乾陵地震臺DSQ型水管傾斜儀觀測數據常見干擾分析

史春偉 羅詞建 張晨蕾 楊曉東

1）中國陜西713300 乾陵地震臺

2）中國西安710068 陜西省地震局

0 引言

地傾斜觀測以獲取地殼形變的幾何及物理信息為目的，可為地震監測預報研究提供大量有力的依據（趙愛平等，2012）。水管傾斜儀是通過自動記錄山洞臺基的垂直位移，來反映地傾斜變化的精密儀器，具有較高的觀測精度和工作穩定性，目前廣泛應用于全國各形變觀測臺站。在日常觀測中，受諸多干擾因素的影響，觀測曲線形態發生畸變，給數據分析處理帶來不便（鄭永通等，2015），又因臺站所處地理位置、儀器安裝環境、基巖等不同，所受干擾程度也不同（劉其壽等，2010）。文中利用地球物理數據跟蹤分析方法，歸納、整理乾陵地震臺（下文簡稱乾陵臺）水管傾斜儀（以下簡稱水管儀）觀測資料所受干擾類型，統計并分析觀測系統故障（儀器故障、傳感器故障等）、自然環境因素（大風、氣壓、降雨等）以及人為活動（檢修儀器、標定、人員進洞、調零等）等干擾及特征，以便為降低干擾、數據預處理及應用提供參考。

1 臺站概況

乾陵地區年氣溫–6 ℃—38 ℃，年降雨量約300 mm，地下水位約400 m。乾陵臺位于乾陵國家重點文物旅游保護區，附近無河流、鐵路、工礦、企業等明顯干擾源分布，觀測條件優良。該臺站位于陜西省中部，渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原的過渡地帶，地處渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺南緣接觸帶，關山—口鎮斷裂帶以南，乾縣—富平斷裂帶北側。

形變觀測山洞位于乾陵景區東乳峰，1977 年開挖，1981 年竣工，基巖為奧陶紀灰巖，水平產狀，無裂隙。山洞進深60 m，總長120 m，呈“T”字型分布（圖1），從洞口到儀器室布設4 道船艙密封門，儀器室日溫差≤0.02 ℃，年溫差≤0.2 ℃，相對濕度＜90%。山洞覆蓋層為第四紀黃土，洞頂覆蓋厚22 m，旁側覆蓋層厚40 m。

臺站配備VP 垂直擺和DSQ 型水管傾斜儀進行形變觀測（模擬觀測始于1982 年），均安裝在形變觀測山洞中（圖1）。其中水管儀使用泡沫板和農用塑料膜將儀器密封包裹，使儀器本體基本處于完好的密封狀態。儀器基墩為大理石墩，NS 分量基線長30.36 m，EW分量基線長30.19 m，分辨率為：0.000 5″，日漂移量＜0.005″，采樣率1 次/min。

圖1 乾陵臺形變儀器布設Fig.1 Layout of deformation instruments at Qianling Seismic Station

2 常見干擾分析

2014 年10 月，乾陵臺水管儀升級為“十五”DSQ 型水管傾斜儀，采用EP-Ⅲ型IP 采集器，實現了儀器的自動標定。自DSQ 型水管儀運行以來，工作性能穩定，觀測資料連續率、完整率較高，整點值曲線可清晰反映固體潮汐變化，具有明顯的周期變化特征，且由分鐘值曲線可知記錄曲線均勻、光滑，每日曲線近似于一個完整的正弦波動，并有2 個波峰、波谷，結果見圖2。

圖2 水管儀整點值和分鐘值曲線(a)NS 分量整點值；(b) EW 分量整點值；(c)NS 分量分鐘值；(b) EW 分量分鐘值Fig.2 Curves of hour-sampled values and minute-sampled values of water-tube tiltmeter

統計2015—2020 年該臺水管儀觀測數據所受干擾事件類型及特征，結果見表1，可知主要影響因素為觀測系統故障、自然環境干擾和人為干擾。

表1 2015—2020 年水管儀主要干擾事件分類Table 1 Classification of main interference events of water-tube tiltmeter observations from 2015 to 2020

