淮北臺伸縮應變儀NS分量趨勢轉折異常的調查與分析

尹傳兵 丁雨 李驚生 樊冬

摘 要：2016年4月淮北臺伸縮應變儀NS分量觀測數據出現趨勢轉折異常變化，按照異常核實工作方案，針對觀測系統工作狀態、觀測環境干擾源、氣象干擾因素等開展實地調查和數據分析。結果表明，伸縮應變趨勢轉折變化為非地震異常，主要原因是儀器標定裝置內存有異物而膨脹引起。

關鍵詞：伸縮應變 趨勢轉折 膨脹應變

中圖分類號：P31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（c）-0066-04

按照《地震前兆臺網觀測數據跟蹤分析工作約定》（中國地震局，2013）和《地震前兆臺網數據跟蹤分析技術規范——事件分析記錄》（國家地震前兆臺網中心，2014）等相關工作要求。2014年2月，地震臺站將前兆觀測數據跟蹤分析納入日常工作，促使臺站地震監測從觀測向觀測與應用并重轉變，推動臺站從單純監測向監測預報轉型，提升臺站對觀測數據的分析和挖掘能力，有效強化對不明原因異常數據的核實、跟蹤和研判能力，提高觀測數據應用產出水平。

2016年4月20日，淮北臺伸縮應變儀NS分量開始出現趨勢轉折異常變化，觀測點處于郯廬斷裂帶東側，同側已出現1項地震前兆形變異常并仍在持續，臺站緊鄰蘇魯皖交界地區多次被劃為全國地震重點危險區，因此異常現象備受關注。按照數據跟蹤分析工作要求，無論地震前兆異常還是系統故障、干擾影響，均須給出一個較為科學的判定結果。按照前兆觀測資料異常變化現場核實工作要求，本文從儀器及洞室情況、場地環境、人為干擾等方面進行調查和分析。

1 臺站基本概況

淮北臺SSY型伸縮應變儀安裝于淮北市人防山洞內，距離洞口60m，自2006年8月開始正式運行。儀器礅與水管傾斜為共礅，NS分量基線長54.5m，EW分量基線長17.0m。臺站地處相山山脈東側，北側宿北斷裂，東鄰郯廬大斷裂，是一個地質構造較為復雜的地區。山洞位于相山南翼，東側方向為山脈，西側為平原。山洞口位于山體半坡，大雨時雨水順山體方向向南面泄流，洞體周圍寒武系和奧陶系灰巖出露。

2 數據異常特征

淮北臺伸縮應變儀NS分量自2006年運行以來數據曲線一直保持趨勢壓性變化，受降雨季節影響會出現階變式加速壓性變化。2010年1月15日河南范縣ML4.2級地震后，1月23日伸縮應變儀NS分量出現大幅趨勢下降，當時判定為傳感器內部受潮引發數據畸變，更換傳感器配件，3月6日下降趨勢穩定，5月6日恢復正常。本次伸縮應變儀NS分量出現趨勢轉折變化，觀測點及周邊監測儀器未出現相關數據異常，屬于單分量獨立異常變化。2016年4月8日伸縮應變儀NS分量觀測數出現壓性趨勢抑制現象見圖1，測項數據幾乎成直線擾動，4月20日觀測數據出現趨勢轉折變化，由壓性趨勢變化轉換為張性趨勢變化，4月24日出現張性趨勢加速變化，至5月9日數值由4月24日-383.1×10-8上升至2093.5×10-8，上升幅度為2476.6×10-8。

3 異常調查分析

3.1 觀測環境調查

對觀測山洞3km范圍的觀測環境進行巡查，并結合實地咨詢調查，主要包括建筑施工、開山采石和地下抽水等方面。巡查車輛圍繞山體環繞一圈巡視，實地環境調查主要包括相山廟、鳳凰城、后黃村和淮北師范大學等4個核實點（見圖2）。

經調查，臺站山洞西北側25m，距離觀測點70m左右處，相山廟自2016年4月30日開始清理場地施工，對山坡進行修坡，土壤就近填埋，有施工機械，施工集中在7時至18時，相應時段對測震儀產生高頻干擾，但對形變觀測儀器未見明顯干擾。類似情況在2015年7月、9～10月間也出現過，均未對淮北臺形變觀測儀器產生高頻和趨勢影響。上述情況表明，臺站形變觀測山洞周邊存在施工現象，但對形變觀測儀器未產生明顯影響，且異常出現時間比施工開始時間早，初步排除淮北臺伸縮應變儀NS分量趨勢轉折異常為臺站周邊施工干擾的可能。

