丹东台水管倾斜短期异常分析

翟丽娜，贾晓东，孔祥瑞，邵媛媛，滕 藤

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

关键字：水管倾斜；西倾加速；异常调查分析；干扰分析

0 引言

水管仪具有较高的观测精度和稳定性，震前的形态变化可以清晰的反映出地球固体潮汐、地壳岩性参数变化的信息，并帮助我们认清应力变化以及相关地壳形变之间的关系［1、2］。但是观测资料会受到一些外界因素的影响，如气温、湿度、气压、降雨等［3］，使得观测资料出现不同程度的异常变化。由于其影响机理复杂，在地震预报实践中，如何提取较为可靠的前兆异常信息就显得尤为重要［4、5］。针对丹东地震台DSQ型水管倾斜仪出现的短期异常状况，我们根据《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）》准则来进行详细的异常排查分析工作［6］。

丹东地震台DSQ型水管仪为“十五”项目新入网广测仪器，自2008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。其测线日均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，正常年变幅度达140×10-3～190×10-3角秒。自2016年11月中旬以来NS分量和EW分量均出现短期转向状况，其中EW分量出现短期W倾并呈现加速状态，截至2016年12月6日W倾幅度累积已达412 ms，异常出现后对观测各个环节进行检查，EW向出现短时间E倾转W倾加速异常现象是西端浮漂上钢棒与传感器不同心并时有刮碰造成的（图1）。

图1 丹东DSQ水管倾斜整点值异常曲线图Fig.1 Dandon DSQ water tube tiltmeter hour value anomaly curve

1 区域地质构造及历史地震概况

丹东地区处在天山至阴山巨型纬向改造体系的东延部份，与新华夏构造体系东亚大陆第二隆起带复合交接部位，鸭绿江深大断裂带，全长380公里。断裂走向北东45°，断层倾向不稳定，倾角一般在60～80°左右，断层宽度63.5 m，为压扭性深大断裂，呈北东45°走向，倾向南东，是典型的华夏系构造［7］。该断裂起源于吉林省临江，南到黄海北岸。该断裂在宽甸县上河口处分为两支：一支经朝鲜新义州入黄海；另一支在丹东市沿江展布，经东港市入黄海。台址处于鸭绿江断裂带北西盘，即华北地台辽东台背斜，营口—宽甸古隆起中段南翼与华夏构造鸭绿江断裂带交接部位。台基岩性为辽河群浪子山组的矽线石黑云母片麻岩（图2）。

据资料证明，鸭绿江断裂带是第四纪仍在活动的断裂带，受它的控制，在这个带及其两侧附近地震频繁发生，仅1944—1985年发生Ms≥1.0级地震172次。形成鸭绿江地震带。在这个地震带内，1944年12月19日鸭绿江口发生6.8级地震。

图2 丹东地震台地理位置图Fig.2 Geographic location of Dandong Seismic Station

2 DSQ水管倾斜观测情况简介

丹东台位于辽宁省东南部边陲地区，植被好，原为市人防办防空指挥部直属山洞，全长约170 m，覆盖厚度约20～40 m（图3、表1）。台址周围无明显干扰源，具有洞室多，被覆好，保温，防潮的特点，适合地形变观测使用。2006年“十五”期间，丹东台在该山洞内并行安装了SS-Y型洞体应变仪和DSQ型水管倾斜仪。2008年1月正式运行观测，两套仪器符合观测标准，工作稳定。丹东地震台DSQ型水管仪，自2008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，2009年和2010年对观测环境进行初步改造，同时对多种客观干扰因素分析排除，使得内在质量明显提升，无测点变更和仪器变更情况。

图3 丹东地震台平面图Fig.3 Dandong Seismological cave site plan

表1 倾斜观测山洞情况表

形变山洞的仪器墩基主要自然干扰源是黄海的海潮干扰、鸭绿江江水水库泄洪和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由仪器调零、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（表 2）。

表2 干扰源情况

3 异常分析

分析丹东台DSQ型水管倾斜仪自2016年11月中旬以来NS分量和EW分量均出现短期转向状况成因，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；浮子西端浮漂上钢棒与传感器不同心，与传感器似乎有刮碰，进行调整；水管内水质微微泛黄，有轻微浑浊，无漏水现象。

对丹东台山洞外观测环境进行调查，周边并无居民，发现距离山洞大约200米的山顶有电台转播信号塔，已工作多年，对仪器并未产生影响。2016年4月份左右，人防局将后院租给移动公司，用于移动公司做井下水泥预制件，搅拌机一直工作，定期运送沙土，已经持续工作半年多，在这半年多时间里，水管仪器工作正常。对仪器本体检查发现了以下两点问题：

3.1.1 浮子钢棒与传感器不同心影响

2016年12月6日下午省局仪器维修中心工作人员于17：50-19：10进山洞对DSQ水管仪设备进行检查，发现水管仪EW向W端浮漂钢棒与传感器不同心，与传感器似乎有刮碰，进行调整。调整前后数据对比发现EW向两端数据仍有台阶出现，而且对钢棒调整后，浮子仍然是偏离竖直中心位置，并没有改善数据台阶现象，但是由于浮子钢棒偏移中心位置，并不能排除浮子的故障问题（图4）。

