辽阳石洞沟水管倾斜短期异常分析

翟丽娜，贾晓东，孔祥瑞，邵媛媛，腾 藤

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

倾斜类仪器一直以来具有较高的观测精度和稳定性，震前的异常形态变化能清晰的反映出地球固体潮汐、地壳岩性参数变化的信息[1-2]，并帮助我们认清应力变化以及相关地壳形变之间的关系[3]。但是观测资料会受到一些外界因素的影响①辽宁省地震局监测处.地震观测资料评比办法及管理细则汇编.沈阳：辽宁省地震局，2012.，如气温、湿度、气压、降雨等，使得观测资料出现不同程度的异常变化，影响机理复杂，这在地震预报实践中，如何提取较为可靠的前兆异常信息是非常重要的。

辽阳地震台石洞沟DSQ型水管仪为“十五”项目新入网广测仪器，自2014年正式运行起，该台仪器运行状态良好，多年观测资料连续稳定可靠。其测线分钟值变化曲线存在明显年变，每年9—10月达到最大值后出现N倾转向S倾，次年4—5月达到最低值后开始S倾转向N倾。2017年2月19日以来NS分量开始出现N倾短期加速、EW分量自2017年3月27日出现E倾短期加速、NE分量自2017年4月5日开始出现E倾短期加速变化。异常出现后对观测各个环节进行检查分析认为：NS分量N倾加速是更换防雷器造成，EW和NE分量加速变化为前兆异常，但由于该仪器受标定和底脚螺丝生锈，导致异常信度较低，后续密切关注该异常变化情况（图1）。本文针对辽阳石洞沟地震台DSQ型水管倾斜仪在2017年2月以来出现的短期异常变化，根据《形变学科观测资料异常变化现场核实工作报告编写要求（试行）》准则对此次异常变化进行了分析研究[4-5]。

图1 辽阳石洞沟DSQ水管倾斜整点值异常曲线图Fig.1 Liaoyang Shidonggou DSQ water tube tiltmeter hour value anomaly curve

1 区域地质构造及历史地震概况

辽阳石洞沟地震台位于2013年新建山洞，处于华北地台东部，辽东隆起次一级构造单元太子河凹陷之西段，距离太子河断裂约5.8km。台基岩性为寒武系下统灰岩，节理发育，较破碎，风化剥蚀较强[7]，山上岩石出露较好，附近主要断裂有太子河断裂及哨子河断裂，水文地质为含水性极弱的孔隙含水层（图2）。

图2 辽阳石洞沟地震台地理位置图Fig.2 Geographic location of Liaoyang Shidonggou Seismic Station

辽阳地区有记录以来发生的最大震级地震为2013年1月23日辽阳灯塔M5.1地震，震前无明显异常变化；此外有记录以来1974年12月22日葠窝水库发生过ML5.2地震。

2 DSQ水管倾斜观测情况简介

辽阳石洞沟山洞位于辽阳市龙石公路西侧的森林公园山体上，距龙石公路仅50m左右。洞址区所在的山林，走向近于南北向，山体大部分被植被覆盖，山洞两端地势起伏较大，呈西高东低之势。洞口处最低，地面高程约为80m；观测洞的东西分量西端处最高，地面高程约130m，相对高差约70m，洞址区及附近无滑坡、崩塌等不良地质体，且无活动的断裂构造，具有较好的场地稳定性。石洞沟地震台DSQ型水管仪为“十五”项目新入网广测仪器，自2014年正式运行起，运行状况良好，连续率、运行率、内精度均达到优秀标准，无测点变更和仪器变更情况。

辽阳石洞沟地震台站地形变观测项目有DSQ型水管倾斜仪和SS-Y型铟瓦棒伸缩仪。DSQ型水管倾斜仪能清晰记录固体潮汐变化。

表1 倾斜观测环境基本情况

表2 数字形变仪器观测资料基本情况

3 异常分析

分析辽阳石洞沟DSQ型水管倾斜NS分量自2017年2月19日以来N倾短期加速、EW分量自2017年3月27日前后E倾短期加速和NE分量自2017年4月5日前后开始E倾短期加速这三项短期异常，主要从仪器工作状态、降雨、周边观测条件改变和孕震机理等方面进行了分析研究（图1）。