3.1 觀測系統故障干擾

主機、傳感器、數采和供電電源不穩等故障均為觀測系統故障，儀器部件損壞或電子元件工作性能不穩也是其中一種系統故障（表1）。這些故障易造成數據錯誤甚至斷記，在觀測數據曲線上表現為高頻擾動、毛刺、階變、數據突跳等。依據形變學科觀測規范要求，做數據預處理時應刪除相應時段的錯誤數據，嚴重影響觀測數據的連續率。如圖3 所示，2015 年9 月1 日，水管儀傳感器出現故障，記錄曲線變粗，毛刺、抖動增多，更換傳感器后恢復正常；2019 年12 月21 日、22 日，市電電壓不穩，記錄曲線產生高頻擾動，電壓恢復正常后消失。

圖3 傳感器故障與電源不穩對水管儀影響Fig.3 Influence of sensor failure and unstable power supply on water-tube tiltmeter observations

3.2 自然環境干擾

乾陵臺水管儀觀測主要受大風、氣壓、降雨、雷電等自然環境因素干擾，觀測數據曲線特征表現為曲線變粗、擾動、毛刺、S 傾、N 傾。

3.2.1大風、氣壓干擾。受黃土高原季風氣候的影響，冬春時節，乾陵臺所在地大風較為頻繁，對水管儀觀測數據曲線造成高頻毛刺擾動。如圖4、圖5 所示，2019 年5 月12日05—16 時大風期間，NS 分量觀測曲線出現毛刺擾動，一階差分值在-0.4×10-3″—0.4×10-3″，而EW 分量觀測曲線在相應時段則較光滑，一階差分值在-0.08×10-3″—0.08×10-3″，曲線形態和擾動幅度明顯小于NS 分量，可能與NS 分量所在處覆蓋層較EW分量薄有關。受大風風向和風力影響，觀測儀器附近植被出現高頻晃動，使得測點內巖石受力結構不斷變動，導致觀測數據曲線出現一定范圍的毛刺擾動現象。

圖4 大風干擾對水管儀NS 分量的影響Fig.4 Influence of strong wind on NS component of water-tube tiltmeter observations

圖5 大風干擾對水管儀EW 分量的影響Fig.5 Influence of strong wind on EW component of water-tube tiltmeter observations

當氣壓直接作用在地面上，形成一種大面積荷載，引起地面發生傾斜。當氣壓直接作用于觀測儀器時，就會引起觀測數據的變化（狄樑等，2017）。如圖6 所示，2019 年4 月27日05—08 時，乾陵臺水管儀受氣壓波動影響，NS、EW 分量產生數據突變及高頻毛刺，且2 個分量變化同步性較高，可能是因為，氣壓的瞬間變化，使得山洞產生微小氣流，覆蓋層受力隨之發生變化，從而引起觀測數據的瞬間改變。

圖6 氣壓干擾對水管儀的影響Fig.6 Influence of air pressure on water-tube tiltmeter observations

3.2.2降雨。降雨干擾在地震地形變前兆觀測中是一種典型且普遍的干擾現象。參照氣象三要素儀記錄的降水量資料，乾陵臺水管儀和降雨事件在時間上具有一定同步性，在量級上，NS 分量所受影響更大，且觀測曲線有N 傾或S傾趨勢，而EW 分量則近乎無變化。如圖7 所示，2018 年6 月29 日乾陵臺所在地降雨量約1.8 mm，水管儀NS 分量S 傾28×10-3″；2019 年3 月2 日、3 日累積降雨量約2.9 mm，水管儀NS 分量N 傾24×10-3″；在2 次降雨過程中，EW 分量均無明顯變化。究其原因，NS 分量所在處洞頂覆蓋層比EW 分量薄，雨水滲入測點附近巖石裂縫和覆蓋層，導致巖體內部發生顯著膨脹，空隙壓力改變（于天龍等，2007）。在披覆較薄的S 端，降水更易滲透至基巖中，使巖石體積出現膨漲，地面載荷發生變化，導致地面傾斜，從而使得水管儀記錄發生N 傾或S 傾變化。該變化大小與降雨持續時間、降雨量大小有關，若降雨量小、持續時間短，雨水滲入覆蓋層，對水管儀影響較小，若降雨量大、持續時間長，雨水滲入巖石層，將對觀測數據造成疊加影響。因此，若持續降雨且達到一定量級后，即使降雨停止，NS 分量趨勢變化仍將維持一段時間。

