李秀英，鄧海巖

(1.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；2.大同同車公司觀測(cè)站，山西 大同 037038)

大同市DLG型斷層水平切向分量?jī)x觀測(cè)數(shù)據(jù)異常分析及排除

李秀英1，鄧海巖2

(1.山西省大同市地震局，山西 大同 037006；2.大同同車公司觀測(cè)站，山西 大同 037038)

文章從調(diào)查大同同車公司觀測(cè)站周邊環(huán)境入手，結(jié)合DLG斷層水平切向分量?jī)x自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，分析造成觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)、漂移的異常原因，并查找可能影響數(shù)據(jù)異常的干擾因素，進(jìn)而為科學(xué)分析該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)研究提供可靠依據(jù)。

地裂縫；異常；觀測(cè)數(shù)據(jù)

0 引言

大同市城區(qū)至少發(fā)育10條構(gòu)造地裂縫，同車公司地裂縫是唯一一條被全天監(jiān)測(cè)的地裂縫。

據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究成果，地裂縫活動(dòng)與地震活動(dòng)作為同一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下的不同表現(xiàn)形式，在大尺度時(shí)空上具有同步效應(yīng)。同車公司地裂縫的活動(dòng)方式表現(xiàn)為垂直沉降量最大，水平張量次之，水平扭量最小，比值依次為10∶6∶1。

2012年，同車公司地裂縫觀測(cè)站進(jìn)行數(shù)字化改造，由原來的垂向(DFG)、法向(DSG)二維觀測(cè)升級(jí)為垂向(DFG)、法向(DSG)、切向(DLG)三維觀測(cè)。近5年的觀測(cè)結(jié)果表明，DSG、DFG兩個(gè)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，DLG數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，且時(shí)常出現(xiàn)漂移。針對(duì)該現(xiàn)象，從觀測(cè)站周邊環(huán)境調(diào)查入手，結(jié)合儀器自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理，對(duì)影響觀測(cè)數(shù)據(jù)異常的可能干擾因素做調(diào)查分析。

1 觀測(cè)站背景資料

1.1 地裂縫形成的地質(zhì)背景

房子村斷層活動(dòng)是同車公司地裂縫的深部構(gòu)造背景，房子村斷裂又是夾在口泉斷裂和桑干河斷裂之間的次級(jí)斷裂。

口泉斷裂位于鄂爾多斯地塊與華北平原地塊交接部位，是一條重要的活動(dòng)斷裂，作為大同盆地的北部邊界，新生代以來控制著大同盆地的形成和演化[2]。圍繞該斷裂的活動(dòng)性研究表明，口泉斷裂是一條正傾滑的活動(dòng)斷裂[3-4]，所控制的大同盆地西側(cè)曾發(fā)生過2次6.5級(jí)地震，其未來地震的危險(xiǎn)性備受關(guān)注[5]。

1.2 臺(tái)站基本概況

大同地裂縫觀測(cè)站位于大同盆地西北部的大同市西南部，海拔高度為1 058.4 m，地處十里河沖、洪積平原上，周邊地勢(shì)為西北高、東南低，自然坡度約8‰，臺(tái)站基底為第四系砂、黏土交互層。同車公司地裂縫西起十里河左岸，終止南關(guān)南街，長(zhǎng)約5 km，由多條北東走向、右行排列的個(gè)體地裂縫組合而成，優(yōu)勢(shì)方位北東57°，傾向南東，傾角60°～70°，表現(xiàn)為高角度活動(dòng)正斷層性質(zhì)。即地裂縫活動(dòng)是以南東盤下降為主，水平拉張為輔，并伴有左旋扭動(dòng)的張性地裂縫。

1.3 儀器安裝情況

2012年，同車公司地裂縫觀測(cè)站進(jìn)行數(shù)字化改造，觀測(cè)儀器使用北京震苑迪安防災(zāi)技術(shù)研究中心(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所下屬公司)研發(fā)的“三維斷層形變觀測(cè)系統(tǒng)”。包括MD2000數(shù)據(jù)采集器、斷層水平切向分量觀測(cè)儀DLG、斷層水平法向分量觀測(cè)儀DSG和斷層分量觀測(cè)儀DFG。主觀測(cè)室為N-S方向，與機(jī)車廠臺(tái)地裂縫正交。測(cè)線長(zhǎng)度13 m，儀器的分辨率為0.004 mm，量程為40 mm，線性度為0.5%，重復(fù)性誤差為0.5%(見第12頁圖1)。

