常熟地震台形变观测干扰的识别.pdf

Aug.2023Fluid Measurement&ControlVol.4 No.4 常熟地震台形变观测干扰的识别Identification of Interference in Deformation Observation at Changshu Seismic Station时建伟，钱文杰，陈殷晖，陈露玥（无锡地震监测中心站，江苏 无锡 214000）SHI Jianwei，QIAN Wenjie，CHEN Yinhui，CHEN Luyue（Wuxi Earthquake Monitoring Center Station，Wuxi 214000，Jiangsu，China）摘要：通过整理无锡地震监测中心站常熟地震台山洞定点形变观测资料，分析环境因素（自然环境及场地环境）、观测系统运行情况及人为干扰因素三大类因素对形变观测数据的影响，强化认识干扰形态，总结干扰特征，为提高形变观测质量提供保障，为进一步研究地震前地球物理异常提供部分依据。关键词：数字化；形变观测；干扰因素；干扰形态Abstract：By sorting out the fixed point deformation observation data of the cave of Changshu Seismic Station in Wuxi Earthquake Monitoring Center，this paper analyzes the influence of three major factors，namely environmental factors（natural environment and site environment），observation system operation and human interference factors，on the deformation observation data，strengthens the understanding of interference forms，summarizes interference characteristics，and provides guarantee for improving the quality of deformation observation.It provides some basis for further study of geophysical anomalies before earthquake.Key words：digitization；deformation observation；interference factor；interference pattern中图分类号：P 315.6 文献标志码：A 文章编号：2096-9023（2023）04-0040-071前言在地震前兆观测中，正确地认识和排除观测资料中的各种干扰是准确捕捉地震异常信息的前提。本文对影响数字形变仪观测曲线形态的干扰进行分析，以期达到正确认识观测资料的目的。2地震形变观测的概述地震是地壳运动的一种特殊形式。从力学机制上讲，地震是孕震体应力应变能量逐渐积累、进入临近状态和快速释放的过程。形变是地震发生过程中最直接的伴随现象。通过变形观测可监测到震前出现的前驱波、慢地震或蠕变事件等现象；可观测震时倾斜、应变或应力的瞬间波动等。形变监测也是我国除测震、磁电以及地下流体之外的四大地震监测系统之一。形变观测技术很多，可以获取不同时空域的地表变形特征。通过辨识观测信息中的构造形变与非构造形变，得出包含在构造形变中的形变异常；通过对异常的进一步分析，获取不同空间及时长的孕震信息。形变的连续观测更是具有在空间上不同范围、尺度和多维，时间上动态连续，频带上多频道、不同分辨率及宽频域，长期稳定以及精确度高等优点。3案例背景案例为无锡地震监测中心站常熟地震台，位于常熟市西北兴福虞山林场，台基岩性为中上泥盆统五通组石英砂岩。