乾陵地震台DSQ型水管倾斜仪观测数据常见干扰分析

史春伟 罗词建 张晨蕾 杨晓东

1）中国陕西713300 乾陵地震台

2）中国西安710068 陕西省地震局

0 引言

地倾斜观测以获取地壳形变的几何及物理信息为目的，可为地震监测预报研究提供大量有力的依据（赵爱平等，2012）。水管倾斜仪是通过自动记录山洞台基的垂直位移，来反映地倾斜变化的精密仪器，具有较高的观测精度和工作稳定性，目前广泛应用于全国各形变观测台站。在日常观测中，受诸多干扰因素的影响，观测曲线形态发生畸变，给数据分析处理带来不便（郑永通等，2015），又因台站所处地理位置、仪器安装环境、基岩等不同，所受干扰程度也不同（刘其寿等，2010）。文中利用地球物理数据跟踪分析方法，归纳、整理乾陵地震台（下文简称乾陵台）水管倾斜仪（以下简称水管仪）观测资料所受干扰类型，统计并分析观测系统故障（仪器故障、传感器故障等）、自然环境因素（大风、气压、降雨等）以及人为活动（检修仪器、标定、人员进洞、调零等）等干扰及特征，以便为降低干扰、数据预处理及应用提供参考。

1 台站概况

乾陵地区年气温–6 ℃—38 ℃，年降雨量约300 mm，地下水位约400 m。乾陵台位于乾陵国家重点文物旅游保护区，附近无河流、铁路、工矿、企业等明显干扰源分布，观测条件优良。该台站位于陕西省中部，渭河断陷盆地中段与陕北黄土高原的过渡地带，地处渭河断陷盆地中段与鄂尔多斯地台南缘接触带，关山—口镇断裂带以南，乾县—富平断裂带北侧。

形变观测山洞位于乾陵景区东乳峰，1977 年开挖，1981 年竣工，基岩为奥陶纪灰岩，水平产状，无裂隙。山洞进深60 m，总长120 m，呈“T”字型分布（图1），从洞口到仪器室布设4 道船舱密封门，仪器室日温差≤0.02 ℃，年温差≤0.2 ℃，相对湿度＜90%。山洞覆盖层为第四纪黄土，洞顶覆盖厚22 m，旁侧覆盖层厚40 m。

台站配备VP 垂直摆和DSQ 型水管倾斜仪进行形变观测（模拟观测始于1982 年），均安装在形变观测山洞中（图1）。其中水管仪使用泡沫板和农用塑料膜将仪器密封包裹，使仪器本体基本处于完好的密封状态。仪器基墩为大理石墩，NS 分量基线长30.36 m，EW分量基线长30.19 m，分辨率为：0.000 5″，日漂移量＜0.005″，采样率1 次/min。

图1 乾陵台形变仪器布设Fig.1 Layout of deformation instruments at Qianling Seismic Station

2 常见干扰分析

2014 年10 月，乾陵台水管仪升级为“十五”DSQ 型水管倾斜仪，采用EP-Ⅲ型IP 采集器，实现了仪器的自动标定。自DSQ 型水管仪运行以来，工作性能稳定，观测资料连续率、完整率较高，整点值曲线可清晰反映固体潮汐变化，具有明显的周期变化特征，且由分钟值曲线可知记录曲线均匀、光滑，每日曲线近似于一个完整的正弦波动，并有2 个波峰、波谷，结果见图2。

图2 水管仪整点值和分钟值曲线(a)NS 分量整点值；(b) EW 分量整点值；(c)NS 分量分钟值；(b) EW 分量分钟值Fig.2 Curves of hour-sampled values and minute-sampled values of water-tube tiltmeter

统计2015—2020 年该台水管仪观测数据所受干扰事件类型及特征，结果见表1，可知主要影响因素为观测系统故障、自然环境干扰和人为干扰。

表1 2015—2020 年水管仪主要干扰事件分类Table 1 Classification of main interference events of water-tube tiltmeter observations from 2015 to 2020