1.4 DLG斷層水平切向儀器工作原理

DLG觀測(cè)儀選擇光電圖像傳感方法，采用線陣CCD器件開發(fā)成的光電一體化位移傳感器檢測(cè)微量位移，即由發(fā)射端激光頭發(fā)射激光，接收端CCD器件接收激光信號(hào)并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出。當(dāng)發(fā)射端和接收端之間發(fā)生相對(duì)橫向位移時(shí)，所產(chǎn)生的輸出數(shù)字差即為相對(duì)位移量(見圖2)*中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.形變學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作報(bào)告編寫要求(試行)(中震測(cè)函[2013]39號(hào))，2013.。

圖1 觀測(cè)站儀器設(shè)備平面布置示意圖Fig.1 Equipment layout of observation station

圖2 DLG斷層水平切向分量?jī)x觀測(cè)原理示意圖Fig.2 Working principle of DLG fault horizontal tangential component meter

2 DLG型斷層水平切向分量?jī)x觀測(cè)數(shù)據(jù)異常分析

2012年4月19日，同車公司地裂縫觀測(cè)站數(shù)字化改造完成。截止2015年10月31日的觀測(cè)結(jié)果表明，DSG斷層法向波動(dòng)幅度0.73 mm，走勢(shì)平穩(wěn)(見圖3)；DFG斷層垂向呈周期性波動(dòng)，實(shí)際波動(dòng)幅度約1.15 mm(除2014年3月31日在水管一端注水引起數(shù)據(jù)突跳，見圖4)；地裂縫切向DLG觀測(cè)數(shù)據(jù)始終處于極不穩(wěn)定狀態(tài)(見圖5)。通過對(duì)所在區(qū)及周邊建筑物調(diào)查，地裂縫在此期間并未出現(xiàn)宏觀活動(dòng)跡象，與DSG、DFG觀測(cè)資料吻合，但DLG數(shù)據(jù)變化與地裂縫活動(dòng)嚴(yán)重不符。因此，判斷DLG觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)、飄移是由地裂縫活動(dòng)之外的其他干擾因素引起的。

圖3 斷層法向DSG日均值變化曲線Fig.3 Daily mean values of fault normal component DSG

圖4 斷層垂向DFG日均值變化曲線Fig.4 Daily mean values of fault vertical component DFG

圖5 斷層切向DLG日均值變化曲線Fig.5 Daily mean values of fault tangential component DLG

2.1 異常原因初步判定

DLG儀器自2012年4月數(shù)字化觀測(cè)以來，數(shù)據(jù)一直起伏較大，極不穩(wěn)定，特別是2015年4月以來，觀測(cè)數(shù)據(jù)除大幅波動(dòng)外，還出現(xiàn)飄移現(xiàn)象，而其他兩個(gè)測(cè)項(xiàng)未出現(xiàn)類似變化。根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)自身特點(diǎn)分析，可能受到高頻振動(dòng)干擾的影響。因此，結(jié)合觀測(cè)站周邊環(huán)境條件，初步判定異?？赡軄碜缘孛娴恼駝?dòng)干擾。

① 中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所.三維斷層變形觀測(cè)系統(tǒng)使用說明書，2012.

2.2 異常分析與排除的工作思路[6] ①

(1) 檢查觀測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；(2) 調(diào)查周邊環(huán)境狀況，確定附近干擾源的性質(zhì)、位置以及建(構(gòu))筑物、管網(wǎng)等的變化情況；(3) 分析氣象因素及地下水動(dòng)態(tài)對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響；(4) 對(duì)比分析同一觀測(cè)站的其他測(cè)項(xiàng)同時(shí)段有無明顯變化；(5) 人為因素分析，檢查觀測(cè)人員操作儀器是否規(guī)范；(6) 進(jìn)行錘擊試驗(yàn)分析，驗(yàn)證異常成因的判斷結(jié)果。

2.3 異常排查

2.3.1 觀測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查

(1) 外線供電檢查。觀測(cè)站室內(nèi)供電線路為專線，為防止停電造成數(shù)據(jù)斷記，在2012年6月更換為不間斷電源供電。觀測(cè)人員定期對(duì)儀器線路巡檢，不存在漏電與外線破損情況。

