依兰地震台新老水管仪对比分析

高宏巍，邱凤萍，孟祥龙，苑年军，斯琴塔娜

（黑龙江省地震局，黑龙江 哈尔滨 150090）

1 依兰地震台区域地震地质概况

依兰县北侧是小兴安岭余脉，西南侧为张广才岭余脉，松花江与牡丹江在依兰县西北角汇合，倭肯河在县城东北角与松花江交会，巴兰河在县城东部也与松花江汇合，如图1所示。依兰台形变观测老山洞位于依兰县城东南郊，倭肯河流域，海拔约102 m，山洞进深约97 m，洞顶覆盖层厚35 m以上，日温差≤0.1℃，年温差≤0.5℃，湿度保持在65%左右，洞体岩性为黑云母片麻岩。依兰台形变观测新山洞位于依兰县松花江北岸，巴兰河流域，海拔约110 m，山洞进深将近200 m，洞顶覆盖层厚度大于100 m，日温差≤O.1℃，年温差≤0.5℃，湿度保持在60%左右，洞体岩性为花岗岩。

图1 依兰地震台地质地貌图

2 仪器工作原理及台站观测环境对比

DSQ型水管倾斜仪的工作原理：同样的两个容器中，同一液体在相同的气压、温度等条件下，其液面在静止时位于同一水平面上，当地面产生倾斜时，两个容器随之倾斜，从而相对于保持水平的液面产生垂直位移，借助于测微系统精确地测定此位移量，即可换算成地面的倾斜值。本文利用调和分析计算方法，对依兰地震台松花江南北两岸的新、老水管倾斜观测数据进行计算对比分析见表1，验证新台站水管倾斜观测数据在观测质量上是否超过老台站水管倾斜观测数据的质量。

依兰地震台形变观测老山洞位于依兰县城东南郊，倭肯河流域，海拔约102 m，山洞进深约97 m，洞顶覆盖层厚35 m以上，密封门为船舱水密门，水管仪观测腔体距洞口40 m，洞体岩性为黑云母片麻岩；依兰台形变观测新山洞位于依兰县松花江北岸，巴兰河流域，海拔约110 m，山洞进深约200 m，洞顶被覆厚度大于100 m，密封门为冰箱门，水管仪观测腔体距洞口75 m，洞体岩性为花岗岩（表1）。依兰台新观测山洞总长比老台长100 m、密封门为冰箱门，抗外部干扰能力比老台强。依兰台新老形变山洞DSQ仪基线长度不同（表1），其中：老台北南分量为21.56 m，东西分量为21.76 m；新台北南分量为25.45 m，东西分量为25.50 m。

表1 依兰地震台新老形变观测山洞概况与DSQ水管倾斜仪基线长度对比

依兰台老观测山洞走向为相对简单的“┐”型，进深短，抗外界干扰能力也较弱；依兰台新观测山洞走向相对复杂，因为多加了一个斜边，水管仪腔体布设像一个“U”型（图2），北南、东西、北东分量布设于山洞最里侧，抗外界干扰能力较强。通过观测山洞概况和基线长度等条件对比分析可知，依兰台新观测山洞地质和构筑条件全面优于老台观测山洞。

图2 依兰台新老形变观测山洞仪器布设图

3 观测资料内在质量对比分析

选取2020年度依兰台新老水管仪观测数据，统计数据连续率、完整率、年变幅及年零漂等指标，对观测数据进行一般性评价，并以相对噪声水平M1和M2波潮汐因子相对中误差作为指标，评价观测数据内在质量。观测资料质量评价结果见表2。

由表2可知：（1）老台因受观测场地和雷击情况的共同影响下，连续率和完整率均比新台差一倍，年变幅和年零漂均比新台少。（2）新、老台水管倾斜内在质量的指标中，各个指标参数相差不多，表明新、老台水管倾斜观测数据观测质量基本相同。（3）以潮汐因子做指标，新台的精度高于老台。由此可见，新台水管倾斜观测质量要比老台好一些。

表2 2020年度依兰新老台站观测资料质量评价结果

以相对噪声水平M1和M2波潮汐因子相对中误差作为资料内在质量评价指标，2020年每月新、老水管倾斜观测数据，绘制相对噪声水平M1、M2波潮汐因子相对中误差对比曲线如图3所示。因观测山洞地质特性的差异，新、老台相对噪声水平M1、M2波潮汐因子中误差均值和均方差存在显著差异。