形变山洞位于虞山南麓辛峰亭军用山洞，呈北西走向，长轴 5 km、短轴 2.5 km 的单斜山，岩性为泥盆系五通组石英砂岩，海拔最高 265 m，山体西南部较为陡险，东北部为缓坡，岩层倾角小于 15，与常熟地震台址相距约 5 km。山洞洞室岩性为五通组石英砂岩，山洞进深约 250 m，山顶覆盖厚度 2030 m，常年温度在 17.3，年温差约 0.1。相对湿度 100%1。形变观测山洞周边 2 000 m 范围内无大型工矿企业等明显干扰源，离长江最近距离 20 km 左右，离黄海 120 km 左右，固体潮受江海潮影响主要表现在年变形态，日变形态受江海潮影响不大，全年为亚热带季风气候。场地的环境技术要求完全满足形变观测的要求和规范。洞内架设有：1）DSQ 水 管 倾 斜 仪 观 测，南 北 测 项 方 位 角32.4，东西测项方位角 139.5，高程 27 m，DSQ 仪基 402023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）线长度：EW=29.94 m，NS=43.59 m；2）SS-Y 铟瓦棒伸缩仪观测，南北测项方位角32.4，东 西 测 项 方 位 角 139.5，基 线 长 度 EW=24.19 m，NS=22.66 m；3）VS垂直摆倾斜仪观测，方位角 N0，E90；4）VP宽频带倾斜仪观测，方位角 N0，E90。这些仪器运行稳定，观测数据真实可靠，观测仪器设备表见表 1，应变仪器信息表见表 2。4干扰因素分析汇集近 10年四套形变仪器的数据，得出观测过程中受到的干扰类型及干扰因素，从观测系统、环境和人为干扰因素进行分析，说明各类干扰特征，以提高干扰识别正确率、准确捕捉地震前兆异常。4.1观测系统常熟地震台形变观测仪器主要发生的观测系统事件包括：供电故障、前置放大器故障和数采故障，观测曲线如图 1图 7所示。4.1.1供电故障常熟台 SS-Y 铟瓦棒伸缩仪 2019 年 11 月 26 日15：3821：36，洞体应变仪网页无法打开实时数据，经排除其他故障因素后，判断其为山洞内洞体应变仪主机供电故障。常熟台 VS 垂直摆倾斜仪 2018 年 9 月 18 日 14：41国家项目组人员进山洞进行线路标准化改造，线路改造后仪器出现故障。4.1.2前置放大器故障2022 年 2 月 10 日 10：032 月 21 日 10：05 常熟表 1观测仪器设备表山洞仪器型号DSQSSYVSVP进深/m170164164168覆盖（顶、侧）/m30303030仪器洞室年温变幅/0.10.10.10.1日温变幅相对湿度/%100100100100仪器墩基础/m3石灰石岩块，观测室温度 17.3 1.301.000.351.200.600.56高度/m0.350.56表 2应变仪器信息表仪器名称水管倾斜仪铟瓦棒伸缩仪垂直摆倾斜仪宽频带倾斜仪型号DSQSSYVSVP生产厂家武汉地震研究所武汉地震研究所武汉地震研究所武汉地震研究所数量1111分辨率0.000 2510100.000 20.000 2记录方式数字记录数字记录数字记录数字记录投入观测时间2007年 6月 27日2007年 6月 27日2007年 6月 27日2015年 1月 1日图 1SS-Y伸缩仪供电故障影响曲线（20191126）图 2VS垂直摆供电故障影响曲线（20180918）41Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control台 DSQ 水管仪数据曲线毛刺增多并向南端持续漂移，在排除其他干扰后，判断为 2 月 10 日调零后引起北端前置盒故障，进洞检修水管仪北端前置放大盒。期间数据受影响，变化形态为：大幅突跳、台阶，NS向最大幅度 142.35 ms，北南分量仪器维修期间数据按照学科规范要求，做台阶、缺数预处理。