3.1 观测系统故障干扰

主机、传感器、数采和供电电源不稳等故障均为观测系统故障，仪器部件损坏或电子元件工作性能不稳也是其中一种系统故障（表1）。这些故障易造成数据错误甚至断记，在观测数据曲线上表现为高频扰动、毛刺、阶变、数据突跳等。依据形变学科观测规范要求，做数据预处理时应删除相应时段的错误数据，严重影响观测数据的连续率。如图3 所示，2015 年9 月1 日，水管仪传感器出现故障，记录曲线变粗，毛刺、抖动增多，更换传感器后恢复正常；2019 年12 月21 日、22 日，市电电压不稳，记录曲线产生高频扰动，电压恢复正常后消失。

图3 传感器故障与电源不稳对水管仪影响Fig.3 Influence of sensor failure and unstable power supply on water-tube tiltmeter observations

3.2 自然环境干扰

乾陵台水管仪观测主要受大风、气压、降雨、雷电等自然环境因素干扰，观测数据曲线特征表现为曲线变粗、扰动、毛刺、S 倾、N 倾。

3.2.1大风、气压干扰。受黄土高原季风气候的影响，冬春时节，乾陵台所在地大风较为频繁，对水管仪观测数据曲线造成高频毛刺扰动。如图4、图5 所示，2019 年5 月12日05—16 时大风期间，NS 分量观测曲线出现毛刺扰动，一阶差分值在-0.4×10-3″—0.4×10-3″，而EW 分量观测曲线在相应时段则较光滑，一阶差分值在-0.08×10-3″—0.08×10-3″，曲线形态和扰动幅度明显小于NS 分量，可能与NS 分量所在处覆盖层较EW分量薄有关。受大风风向和风力影响，观测仪器附近植被出现高频晃动，使得测点内岩石受力结构不断变动，导致观测数据曲线出现一定范围的毛刺扰动现象。

图4 大风干扰对水管仪NS 分量的影响Fig.4 Influence of strong wind on NS component of water-tube tiltmeter observations

图5 大风干扰对水管仪EW 分量的影响Fig.5 Influence of strong wind on EW component of water-tube tiltmeter observations

当气压直接作用在地面上，形成一种大面积荷载，引起地面发生倾斜。当气压直接作用于观测仪器时，就会引起观测数据的变化（狄樑等，2017）。如图6 所示，2019 年4 月27日05—08 时，乾陵台水管仪受气压波动影响，NS、EW 分量产生数据突变及高频毛刺，且2 个分量变化同步性较高，可能是因为，气压的瞬间变化，使得山洞产生微小气流，覆盖层受力随之发生变化，从而引起观测数据的瞬间改变。

图6 气压干扰对水管仪的影响Fig.6 Influence of air pressure on water-tube tiltmeter observations

3.2.2降雨。降雨干扰在地震地形变前兆观测中是一种典型且普遍的干扰现象。参照气象三要素仪记录的降水量资料，乾陵台水管仪和降雨事件在时间上具有一定同步性，在量级上，NS 分量所受影响更大，且观测曲线有N 倾或S倾趋势，而EW 分量则近乎无变化。如图7 所示，2018 年6 月29 日乾陵台所在地降雨量约1.8 mm，水管仪NS 分量S 倾28×10-3″；2019 年3 月2 日、3 日累积降雨量约2.9 mm，水管仪NS 分量N 倾24×10-3″；在2 次降雨过程中，EW 分量均无明显变化。究其原因，NS 分量所在处洞顶覆盖层比EW 分量薄，雨水渗入测点附近岩石裂缝和覆盖层，导致岩体内部发生显著膨胀，空隙压力改变（于天龙等，2007）。在披覆较薄的S 端，降水更易渗透至基岩中，使岩石体积出现膨涨，地面载荷发生变化，导致地面倾斜，从而使得水管仪记录发生N 倾或S 倾变化。该变化大小与降雨持续时间、降雨量大小有关，若降雨量小、持续时间短，雨水渗入覆盖层，对水管仪影响较小，若降雨量大、持续时间长，雨水渗入岩石层，将对观测数据造成叠加影响。因此，若持续降雨且达到一定量级后，即使降雨停止，NS 分量趋势变化仍将维持一段时间。