图3 新、老台水管倾斜潮汐因子中误差曲线图

4 同震效应对比分析

新、老台水管倾斜观测数据均记录到2020年1月29日在古巴南部某海域发生M7.7地震，震源深度10 km，震中距12 070 km（图4）。新台水管倾斜北南向最大振幅为56.8×10-3角秒，东西向最大振幅为108×10-3角秒，持续时间为394 min；老台水管倾斜北南向最大振幅为105.6×10-3角秒，东西向最大振幅为150.6×10-3角秒，持续时间为395 min。可以看出：老台记录的地震波形最大振幅比新台大将近一倍，持续时间基本相同。可能由于新台台基为花岗岩，老台台基为黑云母片麻岩，花岗岩比黑云母片麻岩造成的弹性形变大的原因造成（图5）。

图4 依兰地震台新、老台水管倾斜记录到2020年1月29日发生在古巴南部海域M7.7地震

图5 新、老台水管倾斜记录到2020年1月29日发生在古巴南部海域M7.7地震（同轴曲线对比）

5 气象资料对比分析

气压、降雨、温度、湿度等气象类的干扰信息给地震形变观测异常识别带来困难，而通过1月和6月的气温、气压分钟图可以判断，对水管倾斜观测气象干扰因素主要是气温和气压。

新、老台水管观测未受气温变化影响，夏季温度高（图6），冬季温度低（图7），新、老台水管倾斜观测数据变化正常，未发现异常现象。

图6 新、老台水管倾斜与气温分钟图（2020-06-02至2020-06-04）

图7 新、老台水管倾斜与气温分钟图（2020-01-08至2020-01-09）

2020年6月10日16时-11日4时气压出现剧烈波动变化，造成老台水管倾斜北南向和东西向观测数据出现固体潮畸变（图8），北南向最大变化幅度2.9×10-3角秒，东西向最大变化幅度1.9×10-3角秒。新台水管观测数据北南向和东西向未发现异常现象。气象三要素仪器布设在老台，距离新台直线距离约30 km，可能新台周边的气压未发生剧烈波动，因此新台未受到气压干扰影响。

图8 新、老台水管倾斜与气压分钟图（2020-06-10至2020-06-11）

2020年8月3日22时-23时老台记录到降雨量2.9 mm，导致新台水管倾斜北南向出现固体潮畸变（图9），最大幅度1.8×10-3角秒；老台水管倾斜北南向出现固体潮畸变，最大幅度1.7×10-3角秒。新、老台水管倾斜东西向观测数据未发现异常现象。此次降雨对新、老台水管倾斜观测数据造成的干扰主要表现在北南向，对东西向干扰较小。

图9 新、老台水管倾斜与降雨分钟图（2020-08-03至2020-08-04）

6 主要干扰源对比分析

2020年5月1日-5月2日老台水管倾斜受东侧3 km哈佳高铁影响，导致数据出现固体潮畸变，表现为固体潮扰动，北南向最大变化幅度1.1×10-3角秒，东西向最大变化幅度1.3×10-3角秒。哈佳高铁位于新台南侧30 km，未受到哈佳高铁干扰，观测数据记录到良好的固体潮，未发现异常现象（图10）。

图10 新、老台水管倾斜受哈佳高铁干扰图（2020-05-01至2020-05-02）

7 结论

水管倾斜观测工作是一项长期而且艰巨的任务，只有良好的山洞条件才能保证产出的形变资料连续可靠。通过对2020年度依兰地震台新老DSQ型水管仪观测数据进行对比分析，得到以下结论：

（1）DSQ型水管仪基线长，观测山洞地质情况优越，观测资料长期稳定、内精度更高。形变观测山洞进深长，被覆厚，密封门多且严密有利于减少周围环境干扰。

（2）DSQ型水管仪安装位置应尽量远离洞口，有利于减少周围环境干扰，仪器密封方式的不同对水管仪的观测质量影响不大。

（3）台基地质条件越好，DSQ型水管仪年变幅越小；年零漂指标反映，依兰地震台新老DSQ仪观测数据曲线变化趋势具有一致性。

（4）从潮汐因子结果来看，新台水管仪的精度高于老台水管仪。

（5）地处巴兰河流域地区、岩性为花岗岩的新台址，比地处倭肯河为黑云母片麻岩的老台的老台址，所受高铁的干扰影响基本为零。

综上所述，观测山洞良好的地质条件是DSQ水管倾斜仪观测的重要基础，是有效降低仪器设备故障，人为影响，降低对外部环境影响，增强仪器设备运维能力，提高观测质量、持久稳定性的重要条件。