常 熟 台 SS-Y 铟 瓦 棒 伸 缩 仪 东 西 向 7 月 1 日 03：34雷击后，东西分量数据恒定，经排除其他故障因素后，判断其为雷击引起的前置盒故障。常 熟 地 震 台 VP 垂 直 摆 东 西 向 10 月 26 日 18：5223：21，出现数据记录异常情况，18：52东西向数值归为 0，基本无变化波动，为仪器自身前置放大芯片故障引起。图 3DSQ水管仪北南向前置放大器工作影响曲线（2022020520220223）图 4SS-Y 铟瓦棒伸缩仪东西向前置放大器工作影响曲线（2018070120180702）图 5VP垂直摆东西向前置放大器工作影响曲线（20161026）图 6SS-Y 铟 瓦 棒 伸 缩 仪 数 采 工 作 故 障 影 响 曲 线 （20200709）图 7VP垂直摆主机工作故障影响曲线（20180726）422023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）4.1.3数采、主机故障常熟台 SS-Y 铟瓦棒伸缩仪 2020 年 7 月 29 日15：5917：01观测数据缺测，洞体应变仪网页无法打开，判断为仪器数采死机故障，进洞重启数采机器，数据记录恢复正常。常熟台 VP宽频带倾斜仪北南向 2018年 7月 26日 11：5616：00，雷击造成仪器主机故障，通过重启主机后于恢复正常并符合原有固体潮波动轨迹。观测系统类事件除不可抗因素外，加强供电线路及备用电源检修、仪器运行检查、及时补充备机备件，基本可以减少此类干扰事件的发生，进而保障数据连续性。仪器故障通常发生会造成长时间的记录数据异常造成缺数，对于仪器的连续率、完整率影响相当大，所以排除故障十分关键，而判断故障原因则是重中之重。4.2人为干扰常熟地震台形变仪器受到人为干扰影响主要包括仪器校准、调零及仪器检修，常熟台形变仪器标定曲线和人为干扰观测曲线如图 8图 9所示。4.2.1仪器校准仪器校准包括标定和调零。依据形变学科规定，形变仪器每年应至少进行 2次标定，以保障仪器运行稳定性及数据产出准确性。对标定、调零引起的缺数按仪器规范作缺数处理，但对调零而言，调零时迅速有效、一步到位可减少预处理时缺数的形成，另对本仪器记录的固体潮未来趋势进行正确预测可降低调零的次数。形变仪器标定曲线形态也基本相同，DSQ 水管仪的表现形态为缺数，伸缩仪和两套垂直摆的形态为上下大幅波动。4.2.2进洞常熟地震台山洞内有伸缩仪、水管仪和 VP 垂直摆、VS 垂直摆，进洞检修仪器、添加干燥剂等均会对形变观测造成干扰。若多人进洞可能同时存在体重负荷及人体散热、走动引起洞腔静止空气流动的影响，少量人员进入则主要受后者影响2。若出现较长时间人员进洞维修，洞室内原本恒定的温度会出现上升，数据也会同步干扰，常熟地震台形图 8常熟台形变仪器标定曲线 43Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control变观测进洞干扰通常表现为：阶跃、突跳、固体潮畸变。通常水管仪、伸缩仪受人员干扰数据波动幅度小于垂直摆仪器人为干扰幅度。4.3环境干扰常熟地震台形变观测主要受以下环境干扰因素影响：强降雨、雷电、气压、载荷变化。常熟地震台形变观测受自然环境影响后的数据变化如图10图 12所示。4.3.1自然环境自然环境干扰包括降雨干扰、气压干扰及雷电干扰。通常表现形态为：阶变、固体潮畸变和趋势性变化。观测形变仪器伸缩仪和水管仪与气压变化较为同步，基本不存在滞后性。伸缩仪受气压波动固体潮形态体现较为明显。因常熟台形变山洞山体内部多为石英砂岩，空隙裂缝较多，相较于岩石会有更强的渗透能力，短时强降雨因渗透，更多的进入到山体内部导致饱和或流入附近西南方向河流，仪器洞室山体西南侧高于东北侧，产生向西南向倾斜的压力。距山体西南方向 4 km 处为虞山尚湖，持续的强降雨致使尚湖蓄图 102017021720170222 常熟台 SS-Y 铟瓦棒伸缩仪受气压影响图 9常熟台人为干扰观测曲线 442023年 8月流体测量与控制第 4卷第 4期（总第 17期）水能力超负荷，同时周边的河道也无法达到引流的需求，尚湖的超负荷蓄水使地表受到更强的压力，山体附近会受到其向西南方向的力，持续性强降雨会使尚湖蓄水变化导致的更明显，而东西分量同山体山脊方向较为一致则受影响相对小很多。