昆明地震台水管倾斜仪异常核实*

冯琼松　李思瑶　陈　强　李　鹏

(云南省地震局,昆明650224)



昆明地震台水管倾斜仪异常核实*

冯琼松※李思瑶陈强李鹏

(云南省地震局,昆明650224)

通过对昆明地震台水管倾斜仪多起前兆异常变化进行观测环境和观测系统现场调查核实,结合异常变化特征,分析其可能的干扰因素,发现引起此次异常变化的是环境干扰和仪器本体,排除地震前兆异常的可能。

昆明地震台； 水管倾斜； 异常核实； 干扰

引言

要想提取出观测资料中有价值的震兆信息,必须通过现场调查排除干扰信息,而地震前兆观测资料异常现场核实是一项极其艰难而又非常重要的工作,由于地震前兆观测系统是一个开放系统,有时除了观测系统自身一些因素干扰影响外,更易受自身系统以外因素的影响,而这些影响因素多种多样,极其复杂,这些复杂性给引起地震前兆观测资料异常变化原因的寻找、 性质的判定带来了极大困难[1]。

2014年12月～2016年1月,昆明地震台水管倾斜仪观测资料出现多起前兆异常变化,经多次常规检查处理后,未能确定究竟是否属震兆性异常。为了明确这些异常到底是地震前兆异常,还是仪器状态、 观测环境等因素改变造成的干扰,就必须通过现场调查排除干扰信息,为地震前兆异常的判定提供准确可靠的依据。2016年1月底,台站观测人员和省局仪器维修组按照异常核实要求,对该台水管倾斜仪观测资料一年来的多起不同异常现象进行现场调查与落实,并在限定时间内,编写现场调查核实报告。本文按照此次异常核实过程进行分析,对异常资料性质做出判定,是对当时地震形势判定的重要依据[2],也对台站今后的异常核实工作具有参考价值。

1　台站和异常概述

昆明地震台是地震监测的Ⅰ类观测台站,位于昆明市北郊黑龙潭,海拨1952 m。各类监测仪器安置于洞室内,洞的主体为凵字型,长73 m； 有6个支洞,支洞主长71 m,最深处距洞口47 m； 覆盖层约有30～50 m。洞内温度约15℃,日变化小于0.1℃,年温差0.5℃,相对湿度约93%。而昆明地震台现有的DSQ型水管倾斜仪是在“十五”期间进行数字化改造时安装在此洞室内的,2007年7月1日正式开始观测记录。水管倾斜仪自安装运行以来,工作性能稳定,数据连续率达99.9%以上,能清晰记录倾斜及应变固体潮。

2014年12月～2016年1月,昆明台水管倾斜仪NS分量记录曲线出现规律性大量毛刺异常变化,偶有数据突跳异常现象,其规律性表现为： 异常出现的时间段是每日上午9点至下午18点左右,而晚上19点左右至次日9点前资料记录曲线毛刺异常消失,记录恢复正常,并且每天的异常变化形态基本一致； 2015年6月～2016年1月,水管倾斜仪EW分量记录曲线也出现了大幅度的跳变、 阶跃异常变化,所出现的异常没有时间规律性,白天或晚上都有可能随时出现异常,而大多异常形态特征相同,并且NS分量的异常变化仍在持续。根据工作人员查阅的相关资料,经多次核实排查和仪器维修组检测讨论后,从水管仪记录曲线NS分量和EW分量异常的形态特征分析认为,存在外界环境干扰和仪器本体故障的可能。

2　异常现场调查分析

异常现场核实包括对整个观测系统是否正常的核实,同时,还需要对观测环境进行调查以及对异常成因或性质做进一步的分析,剔除可能的干扰[3]。由于未发现直观、 明确的干扰源,为了及时开展震情短临跟踪工作,进一步判定及核实异常,工作人员及时开展全面、 规范的现场异常核实、 判定工作,而且进行有关异常测项正常动态的分析,对有关异常测项以往震例进行收集与分析,对可能的异常原因进行了分析[4]。

