依蘭地震臺新老洞體應變儀比較研究

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以南一公里新建觀測山洞，重新安裝了洞體應變儀，并行觀測兩年，本文全面梳理和總結新老兩套儀器從觀測環境、觀測資料內在質量、同震效應、降水、氣壓及主要干擾源等方面的異同點，并分析觀測資料質量出現差異的可能原因。

1 依蘭地震臺區域地震地質概況

依蘭地震臺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。伊舒斷裂帶與勃利神樹斷裂也在依蘭縣交會，地質結構復雜，是黑龍江省中小地震多發地區。

2 臺站觀測環境對比

依蘭臺形變觀測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）。依蘭臺形變觀測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）。依蘭臺新觀測山洞總長、密封門數量均比老臺少。依蘭臺新老形變山洞DSQ 儀基線長度不同（表1），其中：老臺NS 分量為21.56 m，EW 分量為21.76 m；新臺NS 分量為25.45 m，EW 分量為25.50 m。依蘭臺老山洞走向為相對簡單的“┐”型，進深短，抗外界干擾能力較弱；依蘭臺新山洞走向相對復雜，因為多加了一個斜邊，水管儀腔體布設像一個“U”型，NS、EW、NW 分量布設于山洞最里側，抗外界干擾能力較強。對比可知，依蘭臺新觀測山洞地質和構筑條件全面優于老臺站。

表1 依蘭地震臺新老形變觀測山洞概況與SSY 洞體應變儀基線長度對比

3 資料內在質量對比分析

選取2020 年度依蘭臺新老洞體應變儀觀測數據，統計數據連續率、完整率、年變幅及年零漂等指標，對觀測數據進行一般性評價，并以相對噪聲水平M1 和M2 波潮汐因子相對中誤差作為指標，評價觀測數據內在質量。觀測資料質量評價結果見表2。

表2 依蘭臺2020 年度新老臺站觀測資料質量評價結果

由表2 可知：（1）老臺因受觀測場地和儀器老化情況的共同影響，連續率和完整率均比新臺差很多，年變幅和年零漂均比新臺少；（2）新、老臺洞體應變內在質量的指標中，各個指標參數相差不多，表明新、老臺洞體應變觀測數據觀測質量基本相同。由此可見，新臺洞體應變觀測質量要比老臺好一些。

以相對噪聲水平M1 和M2 波潮汐因子相對中誤差作為資料內在質量評價指標，2020 年每月新、老洞體應變觀測數據，繪制相對噪聲水平M1、M2 波潮汐因子相對中誤差對比曲線，如圖1 所示。因觀測山洞地質特性的差異，新、老臺相對噪聲水平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、老臺洞體應變潮汐因子中誤差曲線圖

4 同震效應對比分析

新、老臺洞體應變觀測數據均記錄到2020 年1 月29日在古巴南部某海域發生M7.7 地震，震源深度10 km，震中距12 070 km（圖2）。新臺洞體應變北南向最大振幅：182.4×10-8角秒，東西向最大振幅：142.9×10-8角秒，持續時間：50 min；老臺洞體應變北南向最大振幅：111.1×10-8角秒，東西向最大振幅：80.7×10-8角秒，持續時間：83 min。可以看出：老臺記錄的地震波形最大振幅比新臺大將近一倍，持續時間基本相同。可能是由于新臺臺基為花崗巖，老臺臺基為黑云母片麻巖，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 依蘭地震臺新、老臺洞體應變記錄到2020 年1 月29 日在古巴南部某海域發生M7.7 地震

圖3 新、老臺洞體應變記錄到2020 年1 月29 日在古巴南部某海域發生M7.7 地震（同軸曲線對比）

5 氣象資料對比分析

地震形變觀測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，給地震形變觀測異常識別帶來困難，而洞體應變觀測氣象干擾因素主要為氣溫和氣壓。

新、老臺洞體應變觀測未受氣溫變化影響，夏季溫度高（圖4），冬季溫度低（圖5），新、老臺洞體應變觀測數據變化正常，未發現異常現象。

圖4 新、老臺洞體應變與氣溫分鐘圖

圖5 新、老臺洞體應變與氣溫分鐘圖

2020 年5 月31 日21 時-22 時氣壓出現劇烈波動變化，造成老臺洞體應變北南向和東西向觀測數據出現固體潮畸變（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。新臺洞體應變數據北南向和東西向未發現異常現象。氣象三要素儀器布設在老臺，距離新臺直線距離約30 km，可能新臺周邊的氣壓未發生劇烈波動，因此新臺未受到氣壓干擾影響。

圖6 新、老臺洞體應變與氣壓分鐘圖

2020 年8 月3 日22 時-23 時老臺記錄到降雨量2.9 mm，導致老臺洞體應變北南向和東西向出現固體潮畸變（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。新臺洞體應變北南向和東西向觀測數據未發現異常現象。此次降雨對老臺洞體應變觀測數據造成的干擾較大，對新臺洞體應變干擾較小。

6 主要干擾源對比分析

2020 年05 月02 日老臺洞體應變受東側3 km 哈佳高鐵影響，導致數據出現固體潮畸變，表現為固體潮擾動，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。哈佳高鐵位于新臺南側30 km，未受到哈佳高鐵干擾，觀測數據記錄到良好的固體潮，未發現異常現象（圖8）。

圖8 新、老臺洞體應變受哈佳高鐵干擾圖

7 結論

前兆地震臺站防雷工作是一項長期而且重要的任務，在做好避雷地網以及四級避雷防護的同時，要定期檢查防雷系統，做好日常維護工作，做到有問題及時解決，盡量保持儀器系統運行，保證產出的前兆資料真實、連續、可靠。通過對2020 年度依蘭地震臺新、老洞體應變儀觀測數據進行對比分析，得到以下結論。

（1）觀測山洞進深大，被覆厚，有助于減少外部環境干擾。

（2）洞體應變裝位置應遠離洞口，減少人為干擾和儀器故障，有助于提高觀測資料的連續率、完整率。

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

總之，降水、氣壓因素在不同的地理、地貌、氣候環境下，對伸縮儀觀測的影響存在顯著差異。觀測山洞良好的地質條件是伸縮儀觀測的堅實基礎，減少儀器故障，避免人為干擾，降低環境影響，提高儀器運維能力，是保證觀測資料內在質量、長期穩定性的必要條件。