常熟台 SS-Y 铟瓦棒伸缩仪 2017 年 2 月 17 日02：132 月 22 日 20：43，洞体应变仪固体潮发生了明显的畸变。经排除其他干扰因素，结合本台辅助观测气压变化：2 月 17 日2 月 22 日气压出现明显的大幅波动，变化幅度 23.18 hPa，两者具有较强的一致性变化，判断其为受气压干扰，洞体应变变化幅度：北南分量 1 362.1(10-10)，东西分量 433.4(10-10)。常熟台垂直摆因短时强降雨，数据出现同步干扰波动，形变仪器中 VP 垂直摆自动化程度相对最高，芯片电路板受雷击干扰较为明显，而 DSQ 水管仪和 SSY 伸缩仪通常情况下雷击只会造成前置盒故障。4.3.2场地环境场地环境干扰主要为工程运行导致的载荷变化，常熟地震台站形变观测受场地环境干扰后的数据变化如图 13所示。2019年 5月 2224日常熟台 VS垂直摆、VP垂直摆东西分量数据出现多次鼓包式突跳，经场地排查为附近施工干扰，而由于距离较远长基线的 DSQ水管仪和 SSY伸缩仪则几乎无干扰。5结语常熟地震台四套形变观测仪器主要受到观测系统故障、人为干扰事件和环境干扰（自然环境和场地环境）三类情况影响，不同干扰因素会导致观测曲线不同变化形态，同一干扰因素不同仪器响应图 112018030320180307 常熟台 VS、VP 垂直摆受降雨影响图 1220170925 VP垂直摆受雷电影响图 13常熟地震台站形变观测受场地环境干扰后的数据变化 45Aug.2023Vol.4 No.4 Fluid Measurement&Control也不尽相同，如强降雨会引起 DSQ 水管仪、SS-Y 伸缩仪、VS 垂直摆、VP 垂直摆观测曲线出现转折突变，人员进出山洞会导致仪器记录曲线大幅突跳，垂直摆数据受干扰尤为显著，SS-Y伸缩仪通常受气压波动干扰更加明显，气压变化会引起地倾斜观测仪器记录曲线加粗、毛刺增多，载荷变化会引起 SS-Y 倾斜仪张性变化和数据大幅阶跃等3-4。干扰提高了形变观测中地震前兆识别的难度，如何降低干扰事件发生频次以及如何做好干扰识别工作意义重大。通过以上总结与分析，结合今后的研究，对常熟地震台形变观测干扰影响形成定性和定量认识，可结合理论模型进一步分析，以达到排除干扰、识别地震前兆异常的目的。参考文献：1 江苏省地震局.江苏省地震监测志 M.南京：河海大学出版社，2008：81-90.2 王梅，宋治平，李峰，等.形变数字化资料综合分析 J.大地测量与地球动力学，2003，23（4）：60-64.3 赵黎明，朱冰清，熠煕，等.蓟县地震台小辛庄山洞定点形变观测干扰 J.地震地磁观测与研究，2019，40（1）：107-113.4 殷文杰.小议光传输设备在电力系统通信中的应用 J.流体测量与控制，2022，4（6）：6-9.（上接第 10页）参考文献：1 杨乾霞，王燕，雷涛.英东油田油气水三相流产能试井测试方法研究 J.青海石油，2014，23（2）：50-54.2 林宗虎.能源和动力工程中的重要理论基础一多相流热物理J.中国科学基金，2000，14（6）：359-361.3 韩大匡.关于高含水油田二次开发理念、对策和技术路线的探讨 J.石油勘探与开发，2010，37（5）：583-591.4 付玉红，曲明艺，卢日新.油气水多相流在线测量技术的研究与现场应用 J.仪器仪表学报，2002，23（3）：42-43.5 陈坚祯.一种新型多电极揷入式电磁流量传感器及其基础研究 D.上海：上海大学，2009：4-45.6 刘兴斌，平琳，黄春辉，等.浴轮流量计在气水两相流下响应规律的实验研究 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