福州地震台DSQ 水管仪观测资料分析

2023-09-12林苗禄朱继承

科学技术创新 2023年21期

林苗禄，朱继承，薛飞，邓聪

（福州地震监测中心站，福建福州）

引言

地倾斜观测是地震前兆监测的主要手段，其观测的对象是瞬时地平面相对大地水准面之间角度随时间的变化[1]。地震研究所于1998 年研制了第三代数字代“DSQ 型短基线水管倾斜仪”[2]。DSQ 型水管倾斜仪采用差动变压器式位移传感器，结合应用数字化技术设计而成，具有结构合理、性能稳定、功能强大、分辨率高、通用性强等特点。本研究选取福州地震台水管仪2015-2022 年的观测资料进行分析，总结典型曲线形态，为倾斜前兆变量的长期观测提供一定的依据。

1 台站概况及仪器基本情况

1.1 台站概况

福州地震台位于福州西门大梦山，海拔高程17 m，占地面积2 033 m2，建筑面积706 m2，归福州地震监测中心站管理。场地环境优良，无明显干扰源，周边供水、供电、通信和交通条件均便捷可靠，适宜开展体应变观测。台站处于长乐- 诏安断裂带北段，出露地层除第四系松散堆积层外，主要为下白垩纪和上侏罗纪的火山岩，台站基岩为二长花岗岩，北西向闽江断裂带的交汇地区，区内断裂构造较发育，具有多期和不同性质的活动特征[3]。

1.2 仪器基本情况

DSQ 水管倾斜仪安装于台站地下民防山洞内，洞口高程约海拔10 m，洞顶覆盖最厚20 m。山洞全长94.74 m，山洞北面出口处于封堵状态。2009 年11 月15 日山洞改造动工，建造SS-Y 铟瓦棒伸缩仪与DSQ水管仪共用仪器槽，2010 年9 月19 日安装完成进入试运行，2012 年10 月通过验收，11 月26 日接入十五管理系统。

2 DSQ 水管仪运行情况分析

DSQ 型水管倾斜仪是根据连通管内水面保持自然水平的原理自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，由主体、标定装置、管路系统、差动变压器式位移传感器、DSQ 测微仪、EP 系列采集控制器组成。福州台水管仪自2012 年正式观测以来，运行情况基本正常，观测曲线日变形态固体潮清晰，产出数据连续可靠，仪器工作状况较稳定。

如表1 所示，除了2021 年，其余年份观测数据完整率均大于99.5%。2021 年影响仪器运行率的主要原因为受水管仪EP-Ⅲ型数据采集器数采内部软件问题、数据采集器开关电源故障、标定器故障多次检修导致原始数据缺数。仪器设备的运行环境直接影响观测系统的稳定，而稳定的观测系统才能产出完整可靠的前兆观测数据。本研究利用年零漂、年变幅等指标来分析水管倾斜观测系统的稳定性。

表1 DSQ 型水管倾斜仪数据年统计(2015-2022)

如表2 所示，福州台DSQ 型水管倾斜仪观测年零漂绝对值都小于2 000 ms，符合规范。NS 向的年变幅基本上都比东西向更小，或许是因为NS 向安装在山洞更深处，热弹性形变小。

表2 水管仪年零漂、年变幅数据统计(2015-2022)

相对噪声水平是评价前兆仪器观测数据是否长期稳定性的一项重要指标。通过前兆数据处理软件利用预处理数据，可以计算出日均值的相对噪声水平（Q）值和五日均值的相对噪声水平（M）值。

如表3 所示，相对水平数值不大，只有2021 年因为受观测系统多次故障的影响，噪声水平日均值的相对噪声水平比较高。

表3 水管仪相对噪声水平年统计(2015-2022)

利用前兆数据处理软件集成版内置的Venedikov调和分析方法计算水管仪潮汐参数。如表4 所示，M2波潮汐因子的平均值NS 分量为3.427 8，EW 分量为2.673 8。M2 波潮汐因子均方差EW 分量数值比较小，只有2019 年大于0.02，NS 向则只有2018 和2021 年小于0.02。可见仪器内精度EW 向比NS 向好。

