為花崗巖的新臺(tái)址，對(duì)比地處倭肯河為黑云母片麻巖的老臺(tái)址，所受影響基本為零。

總之，降水、氣壓因素在不同的地理、地貌、氣候環(huán)境下，對(duì)伸縮儀觀測(cè)的影響存在顯著差異。觀測(cè)山洞良好的地質(zhì)條件是伸縮儀觀測(cè)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，減少儀器故障，避免人為干擾，降低環(huán)境影響，提高儀器運(yùn)維能力，是保證觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量、長(zhǎng)期穩(wěn)定性的必要條件。