抚顺地区洞体应变仪观测质量及干扰因素分析

左 艳，王 琳，孙丽娟，张 闯，闫 寒

（1.抚顺地震台，辽宁 抚顺 113006；2.营口地震台，辽宁 营口 115101；3.抚顺市应急服务中心，辽宁 抚顺 113006）

0 引言

洞体应变仪观测是精密测量地壳两点之间相对水平变化的一种观测方法[1]，洞体应变监测是形变观测的主要手段，目前SSY型洞体应变仪因其格值稳定、固体潮记录清晰，已然成为一种重要的地震前兆监测手段，为自动测量地壳形变的一种精密仪器[2]，为地震前兆资料的积累和研究提供可靠的观测数据[3]。经过多年观测运行，抚顺地区SSY型洞体应变仪运行情况、观测精度及干扰因素等问题是分析预报人员非常关心的问题，因此，对抚顺地区洞体应变仪观测的质量及干扰因素分析是十分必要的，对于提高形变观测资料质量和提取可靠的地震前兆异常信息意义重大[4]。

1 抚顺地区地质构造背景及观测条件概况

抚顺处于密山—敦化断裂与伊兰—伊通断裂之间如图1所示，该地区属滨太平洋断裂体系位于下辽河断陷盆地与辽东隆起带的交接处、NE向抚顺新生代断陷盆地内，是两种不同运动性质断块的分界地区，地质构造比较复杂，主体构造线呈NE—NEE方向。主要断裂构造为北NE向的浑河深大断裂，该断裂在古生代、中生代、新生代都有过强烈活动。其次是章党—哈达断裂等，还发育有一系列NW—NWW向不同规模的断裂和弧形断裂。这些断裂控制了本区构造格局及区内的地震活动。邻区有铁岭—开原断裂、牛居—油燕沟断裂、辽中断裂、台安断裂、太子河断裂等。

抚顺地区共有3个SSY型洞体应变仪观测台站，如图1、表1所示，分别是抚顺地震台、北大岭地震台和南山城地震站。

图1 抚顺地区SSY型洞体应变仪地理位置分布Fig.1 Geological location of the SSY extension instruments in Fushun

2 观测背景

2.1 抚顺台山洞

抚顺台的观测洞室是七十年代建造的抚顺市人防战备坑道。其地理位置处于抚顺市东北郊，在抚顺台南偏东2km处，所在区域属辽宁东部丘陵地带，是山区与平原的结合部。附近地形表现为东有河流，南临公路，北部是开阔山沟，西连丘陵山脉。山体表面植被为高棵树木。位于阴山东西复杂构造带东段与新华夏构造体系第二巨型隆起带的交接部位，南约4～5km处有浑河深大断裂通过。洞室附近主要岩石分布是二长混合岩、角闪斜长混合岩、煌班岩脉。观测洞室的垂直覆盖厚度24m，侧覆盖厚度18m；常年温度10.0℃左右，日变温度≤0.02℃，年变温度≤0.5℃，湿度为80%。其间铁皮门3道，塑钢密封门6道。仪器墩材质为花岗岩，安放仪器钵体的主墩5个，均设有防震槽。

干扰源：距离洞室东50m处有一河流，2006年距抚顺台观测山洞东南不到200m的抚顺发电厂有两台300MW三期热电工程以及坐落在观测洞室山顶输电塔工程。

2.2 北大岭山洞

北大岭山洞所在山体最高处海拔220m，山上植被以刺槐及灌木为主。洞室地面海拔约120m，洞体呈大体东西走向，长约330m，宽高各约4m，主洞室已被覆，50m的支洞未被覆，下伏基岩为花岗片麻岩。山洞的侧覆盖与顶覆盖随山洞的进伸不断增厚，覆盖厚度在32.7～46.2m。

当地气候属温带，四季分明，春秋多风、雷害，夏冬多降水，小气候特点是辐射雾。极值温度在-35℃与+35℃左右。

该山洞根据施工要求，做到防水、硬化地面、防渗漏水，并要求留排水暗沟并与主洞排水沟相连，地面横截面坡度为2%，绝对不能形成倒流反水。

洞口设防盗铁门一道，向内设有四道船舱密封门，船舱门内框净尺寸为1.7m×0.8m，门厚要求大于120mm，铁板厚度不小于3mm，其内夹保温板，无论何种材质均要加装密封条，确保无气流通过且做到保温。塑钢密封门16道，采取一左一右间隔设置以减少气流影响，封堵均为三七墙。仪器墩材质为花岗岩，安放仪器主体的主墩7个，均设有防震槽。

北大岭山洞的主要自然干扰源是5级以上大风、7级以上远震以及强降雨和雷电引起的干扰。

2.3 南山城地震站

南山城站定点地形变观测所在位置属辽东丘陵山区，四面环山，植被为高棵乔木，有季节小河流。

该地区地层为鞍山群北大岭亚组、毛燕亚组混合质斜长角闪岩、黑云片麻岩；处在浑河深大断裂南盘与新宾弧形断裂东翼交汇处。洞室岩性为花岗片麻岩，质密不透水，节理不发育，有小断裂存在。洞体主覆盖垂直厚度49.4m，侧覆盖厚度33.7m。洞室内常年温度6.8℃，日变温度≤0.01℃，年变温度≤0.3℃，湿度100%；水泥密封门7道，塑钢密封门4道。仪器墩材质为花岗岩；其中水平摆墩2个，尺寸均是1.1×0.9×0.4m，设有5cm防震槽；水管仪主墩2个、间墩55个（每1.5m一个），主墩四周都设有5cm防震槽。