3.1 水管倾斜仪工作状态及周边环境检查

对DSQ水管仪器的观测日志、工作报告和标定记录，仪器的主机、传感器、通信系统、供电线路、UPS、避雷设施等进行了检查，信号电压与工作电压均正常；仔细检查仪器墩柱发现脚底螺丝有生锈现象，且锈蚀点比较多，一端三个螺丝至少会有一个生锈较为严重；仪器水管内水质清澈，无浑浊，无漏水现象。

形变山洞的仪器墩基周边自然干扰源主要是雷电引起的波动干扰，但此种干扰不会产生断记。全年主要人为干扰是仪器调零、仪器维修、标定系统维修等原因造成的，为了分析预报应用，对人为严重干扰时段的观测记录做缺数处理。

对DSQ仪器的观测日志、工作报告和标定记录，仪器的主机、传感器、通信系统、供电线路、UPS、避雷设施等进行了检查，信号电压与工作电压均正常；仪器洞室干燥无积水，同洞室仪器工作正常；经现场勘查辽阳石洞沟地震台形变洞室仪器供电系统正常，数据、主机外观线路系统外观工作正常；主机箱信号线接头无氧化现象；常年维护、标定、大震靠摆等技术保障正常，仪器稳定可靠。

对DSQ水管仪的密封板、保温板、砵体、水管水质等进行检查，检查后仪器工作槽保温性能封闭良好。砵体为不锈钢材质，砵体表面无锈迹现象；簧片检查，完好无腐蚀锈迹；胶皮管呈乳白色，纹理清晰未见老化现象；水管内水质很清，无浑浊、漏水现象。

对周边观测环境干扰情况进行调查，DSQ型水管倾斜仪器洞室内干燥，未有渗水现象出现。洞室密闭性良好，无风和异味，说明洞外与洞室内空气为不流通状态。对辽阳石洞沟台山洞外观测环境进行调查发现在山洞对面是乡间小路平日里行人很少，且路边为荒芜很久的平地及山林，无人为干扰和环境变化影响。

为了对仪器稳定性进行分析，笔者对仪器本体进行检查，并通过仪器标定检查、原始曲线分析、固体潮汐分析、数字滤波分析及与其他仪器对比分析结果进一步确定其观测稳定性和可靠性。

通过对仪器本体进行检查及查阅监测志发现，在2017年6月3日拆除避雷器，仪器的脚底螺丝生锈较为严重，共计6端，每端3个垫片，其中生锈最为严重的三端NS分量的N端、EW分量的W端和NE分量的N端，共计9个脚底垫片出现生锈情况，对仪器观测数据可能造成一定的影响。

仪器标定工作是为了检验仪器工作稳定性，并校准格值，因此，标定工作的质量能够很好的反映仪器稳定性和可靠性。笔者对最近一期的标定情况进行进行检查，结果显示NS分量和EW分量标定正常、格值稳定（表3）。

3.2 气象因素调查

辽阳石洞沟DSQ水管倾斜仪NS向受降雨影响较为显著（图3）。我们收集辽阳石洞沟地震台降雨资料，选取2014年以来降雨数据并与该仪器进行对比。据台站收集资料：每年5—6月为降雨旺季。其中北南向受降雨影响明显，表现为毛刺，但并不会影响其总体形态，东西向受降雨影响不明显。且2016年11月和12月初并无大规模降雨和降雪，2017年年初1月和2月，该时段天气较干燥无明显降雪，因此可排除气象干扰因素。检查历年来洞室温度资料分析，洞室温度变化一直非常稳定（图4），认为该异常情况与洞室没有直接关系。

表3 DSQ型水管倾斜仪格值标定表（2016年6月28日）

3.3 固体潮汐分析

固体潮潮汐因子是表征观测场地的介质弹性参数，其变化反映地壳介质的物性变化[8]。潮汐因子分析计算方法的物理意义清晰，异常容易识别，是当前形变预报领域中的重要方法[9、10]。应用Mapsis软件对DSQ水管倾斜整点值数据进行Nakai拟合检验、潮汐变化分析、去潮汐零漂分析等计算，结果显示SQ-70石英摆整点值原始曲线能够记录清晰的固体潮汐曲线，具有很好的固体潮曲线一致性，表明仪器观测是真实、有效、稳定的（图5）。DSQ水管倾斜整点值原始曲线能够记录清晰的固体潮汐曲线，表明仪器观测是真实、有效、稳定的。