2.1台站周边环境调查

通过实地走访,对昆明地震台周边环境变化情况进行调查,结合水管仪数据异常规律性特征,寻找可能的干扰源。异常核实也要考虑气象、 建筑、 施工、 震兆异常等外部环境因素的影响。

(1) 查看2014年12月以来的气象日志记录,在资料异常期间,发现气象三要素变化与观测资料数据异常时间不对应,且资料异常动态十分稳定,不受降雨、 气压等影响,因此,可排除因气象因素引起的异常变化。

(2) 对台站周边500 m场地范围内走访调查发现,近期没有新开工或完工的工程,特别是,在异常起止时间段内未发现有施工、 大型机械进出、 打井、 抽水等人为活动。为了进一步确定水管仪规律性数据异常情况的原因,明确排除环境干扰的可能性,工作人员又对台站周边1 km范围内走访调查,得知昆明绕城高速公路西北段主线隧道中途一段距昆明地震台观测山洞的直线距离仅为800多米,在2014年10月后正式通车,我们跟踪了一段时间,发现白天通行车辆较多,晚上相对较少,而且在每天9点至18点是通车的高峰期,与观测数据异常时间段相吻合。为了确定核实的真伪,工作人员又调出2015年的观测资料,重点对比了节假日高峰期与淡季时间段内观测资料出现毛刺异常的频率和幅度变化,发现在国家节假日期间,水管仪NS分量资料异常毛刺出现的频率和幅度变化明显高于淡季时间段内毛刺出现的频率和幅度变化。公路车辆产生地震波的动力学和运动学规律主要是10～20 Hz范围的周期信号,频率范围与短周期观测和宽频观测频率范围重叠[5],所以对昆明台的宽频带数字地震仪记录质量同样有干扰,现在直接用原始波形记录进行震相分析却不一定能识别出各种震相,要运用短、 中、 长周期仿真,将原始波形记录模糊不清的震相显现出来。记录P头可辨,面波清楚,记录地震的效果已不如以前清晰,且记录到的地震已少很多。

对水管仪2012年至2015年日均值相对噪声水平分析,发现水管仪NS分量噪声值变化明显,2012年噪声值为0.0003,2013年噪声值为0.0007(当年台站周边房屋改造),2014年噪声值为0.0004,2015年噪声值为0.0007； 而EW分量2012年噪声值为0.0003,2013年噪声值为0.0007(当年台站周边房屋改造),2014年噪声值为0.0003,2015年噪声值为0.0005。从两分量噪声值可看出,2015年水管仪NS分量严重受到外界环境的干扰,而EW分量受到的影响相对较小,考虑昆明台山洞摆放水管仪的两个支洞NS分向和EW分向成90°夹角,之间相隔4 m左右的距离,而绕城高速公路是从北端横穿而过,所以NS分量接受到的干扰信号明显大于EW分量。分析水管仪NS分量记录图上出现的异常动态十分有规律,偶有数据突跳现象,所以判断水管仪NS分量记录曲线出现的规律性毛刺异常变化和偶有数据突跳现象异常情况,是直线距离昆明地震台800 m的绕城高速公路隧道大量通车后车载压力及噪声干扰引起观测资料异常的可信度较大。而水管倾斜仪EW分量记录曲线出现的异常时间段与昆明绕城高速公路通车的高峰期时间段不对应,排除环境干扰所致,认为另有其他干扰。NS分量、 EW分量异常情况如图1和图2所示。

图1　水管北南向异常情况

图2　水管东西向异常情况

(3) 地震前兆异常的排查。作者提取2014年和2015年云南省9次5.0～7.0级地震,发现对本地区本类震兆异常或国内外同类震兆异常进行对比分析,从短临和中长期预报,从同震效应、 震后效应、 震前异常动态来看,水管倾斜仪异常变化没有一次能很好地对应震兆异常。所以现场核实人员认为,昆明地震台水管倾斜仪观测资料多起不同异常情况是地震前兆异常的可能性不大,排除震前异常动态怀疑。