观测环境干扰较小，人为干扰几乎没有，自然的风、雷害、短时量大降雨较为常见。

表1 抚顺地区SSY型洞体应变仪主要技术指标

3 运行质量指标

3.1 资料的连续率与完整率

2006年抚顺台洞体应变仪进行了“十五”升级改造，因此对2007—2018年抚顺台洞体应变仪进行了连续率和完整率统计如图2-3和表2所示，由于2006年初装，2007—2008年仪器运行还不是很稳定，所以连续率和完整率都比较低，2010年和2013年由于仪器故障，数据缺记较多，其他年份仪器运行比较稳定，连续率和完整率都大于99%，提供了连续、可靠的资料。

图2 抚顺地区应变仪2007—2018年连续率统计Fig.2 Continuous rate of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

如图2-3和表2所示，北大岭山洞2011年安装了洞体应变仪，因此2012—2013年资料连续率较低，其他年份该仪器运行非常稳定，连续率和完整率都大于99%，资料连续可靠。

如图2-3和表2所示，南山城洞体应变仪2007年初装，因此2008年连续率、完整率较低，另外由于该仪器每年都遭遇雷击，严重影响了该资料的连续性，有7年资料完整率低于99%。

图3 抚顺地区应变仪2007—2018年完整率统计Fig.3 Integrity rate of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

表2 抚顺地区SSY型洞体应变仪2006—2018年连续率与完整率

3.2 潮汐因子中误差

运用基于最小二乘法Venedikov固体潮调和分析法对SSY型洞体应变仪观测数据进行调和分析，计算出M2波振幅因子相对中误差，如图4、表3所示，抚顺台洞体应变仪M2波振幅因子相对中误差除去2007年受仪器初装影响，精度较低外，2008—2018年运行比较稳定，精度在0.0130～0.0197之间，北大岭洞体应变仪精度在0.0093～0.0103之间，该仪器运行最稳定，精度也最好。南山城洞体应变仪运行最不稳定，精度在0.0123～0.0252之间，精度也最低。

图4 抚顺地区应变仪2007—2018年潮汐因子中误差Fig.4 Characteristics of mean error of amplitude factor of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

表3 抚顺地区SSY型洞体应变仪2006—2018年运行质量指标

3.3 相对噪声水平

相对噪声水平是用来判断洞体应变观测资料长期稳定性的一项定量指标。其噪声水平数值越低，表明仪器提取的信号越接近于真实状况。从总体看如图5、表3所示，抚顺地区3套洞体应变仪M1相对噪声水平指标，抚顺台（除去2007—2008年受初装仪器影响） 与北大岭达到国家I类台标准，地震及前兆数字观测技术规范要求地应变I类台噪声水平M1小于0.05″，而南山城地震站SSY型洞体应变仪稳定性较差。

图5 抚顺地区应变仪2007—2018年相对噪声水平Fig.5 M1 relative noise level of extension instruments from 2007 to 2018 in Fushun

4 干扰因素分析

抚顺地区SSY型洞体应变仪同震响应记录情况相对较弱，2015年以来，抚顺台SSY型洞体应变仪仅记录到地震24次，南山城SSY型洞体应变仪记录到地震49次，北大岭SSY型洞体应变仪记录到地震62次。

如图6所示，抚顺地区3套SSY型洞体应变仪极易受到自然环境（降雨、雷电、风扰、气压）和人为干扰（进洞维修仪器、调零、标定、电压不稳）的影响。在日常观测中发现，自然环境干扰很多情况并不是孤立存在的，在降雨的过程中经常伴随着气压的改变，2015年以来，自然环境干扰中，南山城洞体应变仪干扰次数最多67次，抚顺台干扰次数45次，北大岭干扰次数最少33次。人为干扰事件中，南山城25次，抚顺台与北大岭各8次，系统故障事件中，南山城达到98次，抚顺台15次，北大岭8次。

图6 抚顺地区SSY型洞体应变仪2015—2018年事件分布特征Fig.6 Events of the SSY extension instruments from 2015 to 2018 in Fushun

5 结语

通过分析抚顺地区三台套SSY型洞体应变仪的连续率、完整率、潮汐因子中误差及相对噪声水平，北大岭洞体应变仪由于安装最晚，洞室条件较好，因此该仪器资料连续率、完整率、精度最高，抚顺台由于洞室主覆盖和侧覆盖厚度较薄，因此精度比北大岭较低，另外由于抚顺台SSY目前仍然是“九五”的传感器和前置盒，损坏以后无备用件更换，因此影响了资料的连续率。南山城地震站地处辽宁东部山区，偏远闭塞，交通不便，地壳形变的观测环境十分理想，但保障条件却十分困难，最为恶劣的是农村供电不稳定，易受雷击，虽然已多次做防雷，但效果不是很明显，南山城因为雷电造成仪器多次损坏，为了防止仪器遭雷击损坏，在雷雨天气进行了停止供电，因此也造成了该资料的连续率较低，另外多次进洞进行维修仪器，也降低了资料的精度和完整率。