圖7 降雨對水管儀記錄的影響Fig.7 Influence of rainfall on water-tube tiltmeter observations

3.2.3雷電干擾。雷電感應會產生強大的瞬間電磁場，從而在地面金屬網絡中產生感應電荷，進而形成強大的瞬間高壓電場，造成對用電設備的高壓弧光放電，最終導致弱電設備，如傳感器、前置放大器等失靈甚至損毀（鄭永通等，2015）。小的雷電對傾斜形變固體潮的影響主要表現為毛刺、突跳、階變等，大的雷電可能導致數采不能正常工作，造成數據缺測，甚至損壞主機，影響觀測數據的準確性（馮建琴等，2011）。加之數據采集器、前置放大器等年久老化，更易遭受雷擊導致損壞，造成觀測數據斷記。建議參考國內防雷經驗升級防雷措施和增加臺站常備儀器配機配件，減少雷擊影響。如圖8 所示，2015 年8 月2 日，雷電使得乾陵臺水管儀NS、EW 分量記錄曲線出現毛刺，且NS 分量變化較明顯；2018 年8 月16 日，受雷電干擾，乾陵臺水管儀NS 分量記錄曲線S 傾14×10-3″，EW 分量變化不明顯。

圖8 雷電對水管儀的影響Fig.8 Effect of lightning on the water-tube tiltmeter observations

3.2.4人為干擾。人為干擾是進入形變山洞、儀器檢修、標定及調零等人為活動引起的干擾。水管儀和伸縮儀安裝在同一儀器槽內，在對伸縮儀進行標定、檢修時，水管儀數據在相同時段也會受到干擾。如圖9 所示，伸縮儀檢修和人員進洞使得水管儀觀測數據曲線同期出現突跳、毛刺，儀器標定和調零使觀測曲線產生數據突跳、缺數及臺階，預處理時做缺數和臺階處理，觀測數據完整率受到明顯影響。陳德福等（1987）分析認為，人員進洞引起觀測數據曲線的突跳和毛刺，并非人體載荷使地表傾斜所致，而是人員進洞引起氣流擾動導致儀器兩端液面氣壓變化不平衡的結果。為減少人為活動對水管儀工作環境的影響，可開展以下措施：水管儀務必嚴格密封（國家地震局，2001）：使用泡沫板將儀器密封包裝，裹上農用塑料膜；儀器硐室杜絕參觀活動，保持恒溫、恒濕，以保證儀器的穩定性。

圖9 人為干擾對水管儀的影響(a) NS 分量；(b) EW 分量Fig.9 Influence of human interference on water-tube tiltmeter observations

4 結論

通過對乾陵臺DSQ 型水管傾斜儀觀測數據常見干擾進行分析，可以得出以下結論：①乾陵臺水管儀觀測數據常見干擾有觀測系統故障干擾、自然環境干擾和人為因素干擾，在記錄曲線上主要表現為斷記、毛刺、高頻擾動等；②與EW 分量對比發現，由于NS 分量所在處覆蓋層較薄，更易受到大風、降雨等因素干擾，且干擾幅度上明顯較大。

工作人員應熟練掌握儀器標定、手動調零等技能，縮短進洞時間，應適當杜絕參觀活動，并保持工作環境恒溫、恒濕。在日常觀測中應嚴格按照規范要求填好觀測日志等，確保觀測資料的真實性、可靠性。若觀測曲線出現非正常動態變化，應排查并剔除干擾因素的影響，判定是否為地震異常，以便為相關研究工作提供準確、可靠的基礎數據。