馮瓊松　李思瑤　陳　強(qiáng)　李　鵬

(云南省地震局,昆明650224)

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昆明地震臺水管傾斜儀異常核實*

馮瓊松※李思瑤陳強(qiáng)李鵬

(云南省地震局,昆明650224)

通過對昆明地震臺水管傾斜儀多起前兆異常變化進(jìn)行觀測環(huán)境和觀測系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)查核實,結(jié)合異常變化特征,分析其可能的干擾因素,發(fā)現(xiàn)引起此次異常變化的是環(huán)境干擾和儀器本體,排除地震前兆異常的可能。

昆明地震臺； 水管傾斜； 異常核實； 干擾

引言

要想提取出觀測資料中有價值的震兆信息,必須通過現(xiàn)場調(diào)查排除干擾信息,而地震前兆觀測資料異常現(xiàn)場核實是一項極其艱難而又非常重要的工作,由于地震前兆觀測系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng),有時除了觀測系統(tǒng)自身一些因素干擾影響外,更易受自身系統(tǒng)以外因素的影響,而這些影響因素多種多樣,極其復(fù)雜,這些復(fù)雜性給引起地震前兆觀測資料異常變化原因的尋找、 性質(zhì)的判定帶來了極大困難[1]。

2014年12月～2016年1月,昆明地震臺水管傾斜儀觀測資料出現(xiàn)多起前兆異常變化,經(jīng)多次常規(guī)檢查處理后,未能確定究竟是否屬震兆性異常。為了明確這些異常到底是地震前兆異常,還是儀器狀態(tài)、 觀測環(huán)境等因素改變造成的干擾,就必須通過現(xiàn)場調(diào)查排除干擾信息,為地震前兆異常的判定提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。2016年1月底,臺站觀測人員和省局儀器維修組按照異常核實要求,對該臺水管傾斜儀觀測資料一年來的多起不同異?，F(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查與落實,并在限定時間內(nèi),編寫現(xiàn)場調(diào)查核實報告。本文按照此次異常核實過程進(jìn)行分析,對異常資料性質(zhì)做出判定,是對當(dāng)時地震形勢判定的重要依據(jù)[2],也對臺站今后的異常核實工作具有參考價值。

1　臺站和異常概述

昆明地震臺是地震監(jiān)測的Ⅰ類觀測臺站,位于昆明市北郊黑龍?zhí)?海撥1952 m。各類監(jiān)測儀器安置于洞室內(nèi),洞的主體為凵字型,長73 m； 有6個支洞,支洞主長71 m,最深處距洞口47 m； 覆蓋層約有30～50 m。洞內(nèi)溫度約15℃,日變化小于0.1℃,年溫差0.5℃,相對濕度約93%。而昆明地震臺現(xiàn)有的DSQ型水管傾斜儀是在“十五”期間進(jìn)行數(shù)字化改造時安裝在此洞室內(nèi)的,2007年7月1日正式開始觀測記錄。水管傾斜儀自安裝運(yùn)行以來,工作性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)連續(xù)率達(dá)99.9%以上,能清晰記錄傾斜及應(yīng)變固體潮。

2014年12月～2016年1月,昆明臺水管傾斜儀NS分量記錄曲線出現(xiàn)規(guī)律性大量毛刺異常變化,偶有數(shù)據(jù)突跳異?，F(xiàn)象,其規(guī)律性表現(xiàn)為： 異常出現(xiàn)的時間段是每日上午9點至下午18點左右,而晚上19點左右至次日9點前資料記錄曲線毛刺異常消失,記錄恢復(fù)正常,并且每天的異常變化形態(tài)基本一致； 2015年6月～2016年1月,水管傾斜儀EW分量記錄曲線也出現(xiàn)了大幅度的跳變、 階躍異常變化,所出現(xiàn)的異常沒有時間規(guī)律性,白天或晚上都有可能隨時出現(xiàn)異常,而大多異常形態(tài)特征相同,并且NS分量的異常變化仍在持續(xù)。根據(jù)工作人員查閱的相關(guān)資料,經(jīng)多次核實排查和儀器維修組檢測討論后,從水管儀記錄曲線NS分量和EW分量異常的形態(tài)特征分析認(rèn)為,存在外界環(huán)境干擾和儀器本體故障的可能。

2　異?，F(xiàn)場調(diào)查分析

異?，F(xiàn)場核實包括對整個觀測系統(tǒng)是否正常的核實,同時,還需要對觀測環(huán)境進(jìn)行調(diào)查以及對異常成因或性質(zhì)做進(jìn)一步的分析,剔除可能的干擾[3]。由于未發(fā)現(xiàn)直觀、 明確的干擾源,為了及時開展震情短臨跟蹤工作,進(jìn)一步判定及核實異常,工作人員及時開展全面、 規(guī)范的現(xiàn)場異常核實、 判定工作,而且進(jìn)行有關(guān)異常測項正常動態(tài)的分析,對有關(guān)異常測項以往震例進(jìn)行收集與分析,對可能的異常原因進(jìn)行了分析[4]。