(2) 避雷系統(tǒng)檢查。觀測(cè)站借助建筑物原有的防雷系統(tǒng)，在數(shù)字化改造時(shí)采取以下措施：

①架設(shè)專線供電，避免同建筑物內(nèi)電路故障影響觀測(cè)站用電；②專用供電線路采取獨(dú)立接地措施，避免過大、過強(qiáng)電壓、電流沖擊觀測(cè)儀器；③所有儀器用電都通過過載保護(hù)插座；④觀測(cè)儀器電路入口配置大型UPS，保證電源不間斷給觀測(cè)儀器平穩(wěn)供電。

自數(shù)字化改造以來，避雷系統(tǒng)起到有效防護(hù)作用，未出現(xiàn)雷電影響觀測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)象。

(3) DLG觀測(cè)儀器自身因素檢查。根據(jù)DLG觀測(cè)儀器工作原理，當(dāng)激光頭受震動(dòng)干擾發(fā)生微小偏轉(zhuǎn)時(shí)，接收端輸出數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生偏差，其偏差量為：

ΔR=L×tgθ，

式中：ΔR為輸出偏差量；L為基線長(zhǎng)度；θ為激光頭偏轉(zhuǎn)角度(見圖6)。如，當(dāng)激光頭偏轉(zhuǎn)1′時(shí)，輸出結(jié)果偏差3.78 mm。

圖6 DLG斷層水平切向分量?jī)x變化示意圖Fig.6 Variation of DLG fault horizontal tangential component meter

儀器自身基座存在缺陷。發(fā)射端固定基座(見圖7)由相機(jī)三腳架固定部分組成。在微調(diào)激光發(fā)射方向時(shí)，縱、橫兩向旋鈕相互干擾。為對(duì)抗兩個(gè)方向的相互干擾，人為加力在固定基座上，常常在鎖緊兩個(gè)方向時(shí)

會(huì)儲(chǔ)存一定的形變勢(shì)能。在無干擾的情況下，形變勢(shì)能可以基本不釋放或釋放極其緩慢，對(duì)觀測(cè)影響甚微。如遇較強(qiáng)震動(dòng)干擾時(shí)，形變勢(shì)能會(huì)不規(guī)則地快速釋放，對(duì)觀測(cè)結(jié)果造成嚴(yán)重影響，使觀測(cè)資料失真。

圖7 斷層水平切向DLG分量?jī)x基座示意圖Fig.7 Base of DLG fault horizontal tangential component meter

查閱儀器觀測(cè)日志，發(fā)現(xiàn)儀器異常情況(見表1)，可見儀器存在抗干擾能力弱的缺陷。

表1 地裂縫觀測(cè)站斷層水平切向DLG儀器標(biāo)定和儀器調(diào)試維修情況

2.3.2 周邊環(huán)境干擾情況排查

分別對(duì)距觀測(cè)站東、南、西、北4個(gè)方向200 m范圍內(nèi)的干擾源進(jìn)行調(diào)查。

(1) 觀測(cè)站以東200 m至同興街東界。

觀測(cè)站東鄰公路，相距僅約10 m，車流密集，每分鐘最多達(dá)30余輛。密集的車輛對(duì)觀測(cè)儀器形成持續(xù)的振動(dòng)干擾，當(dāng)有重載車輛通過時(shí)，振動(dòng)干擾情況更加明顯；此外，公路下面的管網(wǎng)施工、照明線路的維護(hù)施工，廣場(chǎng)上娛樂設(shè)施的維修以及住宅小區(qū)其他的零星施工，都對(duì)觀測(cè)儀器產(chǎn)生一定的振動(dòng)干擾。

①施工影響。

2012年7月19日至20日，在觀測(cè)站以東10 m處，相鄰公路挖槽施工，造成曲線直線下降0.258 mm(見圖8)；2014年8月3日至10日，在觀測(cè)站以東10 m，相鄰公路管網(wǎng)施工，造成曲線直線下降1.160 mm(見圖9)。

圖8 斷層水平切向DLG時(shí)均值曲線圖Fig.8 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

圖9 斷層水平切向DLG時(shí)均值曲線圖Fig.9 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

②儀器受到振動(dòng)干擾，數(shù)據(jù)出現(xiàn)斷記。

2013年1月28日至3月31日，觀測(cè)數(shù)據(jù)因受振動(dòng)干擾出現(xiàn)多次斷記。觀測(cè)人員對(duì)DLG儀器重新調(diào)試。調(diào)試后儀器基值發(fā)生改變，斷記前后數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差(見圖10)。