图3 辽阳石洞沟地震台DSQ水管倾斜仪与降雨对比曲线Fig.3 Comparison of horizontal and rainfall

图4 辽阳石洞沟地震台洞室温度曲线Fig.4 Temperature curve of the tunnel in Liaoyang Shidonggou

图5 辽阳地震台DSQ水管仪固体潮汐对比Fig. 5 theoretical solid tidal contrast

图6 辽阳石洞沟DSQ型水管倾斜NS向、EW向和NE向数据滤波和周期分析Fig. 6 The NS、EW and NE of DSQ data filtering and period analysis

3.4 数字滤波处理和周期分析

利用三点线性平滑滤对DSQ水管倾斜 NS向、EW向和NE向进行分析，提取长趋势周期和年变周期变化（图6）。

采用三点线性平滑滤波的数学模型如下：

应用平滑滤波方法提取趋势项和周期项分析异常趋势变化特征和年变周期变化特征[10-13]，由于该仪器为2014年新上仪器，时间较短，三个测向的年周期变化均不明显，并在2016年前后具有同步的年变幅度变化特征；仪器NS、EW向均在2016年前后出现准同步趋势转向变化，而NE向的年变幅较前两测向较为清晰。分析结果表明，DSQ型水管倾斜仪NS、EW向两个方向观测结果具有很好的一致性，EW向自2010年存在W倾趋势变化，且2014年以来EW向年变基本一致[11-12]。

应用平滑滤波方法提取趋势项和周期项分析异常趋势变化特征和年变周期变化特征，该仪器三个分量在2017年4月份后年变均出现年变幅度增大变化（图7）。

3.5 仪器对比分析

辽阳石洞沟地震台洞体应变观测，自2014年10月正式运行以来观测稳定，主要受降雨影响明显。从观测曲线形态看，2014年10月以来洞体应变NS向、EW向和NE向目前均处于仪器稳定状态，逐渐出现年变化趋势，且均受到明显的降雨干扰，表现为小幅台阶变化（图7）。

图7 辽阳石洞沟地震台洞体应变观测曲线Fig. 7 Curves of cave deforation observaion

通过仪器标定检查、原始曲线分析、固体潮汐分析、数字滤波周期分析仪器正常，及与其他仪器对比分析结果表明，仪器主机、数据采集器、避雷器均工作状态良好，该项异常不能排除为前兆异常，但仪器脚底螺丝上锈严重，对观测有一定影响，因此该异常信度较低。

4 结论与讨论

水管倾斜仪测量的是水平面与地壳表面之间的夹角变化量，其原理为连通管内水平面保持自然水平状态[12]。水管倾斜的测量结果与地震的孕育与发生有着密切的相关性，一直以来都具有极好的映震效果。但是由于倾斜观测都是在山洞中，很容易受到外界环境的干扰影响，仪器本身故障问题也会导致数据的大幅波动变化情况出现[13]。

辽阳石洞沟地震台DSQ型水管倾斜仪NS分量自2017年2月19日以来N倾短期加速、EW分量E倾短期加速和NE分量E倾短期加速这三项异常变化排除人为干扰、降雨干扰、仪器主机、数据采集器、避雷器等问题，经现场异常核实认为，NS分量N倾加速是更换防雷器造成，EW和NE分量加速变化可能受仪器标定和底脚螺丝生锈影响，该异常信度低，但2017年5月份开始，距辽阳台20km左右的灯塔余震区小震活跃，因此仍需密切关注辽阳石洞沟水管EW和NE分量的变化。

在以后继续对辽阳石洞沟地震台目前使用的DSQ水管倾斜仪进行实验性分析，检测分析仪器工作状态的改变可能引起的变化；建议仪器生产厂家在有条件的情况下参与重大异常的落实，既可以对仪器老化进行有效的分辨，又能对之后的仪器维修提出有效的建议；针对水管倾斜底角螺丝生锈现象对仪器影响的处理应该谨慎，并根据具体情况进行分析后再进行相应的仪器调整工作。