2.1臺站周邊環(huán)境調(diào)查

通過實地走訪,對昆明地震臺周邊環(huán)境變化情況進(jìn)行調(diào)查,結(jié)合水管儀數(shù)據(jù)異常規(guī)律性特征,尋找可能的干擾源。異常核實也要考慮氣象、 建筑、 施工、 震兆異常等外部環(huán)境因素的影響。

(1) 查看2014年12月以來的氣象日志記錄,在資料異常期間,發(fā)現(xiàn)氣象三要素變化與觀測資料數(shù)據(jù)異常時間不對應(yīng),且資料異常動態(tài)十分穩(wěn)定,不受降雨、 氣壓等影響,因此,可排除因氣象因素引起的異常變化。

(2) 對臺站周邊500 m場地范圍內(nèi)走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn),近期沒有新開工或完工的工程,特別是,在異常起止時間段內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有施工、 大型機(jī)械進(jìn)出、 打井、 抽水等人為活動。為了進(jìn)一步確定水管儀規(guī)律性數(shù)據(jù)異常情況的原因,明確排除環(huán)境干擾的可能性,工作人員又對臺站周邊1 km范圍內(nèi)走訪調(diào)查,得知昆明繞城高速公路西北段主線隧道中途一段距昆明地震臺觀測山洞的直線距離僅為800多米,在2014年10月后正式通車,我們跟蹤了一段時間,發(fā)現(xiàn)白天通行車輛較多,晚上相對較少,而且在每天9點至18點是通車的高峰期,與觀測數(shù)據(jù)異常時間段相吻合。為了確定核實的真?zhèn)?工作人員又調(diào)出2015年的觀測資料,重點對比了節(jié)假日高峰期與淡季時間段內(nèi)觀測資料出現(xiàn)毛刺異常的頻率和幅度變化,發(fā)現(xiàn)在國家節(jié)假日期間,水管儀NS分量資料異常毛刺出現(xiàn)的頻率和幅度變化明顯高于淡季時間段內(nèi)毛刺出現(xiàn)的頻率和幅度變化。公路車輛產(chǎn)生地震波的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)規(guī)律主要是10～20 Hz范圍的周期信號,頻率范圍與短周期觀測和寬頻觀測頻率范圍重疊[5],所以對昆明臺的寬頻帶數(shù)字地震儀記錄質(zhì)量同樣有干擾,現(xiàn)在直接用原始波形記錄進(jìn)行震相分析卻不一定能識別出各種震相,要運(yùn)用短、 中、 長周期仿真,將原始波形記錄模糊不清的震相顯現(xiàn)出來。記錄P頭可辨,面波清楚,記錄地震的效果已不如以前清晰,且記錄到的地震已少很多。

對水管儀2012年至2015年日均值相對噪聲水平分析,發(fā)現(xiàn)水管儀NS分量噪聲值變化明顯,2012年噪聲值為0.0003,2013年噪聲值為0.0007(當(dāng)年臺站周邊房屋改造),2014年噪聲值為0.0004,2015年噪聲值為0.0007； 而EW分量2012年噪聲值為0.0003,2013年噪聲值為0.0007(當(dāng)年臺站周邊房屋改造),2014年噪聲值為0.0003,2015年噪聲值為0.0005。從兩分量噪聲值可看出,2015年水管儀NS分量嚴(yán)重受到外界環(huán)境的干擾,而EW分量受到的影響相對較小,考慮昆明臺山洞擺放水管儀的兩個支洞NS分向和EW分向成90°夾角,之間相隔4 m左右的距離,而繞城高速公路是從北端橫穿而過,所以NS分量接受到的干擾信號明顯大于EW分量。分析水管儀NS分量記錄圖上出現(xiàn)的異常動態(tài)十分有規(guī)律,偶有數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象,所以判斷水管儀NS分量記錄曲線出現(xiàn)的規(guī)律性毛刺異常變化和偶有數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象異常情況,是直線距離昆明地震臺800 m的繞城高速公路隧道大量通車后車載壓力及噪聲干擾引起觀測資料異常的可信度較大。而水管傾斜儀EW分量記錄曲線出現(xiàn)的異常時間段與昆明繞城高速公路通車的高峰期時間段不對應(yīng),排除環(huán)境干擾所致,認(rèn)為另有其他干擾。NS分量、 EW分量異常情況如圖1和圖2所示。