(2) 觀測(cè)站以北200 m至大慶路。

觀測(cè)站北鄰車城廣場(chǎng)，相距約30 m，節(jié)假日慶典或有商家舉行促銷活動(dòng)時(shí)，觀測(cè)站內(nèi)可感覺到鑼鼓音響沖擊波的振動(dòng)。

(3) 觀測(cè)站以南、以西各200 m區(qū)域均為同車公司老舊住宅區(qū)，分別距觀測(cè)站約30 m、150 m有社區(qū)公路(車流量分別約每分鐘8～10輛和3～5輛)外，在地裂縫觀測(cè)數(shù)字化改造以來，未發(fā)現(xiàn)有改變地表形態(tài)的人類工程和地表荷載的人為活動(dòng)。

圖10 斷層水平切向DLG時(shí)均值曲線圖Fig.10 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

綜上所述，觀測(cè)站的主要振動(dòng)干擾源來自東邊公路和北邊車城廣場(chǎng)。

2.3.3 氣象因素排查

2015年3月30日至10月底，切向DLG的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅波動(dòng)異常變化，波動(dòng)時(shí)段與季節(jié)降雨時(shí)間基本一致。2012年4月19日至12月31日及2014年的雨季均未出現(xiàn)類似的現(xiàn)象，表明2015年DLG的數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)異常變化與季節(jié)性降雨、氣溫的相關(guān)性較小(見圖11～13)。

圖11 斷層水平切向DLG時(shí)均值曲線圖Fig.11 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

圖12 斷層水平切向DLG時(shí)均值曲線圖Fig.12 Hour mean value of fault horizontaltangential DLG

圖13 斷層水平切向DLG時(shí)均值曲線圖Fig.13 Hour mean value of fault horizontal tangential DLG

2.3.4 地下水動(dòng)態(tài)的影響

根據(jù)大同市地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)資料[7]可以看出，中淺層(D5)地下水或深層(D6)地下水的水位動(dòng)態(tài)變化，與DLG的異常飄移不具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，2015年DLG的數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)異常與地下水動(dòng)態(tài)無關(guān)(見圖14)。

圖14 斷層切向DLG與大同市地下水月動(dòng)態(tài)對(duì)比圖Fig.14 Comparison between fault tangential DLG and monthly dynamic of Datong underground water

2.3.5 相關(guān)測(cè)項(xiàng)同期資料的對(duì)比分析

截止2015年10月31日的觀測(cè)資料表明，DSG斷層法向波動(dòng)幅度0.73 mm，走勢(shì)平穩(wěn)(見圖3)；DFG斷層垂向于2014年3月31日因在水管一端加注蒸餾水，與水管中原蒸餾水密度存在微小差異而出現(xiàn)突跳現(xiàn)象。2015年6月23日再次加注蒸餾水時(shí)，采取兩端等量同時(shí)加入的方法，突跳現(xiàn)象未再出現(xiàn)，垂向波動(dòng)幅度1.64 mm，剔除2014年3月31日突跳，實(shí)際波動(dòng)幅度約1.15 mm，走勢(shì)平穩(wěn)(見圖4)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，DFG斷層垂向、DSG斷層法向與地裂縫活動(dòng)處于平靜狀態(tài)相吻合，而DLG斷層水平切向觀測(cè)數(shù)據(jù)始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)。尤其是2015年3月30日之后，觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅漂移(見圖5)，與地裂縫實(shí)際活動(dòng)情況嚴(yán)重不符。因此，DLG斷層水平切向數(shù)據(jù)異常波動(dòng)及漂移，應(yīng)與DLG切向觀測(cè)儀器自身因素相關(guān)。

2.3.6 人為因素分析

觀測(cè)人員具備儀器安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)、標(biāo)定等豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，有識(shí)別不同種類干擾的經(jīng)驗(yàn)和能力。DLG觀測(cè)數(shù)據(jù)異常期間觀測(cè)人員未變動(dòng)，不存在違規(guī)操作現(xiàn)象。