图7 降雨对水管仪记录的影响Fig.7 Influence of rainfall on water-tube tiltmeter observations

3.2.3雷电干扰。雷电感应会产生强大的瞬间电磁场，从而在地面金属网络中产生感应电荷，进而形成强大的瞬间高压电场，造成对用电设备的高压弧光放电，最终导致弱电设备，如传感器、前置放大器等失灵甚至损毁（郑永通等，2015）。小的雷电对倾斜形变固体潮的影响主要表现为毛刺、突跳、阶变等，大的雷电可能导致数采不能正常工作，造成数据缺测，甚至损坏主机，影响观测数据的准确性（冯建琴等，2011）。加之数据采集器、前置放大器等年久老化，更易遭受雷击导致损坏，造成观测数据断记。建议参考国内防雷经验升级防雷措施和增加台站常备仪器配机配件，减少雷击影响。如图8 所示，2015 年8 月2 日，雷电使得乾陵台水管仪NS、EW 分量记录曲线出现毛刺，且NS 分量变化较明显；2018 年8 月16 日，受雷电干扰，乾陵台水管仪NS 分量记录曲线S 倾14×10-3″，EW 分量变化不明显。

图8 雷电对水管仪的影响Fig.8 Effect of lightning on the water-tube tiltmeter observations

3.2.4人为干扰。人为干扰是进入形变山洞、仪器检修、标定及调零等人为活动引起的干扰。水管仪和伸缩仪安装在同一仪器槽内，在对伸缩仪进行标定、检修时，水管仪数据在相同时段也会受到干扰。如图9 所示，伸缩仪检修和人员进洞使得水管仪观测数据曲线同期出现突跳、毛刺，仪器标定和调零使观测曲线产生数据突跳、缺数及台阶，预处理时做缺数和台阶处理，观测数据完整率受到明显影响。陈德福等（1987）分析认为，人员进洞引起观测数据曲线的突跳和毛刺，并非人体载荷使地表倾斜所致，而是人员进洞引起气流扰动导致仪器两端液面气压变化不平衡的结果。为减少人为活动对水管仪工作环境的影响，可开展以下措施：水管仪务必严格密封（国家地震局，2001）：使用泡沫板将仪器密封包装，裹上农用塑料膜；仪器硐室杜绝参观活动，保持恒温、恒湿，以保证仪器的稳定性。

图9 人为干扰对水管仪的影响(a) NS 分量；(b) EW 分量Fig.9 Influence of human interference on water-tube tiltmeter observations

4 结论

通过对乾陵台DSQ 型水管倾斜仪观测数据常见干扰进行分析，可以得出以下结论：①乾陵台水管仪观测数据常见干扰有观测系统故障干扰、自然环境干扰和人为因素干扰，在记录曲线上主要表现为断记、毛刺、高频扰动等；②与EW 分量对比发现，由于NS 分量所在处覆盖层较薄，更易受到大风、降雨等因素干扰，且干扰幅度上明显较大。

工作人员应熟练掌握仪器标定、手动调零等技能，缩短进洞时间，应适当杜绝参观活动，并保持工作环境恒温、恒湿。在日常观测中应严格按照规范要求填好观测日志等，确保观测资料的真实性、可靠性。若观测曲线出现非正常动态变化，应排查并剔除干扰因素的影响，判定是否为地震异常，以便为相关研究工作提供准确、可靠的基础数据。