3.1.2 数据采集器和主机故障排除

为了排除数据采集器影响，12月8日早09：16分将水管倾斜NS向和EW向输入信号互换，原NS向输入NS向的原始数据现变为NS向输入的是EW向数据，原EW向输入EW向的原始数据现变为EW向输入的是NS向数据。对比信号改变前和改变后的数据图像可以发现，NS向数据未改变数采输入信号前，数据平滑性较好，无台阶，而改变输入数据后，原本输出是NS向数据变为输出是EW向数据，数据开始出现台阶，幅度较大；而EW向数据未改变数采输入信号前，数据平滑性较差，台阶较多，而改变输入数据后，原本输出是EW向数据变为输出是NS向数据，数据较为平滑，无台阶。上述实验说明，数据采集器和主机工作状态良好，NS向仪器较为稳定，EW向仪器存在问题（图 5）。

图4 调整浮子位置后EW测向原始和预处理数据曲线Fig.4 After adjusting the position of the float，the EW is measured to the original and preprocessed data curves

3.2 气象因素的调查

丹东地震台DSQ水管倾斜仪NS向受降雨影响较为显著（图6），我们收集丹东地震台降雨资料。选取2012年以来降雨数据并与该仪器进行对比。据台站收集资料显示：每年7-8月为降雨旺季，最大降雨量接近500 mm。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，因此可排除气象干扰因素。

图5 调整浮子位置后EW测向原始和预处理数据曲线Fig.5 The original and preprocessed EW data curves after adjusting the position of the float

图6 丹东地震台DSQ水管倾斜仪与降雨对比曲线Fig.6 Comparison of horizontal and rainfalldata

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，认为目前异常情况与洞室没有直接关系（图7）。

图7 丹东地震台洞室温度曲线Fig.7 Temperature curve of the tunnel in Dandong

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水管倾斜和SSQ-2型水管倾斜仪整点值数据进行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，与SSQ-2型数字化水平摆和理论固体潮汐曲线对比，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8）。

图8 丹东地震台DSQ水管仪NS，EW分量理论固体潮汐对比Fig.8 The theoretical solid tidal contrast

计算2007年以来丹东台DSQ水管倾斜NS和EW分量潮汐因子参数（M2波、O1波和半日波），计算结果显示自观测系统工作以来一直很稳定（图9）。水管倾斜NS、EW向潮汐因子M2波曲线自2010年中旬至2011年初波动幅值与前几年相比幅度较小，同时段EW向O1波也出现相同变化，而后，水管倾斜NS向开始出现趋势性N倾趋势变化，而且幅度逐年幅度加大，水管倾斜EW向同步变化总体都较稳定，短期无明显变化。

图9 丹东DSQ水管倾斜潮汐因子变化曲线Fig.9 Diversion tidal factor variation curves of DSQ Water Pipe

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向和EW向进行分析，提取长趋势周期和年变周期变化（图10）。

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，该仪器两个测向均具有很好的年周期变化，并在2012年前后具有同步的年变幅度减小变化特征；仪器NS、EW向均在2011年前后出现准同步趋势转向变化。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（图10），且2014年以来EW向年变基本一致［11-12］。

图10 丹东DSQ型水管倾斜NS向EW向数据滤波和周期分析Fig.10 The NS and EW of DSQ data filtering and period analysis

3.5 仪器对比分析

丹东地震台洞体应变观测，自2007年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，2012年以来洞体应变NS向和EW向均目前为张性的趋势变化，且均受到明显的降雨干扰，表现为小幅台阶变化（图11）。

图11 丹东地震台洞体应变观测曲线Fig.11 Curves of cave deforation observaion

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［13］。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［14］。

丹东地震台DSQ型水管倾斜仪自2016年11月中旬以来NS分量和EW分量均出现短期转向状况，其中EW分量出现短期W倾并呈现加速状态，截至2016年12月6日W倾幅度累积已达412 ms，从仪器观测稳定性、降雨资料、周边干扰情况调查等方面对资料异常变化进行科学合理严谨的分析研究，排除人为干扰、降雨干扰、山洞附近移动公司作业、仪器主机、数据采集器、避雷器、放大器等问题，经过现场试验分析，得出：由于浮子钢棒与传感器不同心，与传感器擦壁碰触，导致数据大幅倾斜，西端浮漂上钢棒与传感器不同心并时有刮碰造成的，经过仪器维修人员调整后，仪器数据恢复正常状态，排除异常情况，为进一步对局部应力场的敏感性，为捕捉地震前兆异常提供了进一步保障。

由于仪器故障而导致倾斜异常现象，在后续工作中我们会以丹东地震台为例进行实验性分析，检测可能因分析仪器工作状态的改变引起变化；针对水管观测仪器浮漂上钢棒与传感器不同心问题，水质发浑问题的检查工作具体情况进行分析来排除对数据的影响，使仪器异常信度变高。多学习仪器的原理和构造，在第一时间排除仪器故障问题，为新发现的数据问题提供技术保障，为地震的短临预报提供第一手高信度资料。