圖1　水管北南向異常情況

圖2　水管東西向異常情況

(3) 地震前兆異常的排查。作者提取2014年和2015年云南省9次5.0～7.0級地震,發(fā)現(xiàn)對本地區(qū)本類震兆異?；驀鴥?nèi)外同類震兆異常進(jìn)行對比分析,從短臨和中長期預(yù)報,從同震效應(yīng)、 震后效應(yīng)、 震前異常動態(tài)來看,水管傾斜儀異常變化沒有一次能很好地對應(yīng)震兆異常。所以現(xiàn)場核實人員認(rèn)為,昆明地震臺水管傾斜儀觀測資料多起不同異常情況是地震前兆異常的可能性不大,排除震前異常動態(tài)懷疑。

2.2觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

通過現(xiàn)場調(diào)查核實,排除了因外界環(huán)境變化導(dǎo)致水管傾斜儀EW分量數(shù)據(jù)大幅度跳變、 階躍異常變化的可能性,接下來的檢查,重點針對觀測系統(tǒng)本身。一般觀測系統(tǒng)的檢查主要是對觀測儀器的精度校正以及對觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。于是工作人員對水管傾斜儀EW分量2015年6～12月的日志、 工作報告、 周月會商記錄進(jìn)行查看,認(rèn)為完全符合日常工作要求和《管理規(guī)范》。昆明臺水管儀每年標(biāo)定4次,查閱了2015年6～12月的3次標(biāo)定記錄的標(biāo)定精度和標(biāo)定誤差都小于1%(表1),從表1可看出,水管儀的標(biāo)定精度和標(biāo)定誤差均符合《前兆觀測標(biāo)定規(guī)范》要求。檢查水管儀EW分量缽體無漏水、 連接管無老化、 水質(zhì)無霉變。對外線路巡視檢查,對觀測電源的穩(wěn)定性以及避雷系統(tǒng)線路逐一檢查,均符合觀測要求,于是也排除了傳輸過程中(包括現(xiàn)場總線、 數(shù)采、 通訊等環(huán)節(jié))引入干擾的可能,因此,認(rèn)為儀器系統(tǒng)連接運(yùn)行正常。按異常核實要求逐項排查核實后,此時可將問題縮小到觀測系統(tǒng)本體的范圍,筆者與維修專家討論并檢測水管儀EW分量數(shù)據(jù)采集器、 傳感器、 前置放大器等運(yùn)行情況,發(fā)現(xiàn)水管傾斜儀EW分量異常變化為E端傳感器故障所致,在更換傳感器后記錄逐漸恢復(fù)正常。

儀器設(shè)備是地震觀測臺站最重要的硬件工具,對于每個觀測臺站來說,要使觀測人員對儀器的了解達(dá)到儀器生產(chǎn)人員的程度是很困難的,為了節(jié)約維修時間和維修費(fèi)用,減少資料的斷記次數(shù),保證數(shù)據(jù)產(chǎn)出的可靠性、 完整性和連續(xù)性,以提供可靠的第一手資料。如果能及時解決儀器故障問題,就可對觀測到的異常信號做出環(huán)境干擾或震兆異常的判斷。作者從臺站實際觀測工作出發(fā),對減少儀器故障問題提供幾點建議供參考： ①觀測系統(tǒng)的檢修應(yīng)遵循“先想后動、 多想少動”的原則,盲目亂拆、 亂動可能造成更嚴(yán)重的后果,必要時可啟用備用儀器,采用“替代法”； ②要有良好的職業(yè)操守,準(zhǔn)確理解觀

表1　水管傾斜儀NS和EW分量各時段標(biāo)定結(jié)果

測系統(tǒng)的組成、 線路布設(shè)、 儀器的功能和工作原理,熟悉故障處理流程； ③注意儀器接地、 線路信號屏蔽不良的影響,保證供電模塊和電壓穩(wěn)定、 連續(xù)。主機(jī)探頭注意保溫、 防潮,必要時加防潮罩和干燥劑,增加避雷裝置； ④對每一次維修的方法進(jìn)行記錄,對不同故障出現(xiàn)的原因及其解決方法進(jìn)行對比,和同事間進(jìn)行經(jīng)驗技術(shù)的溝通和交流,參加有關(guān)儀器設(shè)備的維修與維護(hù)培訓(xùn),及時請求專家及專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)； ⑤“十五”前兆觀測儀器質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低,只有保證儀器元器件質(zhì)量才能提高工作性能的穩(wěn)定性,也要考慮提高觀測儀器環(huán)境溫度范圍； ⑥儀器故障多種多樣,隨時都有可能發(fā)生,要對每次故障做出正確的分析和判斷,就要通過實踐提高臺站工作人員對儀器設(shè)備故障出現(xiàn)的早期判斷能力?？茖W(xué)、 合理地進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),可以有效降低故障發(fā)生率,保障儀器設(shè)備的工作效果和完好率。

