翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，邵媛媛，滕 藤

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

關(guān)鍵字：水管傾斜；西傾加速；異常調(diào)查分析；干擾分析

0 引言

水管儀具有較高的觀測(cè)精度和穩(wěn)定性，震前的形態(tài)變化可以清晰的反映出地球固體潮汐、地殼巖性參數(shù)變化的信息，并幫助我們認(rèn)清應(yīng)力變化以及相關(guān)地殼形變之間的關(guān)系［1、2］。但是觀測(cè)資料會(huì)受到一些外界因素的影響，如氣溫、濕度、氣壓、降雨等［3］，使得觀測(cè)資料出現(xiàn)不同程度的異常變化。由于其影響機(jī)理復(fù)雜，在地震預(yù)報(bào)實(shí)踐中，如何提取較為可靠的前兆異常信息就顯得尤為重要［4、5］。針對(duì)丹東地震臺(tái)DSQ型水管傾斜儀出現(xiàn)的短期異常狀況，我們根據(jù)《形變學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場核實(shí)工作報(bào)告編寫要求（試行）》準(zhǔn)則來進(jìn)行詳細(xì)的異常排查分析工作［6］。

丹東地震臺(tái)DSQ型水管儀為“十五”項(xiàng)目新入網(wǎng)廣測(cè)儀器，自2008年正式運(yùn)行起，該臺(tái)儀器運(yùn)行狀態(tài)良好，多年觀測(cè)資料連續(xù)穩(wěn)定可靠。其測(cè)線日均值變化曲線存在明顯年變，每年9-10月達(dá)到最大值后出現(xiàn)N傾轉(zhuǎn)向S傾，次年4-5月達(dá)到最低值后開始S傾轉(zhuǎn)向N傾，正常年變幅度達(dá)140×10-3～190×10-3角秒。自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現(xiàn)短期轉(zhuǎn)向狀況，其中EW分量出現(xiàn)短期W傾并呈現(xiàn)加速狀態(tài)，截至2016年12月6日W傾幅度累積已達(dá)412 ms，異常出現(xiàn)后對(duì)觀測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，EW向出現(xiàn)短時(shí)間E傾轉(zhuǎn)W傾加速異?，F(xiàn)象是西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心并時(shí)有刮碰造成的（圖1）。

圖1 丹東DSQ水管傾斜整點(diǎn)值異常曲線圖Fig.1 Dandon DSQ water tube tiltmeter hour value anomaly curve

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及歷史地震概況

丹東地區(qū)處在天山至陰山巨型緯向改造體系的東延部份，與新華夏構(gòu)造體系東亞大陸第二隆起帶復(fù)合交接部位，鴨綠江深大斷裂帶，全長380公里。斷裂走向北東45°，斷層傾向不穩(wěn)定，傾角一般在60～80°左右，斷層寬度63.5 m，為壓扭性深大斷裂，呈北東45°走向，傾向南東，是典型的華夏系構(gòu)造［7］。該斷裂起源于吉林省臨江，南到黃海北岸。該斷裂在寬甸縣上河口處分為兩支：一支經(jīng)朝鮮新義州入黃海；另一支在丹東市沿江展布，經(jīng)東港市入黃海。臺(tái)址處于鴨綠江斷裂帶北西盤，即華北地臺(tái)遼東臺(tái)背斜，營口—寬甸古隆起中段南翼與華夏構(gòu)造鴨綠江斷裂帶交接部位。臺(tái)基巖性為遼河群浪子山組的矽線石黑云母片麻巖（圖2）。

據(jù)資料證明，鴨綠江斷裂帶是第四紀(jì)仍在活動(dòng)的斷裂帶，受它的控制，在這個(gè)帶及其兩側(cè)附近地震頻繁發(fā)生，僅1944—1985年發(fā)生Ms≥1.0級(jí)地震172次。形成鴨綠江地震帶。在這個(gè)地震帶內(nèi)，1944年12月19日鴨綠江口發(fā)生6.8級(jí)地震。

圖2 丹東地震臺(tái)地理位置圖Fig.2 Geographic location of Dandong Seismic Station

2 DSQ水管傾斜觀測(cè)情況簡介

丹東臺(tái)位于遼寧省東南部邊陲地區(qū)，植被好，原為市人防辦防空指揮部直屬山洞，全長約170 m，覆蓋厚度約20～40 m（圖3、表1）。臺(tái)址周圍無明顯干擾源，具有洞室多，被覆好，保溫，防潮的特點(diǎn)，適合地形變觀測(cè)使用。2006年“十五”期間，丹東臺(tái)在該山洞內(nèi)并行安裝了SS-Y型洞體應(yīng)變儀和DSQ型水管傾斜儀。2008年1月正式運(yùn)行觀測(cè)，兩套儀器符合觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，工作穩(wěn)定。丹東地震臺(tái)DSQ型水管儀，自2008年正式運(yùn)行起，運(yùn)行狀況良好，連續(xù)率、運(yùn)行率、內(nèi)精度均達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，2009年和2010年對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行初步改造，同時(shí)對(duì)多種客觀干擾因素分析排除，使得內(nèi)在質(zhì)量明顯提升，無測(cè)點(diǎn)變更和儀器變更情況。