表4 水管仪潮汐参数计算结果(2015-2022)

3 干扰分析

通过对水管倾斜仪多年资料的总结分析，发现影响观测数据质量的干扰因素主要可分为：自然环境干扰、人为干扰和仪器故障三种类型。

3.1 自然环境干扰

自然环境干扰主要是指大风、降雨和雷电等气象变化造成观测数据出现畸变，产生突跳、阶跃和震荡等现象。小的雷电虽会造成观测数据曲线畸变，但不会影响整体形态变化。大的雷电则可能击穿仪器元器件，导致设备不能正常工作，造成数据缺测，影响观测数据的质量。2016 年9 月7 日19:00-19:02 受雷电干扰，数据曲线出现了毛刺、突跳、阶变、锯齿状等畸变，最大变化幅为NS 向9.51（ms）、EW 向7.53（ms）（见图1）。

图1 2016 年9 月7 日水管仪受雷电干扰曲线

降雨是比较常见的自然现象，持续或突降大雨后,山体表层容易积水, 容易增加岩体荷载导致岩石压力和应变的变化[4]。当降雨停止后,地表中的水分会较长时间内慢慢蒸发和渗流流失，岩体荷载和岩石缝隙中含水量降低，使倾斜应变量逐步恢复[5]。2017 年4 月20 日0:00 EW 向观测数据受降雨影响急剧东倾，最大幅度达357.11 ms；22 日07:24-24 日14:24 受降雨减少恢复的影响转折西倾；NS 向观测数据呈正常动态变化，固体潮日变清晰，变化趋势正常(见图2)。

图2 2017 年4 月水管仪受降雨干扰曲线

福州台水管仪一直受洞温的变化影响，EW 分量反应尤其敏感。2020 年5 月30 日09:25-31 日07:37受洞温下降影响(当日温度日变幅为0.06 ℃)，NS 向呈北倾变化、EW 呈东倾变化，变化幅度分别为58.53(ms)、137.35 (ms)，同样2019 年7 月1 日14:24-14:36受洞温变化影响(当日温度日变幅为0.06 ℃)NS 向呈北倾变化、EW 呈东倾变化。由两次洞温变化引起水管仪观测曲线变化对比分析可以发现，洞温对福州台水管仪影响非常明显。

3.2 人为干扰

人为干扰影响主要包括：进洞检修仪器、洞内仪器调零及标定、维修电源和照明系统、洞内科普参观。由于福州台水管仪和伸缩仪安装在同一个仪器槽内，因此检修、标定伸缩仪时，水管仪观测数据同时间段也会受影响。受到干扰的观测曲线会产生畸变，影响数据的连续率、完整率，降低数据质量。2019 年4 月25 日15:30-16:43 进洞改造洞体照明系统造成干扰，表现形态为数据突跳，干扰变化幅度较小，干扰变化最大幅值为NS 向3.00 ms、EW 向11.49 ms。

3.3 观测系统

福州台水管仪观测系统对固体潮影响主要有：步进电机故障、东端传感器故障、主机电源故障、前置放大盒受潮、仪器工作电源不稳、前置放大器故障等。2017 年5 月14 日10:14-17:03 EW 向观测数据出现观测曲线畸变，NS 向观测数据呈正常动态变化，固体潮日变清晰，变化趋势正常，检查水管仪电源、主机、线路并无异常，发现水管仪东端传感器不稳定，曲线表现形态为震荡，变化最大幅值14.72(ms)，更换传感器后恢复正常。

4 同震响应

福州台水管仪观测多年来，能记录到远近地震时地震波的变化，曲线表现形态为上下阶跃，波动幅度随震级增强而增加，随距离变大而降低。2020 年12 月25 日07:43:41 在菲律宾 (纬度：13.81°，经度：120.65°)发生6.3 级地震，震源深度100 km，震中距1 373 km，NS 向07:46-08:12、EW 向07:48-08:21 记录到该地震，表现形态为上下阶跃，NS 向最大幅值为14.19(ms)，EW 向最大幅值为12.66(ms)。