3　初步結(jié)論

經(jīng)過上述臺站觀測周邊環(huán)境現(xiàn)場調(diào)查和觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查,初步判定2014年12月～2016年1月水管傾斜儀NS分量記錄曲線在每天9點到18點左右出現(xiàn)規(guī)律性毛刺異常變化,偶有數(shù)據(jù)突跳異常情況是觀測環(huán)境變化即繞城高速隧道車載壓力及噪聲干擾所致； 水管傾斜儀EW分量異常為觀測系統(tǒng)本體傳感器故障所致,更換傳感器后觀測恢復(fù)正常。兩分量異常變化均不屬于地震前兆異常。

4　討論和思路

針對昆明臺水管傾斜儀本次異常較有規(guī)律的特點,主要尋找觀測區(qū)及附近是否存在較有規(guī)律的干擾,在觀測環(huán)境干擾調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)距昆明地震臺直線距離800 m的繞城高速隧道通車高峰時間較規(guī)律,而且與觀測數(shù)據(jù)異常情況同步,所以初步分析水管傾斜儀NS分量存在環(huán)境變化干擾的可能； 而水管傾斜儀EW分量的干擾在核實人員細(xì)致入微的逐一排除可能的干擾因素后,確定是E端傳感器故障所致,在更換傳感器后記錄曲線逐漸恢復(fù)正常。

在前兆異常變化分析核實過程中,初步分析是否存在干擾的可能及可能的干擾因素較為重要[6]。由于地震前兆觀測系統(tǒng)處于一個更大、 更復(fù)雜的開放系統(tǒng)中,除了會受自身系統(tǒng)內(nèi)部一些因素影響外,更易受自身系統(tǒng)以外的因素影響。地震前兆觀測資料干擾因素有些看得見,大多是看不見或難于發(fā)現(xiàn)的,種類繁多,有來自周邊環(huán)境的、 有來自地下的、 有來自空間的,這些復(fù)雜環(huán)境變化因素,以及觀測系統(tǒng)本身出現(xiàn)一些問題對前兆觀測資料產(chǎn)生附加影響,這些復(fù)雜性給地震前兆觀測資料異常變化的原因?qū)ふ摇?性質(zhì)判定帶來了極大困難。而在日常地震前兆資料跟蹤分析中,當(dāng)前兆觀測設(shè)備出現(xiàn)記錄不正常時,只允許查找觀測環(huán)境等因素,不允許替換設(shè)備或設(shè)備部件,許多異常只能不了了之。

對地震前兆異常核實的核心,就是要逐一排除所有的干擾因素。而前兆異常客觀存在著震兆性與非震兆性(干擾)兩大類,資料出現(xiàn)異常首先要實事求是地逐一排查核實,盡可能剔除非震兆性異常,而不應(yīng)受周邊出現(xiàn)的地震或其他前兆異常影響,主觀將其歸結(jié)為震兆性異常[7]。由于影響因素的復(fù)雜性,很多時候很難明確找到原因,作者提出幾點異?，F(xiàn)場核實工作思路供參考： ①異常核實準(zhǔn)備工作； ②認(rèn)真、 細(xì)致、 全面地做好異?，F(xiàn)場調(diào)查工作； ③編寫異常調(diào)查和核實報告； ④一般有規(guī)律的異常變化,干擾的可能性較大,查找原因時要根據(jù)物理量的特性及異常形態(tài)的變化規(guī)律、 特征,通過異常變化時間點尋找可能干擾事件發(fā)生的時間及過程,或根據(jù)觀測系統(tǒng),觀測環(huán)境情況,進(jìn)行針對性調(diào)查、 查找及排除,找到可能的影響因素； ⑤工作人員要不斷提高業(yè)務(wù)水平,不斷積累和深入研究,平時填好工作日志,精心維護(hù)儀器,對已有的異常變化進(jìn)行分析、 篩選,開展震例對比分析,才能從干擾中提取有用的地震前兆異常信息； ⑥對外界干擾的影響量進(jìn)行精確的計算非常困難,如有可能應(yīng)該從不同頻譜周期來改善儀器的系列配套觀測,從而濾除一些不同頻率的干擾信號記錄。

前兆儀器在記錄地震信號的同時也如實記錄了環(huán)境的變化,所以必須經(jīng)過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)場核實,減少調(diào)查時的任何遺漏而造成異常核實的失敗,且對異常資料做出正確的判定,用扎實細(xì)致的工作來處理好地震和異常核實之間的關(guān)系,是對地震形勢判定的重要依據(jù),因此,對最終異常資料性質(zhì)判定的準(zhǔn)確性就極為重要。

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[7] 王永剛,李濤,馬輝青,等． 西寧地震臺前兆觀測干擾分析． 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。

馮瓊松,e-mail: 779773296@qq.com。

地震行業(yè)科研專項(201208018)資助。

P315.72；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.005