2.2观测系统工作状态检查

通过现场调查核实,排除了因外界环境变化导致水管倾斜仪EW分量数据大幅度跳变、 阶跃异常变化的可能性,接下来的检查,重点针对观测系统本身。一般观测系统的检查主要是对观测仪器的精度校正以及对观测系统工作状态进行检查。于是工作人员对水管倾斜仪EW分量2015年6～12月的日志、 工作报告、 周月会商记录进行查看,认为完全符合日常工作要求和《管理规范》。昆明台水管仪每年标定4次,查阅了2015年6～12月的3次标定记录的标定精度和标定误差都小于1%(表1),从表1可看出,水管仪的标定精度和标定误差均符合《前兆观测标定规范》要求。检查水管仪EW分量钵体无漏水、 连接管无老化、 水质无霉变。对外线路巡视检查,对观测电源的稳定性以及避雷系统线路逐一检查,均符合观测要求,于是也排除了传输过程中(包括现场总线、 数采、 通讯等环节)引入干扰的可能,因此,认为仪器系统连接运行正常。按异常核实要求逐项排查核实后,此时可将问题缩小到观测系统本体的范围,笔者与维修专家讨论并检测水管仪EW分量数据采集器、 传感器、 前置放大器等运行情况,发现水管倾斜仪EW分量异常变化为E端传感器故障所致,在更换传感器后记录逐渐恢复正常。

仪器设备是地震观测台站最重要的硬件工具,对于每个观测台站来说,要使观测人员对仪器的了解达到仪器生产人员的程度是很困难的,为了节约维修时间和维修费用,减少资料的断记次数,保证数据产出的可靠性、 完整性和连续性,以提供可靠的第一手资料。如果能及时解决仪器故障问题,就可对观测到的异常信号做出环境干扰或震兆异常的判断。作者从台站实际观测工作出发,对减少仪器故障问题提供几点建议供参考： ①观测系统的检修应遵循“先想后动、 多想少动”的原则,盲目乱拆、 乱动可能造成更严重的后果,必要时可启用备用仪器,采用“替代法”； ②要有良好的职业操守,准确理解观

表1　水管倾斜仪NS和EW分量各时段标定结果

测系统的组成、 线路布设、 仪器的功能和工作原理,熟悉故障处理流程； ③注意仪器接地、 线路信号屏蔽不良的影响,保证供电模块和电压稳定、 连续。主机探头注意保温、 防潮,必要时加防潮罩和干燥剂,增加避雷装置； ④对每一次维修的方法进行记录,对不同故障出现的原因及其解决方法进行对比,和同事间进行经验技术的沟通和交流,参加有关仪器设备的维修与维护培训,及时请求专家及专业技术人员进行指导； ⑤“十五”前兆观测仪器质量标准普遍偏低,只有保证仪器元器件质量才能提高工作性能的稳定性,也要考虑提高观测仪器环境温度范围； ⑥仪器故障多种多样,随时都有可能发生,要对每次故障做出正确的分析和判断,就要通过实践提高台站工作人员对仪器设备故障出现的早期判断能力。科学、 合理地进行预防性维护,可以有效降低故障发生率,保障仪器设备的工作效果和完好率。

3　初步结论

经过上述台站观测周边环境现场调查和观测系统工作状态检查,初步判定2014年12月～2016年1月水管倾斜仪NS分量记录曲线在每天9点到18点左右出现规律性毛刺异常变化,偶有数据突跳异常情况是观测环境变化即绕城高速隧道车载压力及噪声干扰所致； 水管倾斜仪EW分量异常为观测系统本体传感器故障所致,更换传感器后观测恢复正常。两分量异常变化均不属于地震前兆异常。

4　讨论和思路

针对昆明台水管倾斜仪本次异常较有规律的特点,主要寻找观测区及附近是否存在较有规律的干扰,在观测环境干扰调查中,发现距昆明地震台直线距离800 m的绕城高速隧道通车高峰时间较规律,而且与观测数据异常情况同步,所以初步分析水管倾斜仪NS分量存在环境变化干扰的可能； 而水管倾斜仪EW分量的干扰在核实人员细致入微的逐一排除可能的干扰因素后,确定是E端传感器故障所致,在更换传感器后记录曲线逐渐恢复正常。