觀測點周邊村莊、學校等位于山體東側、南側、西側，東、南兩側為城區主要使用城市自來水，西側為城鄉結合部村莊有3口吃水井，周邊無工業用水、無大型施工及開山碎石。根據周邊環境調查結果（見表1），初步分析認為，淮北臺伸縮應變儀異常變化與觀測環境無關。

3.2 氣象因素分析

淮北臺SSY型伸縮應變儀NS分量異常變化期間，對比洞溫及氣象三要素分析，溫度、氣壓變化正常，20日降雨量1.9mm，26日降雨量10.5mm，4月20日至30日淮北地區未有較大降水（見圖3）。

3.3 觀測系統檢測

3.3.1 觀測系統整體檢查

調查人員從儀器系統的電壓、接線和設施等方面檢查檢測。伸縮應變儀主機的220V交流供電、數采的15V直流供電等工作正常；傳感器、前置放大盒、主機與數采之間的連線，特別是航空頭的完整性檢查，未見接觸不良、松動現象；儀器腔體、儀器基墩、標定裝置、前置放大盒等設備及周邊小環境，未見積水、損壞現象。

3.3.2 觀測系統標定檢查

伸縮應變儀每年標定兩次，查閱標定維修檔案，2015年5月27日、12月17日、2016年1月4日分別對伸縮應變儀進行標定，12月17日校準不成功，標定裝置故障，經更換標定裝置后，1月4日標定結果符合規范要求。調查人員再次對伸縮應變儀NS分量進行標定檢查。檢測結果顯示，淮北臺伸縮應變儀NS分量標定重復性過高、標定電壓差偏小，達不到規范標準。

3.3.3 儀器測量范圍檢查

鑒于2次的標定結果，對伸縮應變儀NS分量觀測系統的測量范圍進行進一步檢查。檢查結果發現，伸縮應變儀NS分量原前置放大的測量范圍最小值僅為-0.18V，更換前置放大盒后，其測量范圍為-8.3～8.3V，再次標定檢查，結果標定重復性仍然不達標。

3.3.4 標定裝置檢查

鑒于3次標定結果未達標，調查人員對標定裝置進行人工檢定，即人工轉動測微頭并查看前置放大器放大輸出端的電壓變化。經檢查發現，轉動測微頭時，測量得出的電壓變化范圍過小。懷疑標定裝置機械故障，多次加潤滑油并調試，轉動時問題仍存在。經現場研討，確定打開標定裝置盒進行拆開檢查，拆開后發現里面存有異物，影響滑動塊的移動，自身膨脹影響觀測系統正常運轉（見圖4）。

3.4 探討分析

淮北臺伸縮應變儀NS分量觀測數據異常變化，原數據壓性趨勢變化→趨勢變化抑制→轉向張性趨勢變化的演變過程，符合膨脹應變隨時間的變化規律，表明伸縮應變儀NS分量受到外力作用，4月8日與儀器系統接觸，對原系統產生非飽和應力抑制，4月24日外力應力達到飽和狀態，對原系統產生擴展破壞，致使觀測數據出現異常張性變化。伸縮應變儀NS分量受到外力作用，同觀測環境內的水管儀、伸縮應變儀EW分量以及周邊觀測點儀器觀測數據均未出現異常變化。由此推斷，伸縮應變儀的外力主要來自儀器觀測系統自身。

通過異常核實排查驗證了上述推測的情況，儀器觀測系統標定裝置內槽存有異物，異物膨脹由膨脹變形→膨脹不變形→膨脹變形的演化過程，與觀測數據發展演化的三個階段相契合（見圖1）。4月8日前異物侵泡潤滑油中開始膨脹變形，后與標定裝置滑動塊接觸抑制異物膨脹，4月20日膨脹應力大于系統原應力時，異物開始膨脹變形（見圖1）。對內部異物清除后，經穩定后觀測數據異常變化消失，說明淮北臺伸縮應變儀NS分量異常變化與標定裝置內的異物有關。

4 結語

通過對儀器工作狀態、觀測室環境、周邊場地環境等方面開展調查和分析，認為淮北臺2016年4月伸縮應變儀NS分量觀測數據異常變化是由于儀器標定裝置內存有的異物而引起的，與地震孕育、區域構造活動無關。

參考文獻

[1] 馬建英，劉學領.天津潘莊井水位突升異常的調查與分析[J].地震，2013，33（1）：95-99.

[2] 余尚江，成萬里.信陽地震臺DSQ型水管儀異常特征分析[J].防災減災學報，2015，31（4）：60-65.

[3] 高光發，李永池.海綿橡膠非線性靜動態力學特性和本構關系[J].兵器材料科學與工程，2013，36（3）：20-22.