2.3.7 錘擊振動(dòng)試驗(yàn)分析

(1) 根據(jù)DLG切向數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)異常現(xiàn)象的初步判定結(jié)果，其原因可能來自地面的振動(dòng)干擾。為驗(yàn)證此判定的正確性，觀測(cè)人員于2015年10月27日對(duì)切向發(fā)射端的臺(tái)基進(jìn)行人為錘擊振動(dòng)試驗(yàn)(見圖15)。結(jié)果表明，振動(dòng)干擾能夠使DLG切向數(shù)據(jù)產(chǎn)生大幅波動(dòng)、漂移，而DSG斷層法向、DFG斷層垂向幾乎不受影響。

圖15 對(duì)斷層切向DLG基座改造前的錘擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Hammer test results before the reformation of the base of fault tangential DLG

(2) 2015年10月28日，對(duì)抗干擾能力弱的原基座進(jìn)行更換。30日，觀測(cè)人員再次對(duì)DLG發(fā)射端的臺(tái)基進(jìn)行錘擊振動(dòng)試驗(yàn)(見圖16)。結(jié)果表明，DLG、DFG、DSG均未產(chǎn)生明顯變化，證實(shí)更換后的新基座抗干擾能力明顯優(yōu)于舊基座。

圖16 對(duì)斷層切向DLG基座改造后的錘擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Hammer test results after the reformation of the base of fault tangential DLG

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

(1) 對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，確認(rèn)造成DLG水平切向分量?jī)x數(shù)據(jù)異常的原因來自周邊環(huán)境的振動(dòng)干擾。

(2) 對(duì)DLG型斷層水平切向分量?jī)x自身的分析研究，得出原DLG儀器基座存在抗振動(dòng)干擾弱的缺陷。

(3) 通過對(duì)異常因素的調(diào)查分析，排除氣象、地下水動(dòng)態(tài)、人為觀測(cè)等因素對(duì)DLG觀測(cè)數(shù)據(jù)異常的影響。

(4) 相關(guān)測(cè)項(xiàng)同期資料的對(duì)比分析，得出DLG數(shù)據(jù)異常波動(dòng)及漂移，與其自身因素相關(guān)。

(5) 對(duì)發(fā)射端新舊基座的臺(tái)基進(jìn)行錘擊振動(dòng)試驗(yàn)，得出DLG數(shù)據(jù)異常波動(dòng)及漂移，與其自身抗干擾能力弱有關(guān)。

綜上所述，DLG觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)、漂移的異常是由周邊環(huán)境振動(dòng)及儀器自身抗振動(dòng)干擾能力弱造成，與構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系不大。

[1] 劉玉海，陳志新，刑集善，等.大同機(jī)車工廠及鄰區(qū)地裂縫研究[M].陜西：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[2] 國(guó)家地震局“鄂爾多斯周緣活動(dòng)斷裂系”課題組.鄂爾多斯周緣活動(dòng)斷裂系[M].北京：地震出版社，1988.

[3] 謝新生，江娃利，王 瑞，等.山西大同盆地口泉斷裂全新世古地震活動(dòng) [J].地震地質(zhì)，2003，25(3)：359-374.

[4] 徐 偉，劉旭東，張世民.口泉斷裂中段晚第四紀(jì)以來斷錯(cuò)地貌及滑動(dòng)速率確定[J].地震地質(zhì)，2011，33(2)：336-346.

[5] 徐錫偉.山西地塹系的新構(gòu)造活動(dòng)特征及其形成機(jī)制[D].北京：國(guó)家地震局地質(zhì)研究所，1989.

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[7] 李常保，張曉燕，蘇 丹，等.2012—2015年度大同市及周邊平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)年報(bào)[R].山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊(duì)，2015：12.

Analysis and Elimination of Abnormal Data of DLG Fault HorizontalTangential Component Meter in Datong City

LI Xiu-ying1, DENG Hai-yan2

(1.Earthquake Administration of Datong City, Datong, Shanxi 037006, China；2.Tongche Company observation station in Datong, Datong, Shanxi 037038, China)

Based on investigation ofthe surrounding environment of Datong Tongche Company station, the causes of abnormal fluctuation of observation data are analyzed combined with the structural characteristics and working principle of DLG fault horizontal tangential component meter. Interference factors that may affect the data are found out to provide reliable basis for the scientific analysis of the regional tectonic activities.

Ground fissure; Anomaly; Observation data

1000-6265(2017)01-0011-06

2016-08-08

山西省地震局科研項(xiàng)目(SBK-1620)

李秀英(1981— )，女，山西省大同人。2007年畢業(yè)于北京大學(xué)，工程師。

P315.62

A