在前兆异常变化分析核实过程中,初步分析是否存在干扰的可能及可能的干扰因素较为重要[6]。由于地震前兆观测系统处于一个更大、 更复杂的开放系统中,除了会受自身系统内部一些因素影响外,更易受自身系统以外的因素影响。地震前兆观测资料干扰因素有些看得见,大多是看不见或难于发现的,种类繁多,有来自周边环境的、 有来自地下的、 有来自空间的,这些复杂环境变化因素,以及观测系统本身出现一些问题对前兆观测资料产生附加影响,这些复杂性给地震前兆观测资料异常变化的原因寻找、 性质判定带来了极大困难。而在日常地震前兆资料跟踪分析中,当前兆观测设备出现记录不正常时,只允许查找观测环境等因素,不允许替换设备或设备部件,许多异常只能不了了之。

对地震前兆异常核实的核心,就是要逐一排除所有的干扰因素。而前兆异常客观存在着震兆性与非震兆性(干扰)两大类,资料出现异常首先要实事求是地逐一排查核实,尽可能剔除非震兆性异常,而不应受周边出现的地震或其他前兆异常影响,主观将其归结为震兆性异常[7]。由于影响因素的复杂性,很多时候很难明确找到原因,作者提出几点异常现场核实工作思路供参考： ①异常核实准备工作； ②认真、 细致、 全面地做好异常现场调查工作； ③编写异常调查和核实报告； ④一般有规律的异常变化,干扰的可能性较大,查找原因时要根据物理量的特性及异常形态的变化规律、 特征,通过异常变化时间点寻找可能干扰事件发生的时间及过程,或根据观测系统,观测环境情况,进行针对性调查、 查找及排除,找到可能的影响因素； ⑤工作人员要不断提高业务水平,不断积累和深入研究,平时填好工作日志,精心维护仪器,对已有的异常变化进行分析、 筛选,开展震例对比分析,才能从干扰中提取有用的地震前兆异常信息； ⑥对外界干扰的影响量进行精确的计算非常困难,如有可能应该从不同频谱周期来改善仪器的系列配套观测,从而滤除一些不同频率的干扰信号记录。

前兆仪器在记录地震信号的同时也如实记录了环境的变化,所以必须经过科学严谨的现场核实,减少调查时的任何遗漏而造成异常核实的失败,且对异常资料做出正确的判定,用扎实细致的工作来处理好地震和异常核实之间的关系,是对地震形势判定的重要依据,因此,对最终异常资料性质判定的准确性就极为重要。

[1] 中国地震局监测预报司． 地震前兆异常落实工作指南． 北京： 地震出版社,2000

[2] 杨雪超,赵爱平,操红． 南昌台气氡异常核实． 防灾科技学院学报,2007,9(3)： 43-47

[3] 熊先保,林立峰,杨婕． 水管倾斜仪与摆式倾斜仪抗干扰能力分析． 华南地震,2013,33(2)： 34-40

[4] 张涛,朱成英,杨晓芳,等． 呼图壁新21泉动水位大幅上升异常核实与分析． 内陆地震,2015,29(3)： 255-260

[5] 李桐林,金祥秋,张健． 高速公路行车对地震监测的影响试验与对策研究． 吉林交通科技,2002(3)： 6-9

[6] 雷登学,张建武,田野登,等． 肃南地震台形变观测资料干扰识别与排除． 地震地磁观测与研究,2012,33(1)： 49-52

[7] 王永刚,李涛,马辉青,等． 西宁地震台前兆观测干扰分析． 高原地震,2013,25(2)： 26-30

Verify the abnormality of the water-tube instrument of Kunming

Feng Qiongsong, Li Siyao, Cheng Qiang, Li Peng

(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,China)

By verifying the abnormality of the water-tube instrument and observing environment, we found out the reasons of these abnormalities are because of environment and instrument rather than the earthquake.

Kunming; water-tube instrument; verify the abnormal; interference

2016-03-29； 采用日期： 2016-04-26。

冯琼松,e-mail: 779773296@qq.com。

地震行业科研专项(201208018)资助。

P315.72；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.005