圖3 丹東地震臺(tái)平面圖Fig.3 Dandong Seismological cave site plan

表1 傾斜觀測(cè)山洞情況表

形變山洞的儀器墩基主要自然干擾源是黃海的海潮干擾、鴨綠江江水水庫泄洪和雷電引起的波動(dòng)干擾，但此種干擾不會(huì)產(chǎn)生斷記。全年主要人為干擾是由儀器調(diào)零、儀器維修、標(biāo)定系統(tǒng)維修等原因造成的，為了分析預(yù)報(bào)應(yīng)用，對(duì)人為嚴(yán)重干擾時(shí)段的觀測(cè)記錄做缺數(shù)處理（表 2）。

表2 干擾源情況

3 異常分析

分析丹東臺(tái)DSQ型水管傾斜儀自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現(xiàn)短期轉(zhuǎn)向狀況成因，主要從儀器工作狀態(tài)、降雨、周邊觀測(cè)條件改變和孕震機(jī)理等方面進(jìn)行了分析研究（圖1）。

3.1 水管傾斜儀工作狀態(tài)及周邊環(huán)境檢查

對(duì)DSQ水管儀器的觀測(cè)日志、工作報(bào)告和標(biāo)定記錄，儀器的主機(jī)、傳感器、通信系統(tǒng)、供電線路、UPS、避雷設(shè)施等進(jìn)行了檢查，信號(hào)電壓與工作電壓均正常；浮子西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心，與傳感器似乎有刮碰，進(jìn)行調(diào)整；水管內(nèi)水質(zhì)微微泛黃，有輕微渾濁，無漏水現(xiàn)象。

對(duì)丹東臺(tái)山洞外觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，周邊并無居民，發(fā)現(xiàn)距離山洞大約200米的山頂有電臺(tái)轉(zhuǎn)播信號(hào)塔，已工作多年，對(duì)儀器并未產(chǎn)生影響。2016年4月份左右，人防局將后院租給移動(dòng)公司，用于移動(dòng)公司做井下水泥預(yù)制件，攪拌機(jī)一直工作，定期運(yùn)送沙土，已經(jīng)持續(xù)工作半年多，在這半年多時(shí)間里，水管儀器工作正常。對(duì)儀器本體檢查發(fā)現(xiàn)了以下兩點(diǎn)問題：

3.1.1 浮子鋼棒與傳感器不同心影響

2016年12月6日下午省局儀器維修中心工作人員于17：50-19：10進(jìn)山洞對(duì)DSQ水管儀設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水管儀EW向W端浮漂鋼棒與傳感器不同心，與傳感器似乎有刮碰，進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整前后數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)EW向兩端數(shù)據(jù)仍有臺(tái)階出現(xiàn)，而且對(duì)鋼棒調(diào)整后，浮子仍然是偏離豎直中心位置，并沒有改善數(shù)據(jù)臺(tái)階現(xiàn)象，但是由于浮子鋼棒偏移中心位置，并不能排除浮子的故障問題（圖4）。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集器和主機(jī)故障排除

為了排除數(shù)據(jù)采集器影響，12月8日早09：16分將水管傾斜NS向和EW向輸入信號(hào)互換，原NS向輸入NS向的原始數(shù)據(jù)現(xiàn)變?yōu)镹S向輸入的是EW向數(shù)據(jù)，原EW向輸入EW向的原始數(shù)據(jù)現(xiàn)變?yōu)镋W向輸入的是NS向數(shù)據(jù)。對(duì)比信號(hào)改變前和改變后的數(shù)據(jù)圖像可以發(fā)現(xiàn)，NS向數(shù)據(jù)未改變數(shù)采輸入信號(hào)前，數(shù)據(jù)平滑性較好，無臺(tái)階，而改變輸入數(shù)據(jù)后，原本輸出是NS向數(shù)據(jù)變?yōu)檩敵鍪荅W向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)臺(tái)階，幅度較大；而EW向數(shù)據(jù)未改變數(shù)采輸入信號(hào)前，數(shù)據(jù)平滑性較差，臺(tái)階較多，而改變輸入數(shù)據(jù)后，原本輸出是EW向數(shù)據(jù)變?yōu)檩敵鍪荖S向數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較為平滑，無臺(tái)階。上述實(shí)驗(yàn)說明，數(shù)據(jù)采集器和主機(jī)工作狀態(tài)良好，NS向儀器較為穩(wěn)定，EW向儀器存在問題（圖 5）。

圖4 調(diào)整浮子位置后EW測(cè)向原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線Fig.4 After adjusting the position of the float，the EW is measured to the original and preprocessed data curves

3.2 氣象因素的調(diào)查

丹東地震臺(tái)DSQ水管傾斜儀NS向受降雨影響較為顯著（圖6），我們收集丹東地震臺(tái)降雨資料。選取2012年以來降雨數(shù)據(jù)并與該儀器進(jìn)行對(duì)比。據(jù)臺(tái)站收集資料顯示：每年7-8月為降雨旺季，最大降雨量接近500 mm。其中北南向受降雨影響明顯，表現(xiàn)為毛刺，但并不會(huì)影響其總體形態(tài)，東西向受降雨影響不明顯。且2016年11月和12月初并無大規(guī)模降雨和降雪，因此可排除氣象干擾因素。

圖5 調(diào)整浮子位置后EW測(cè)向原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線Fig.5 The original and preprocessed EW data curves after adjusting the position of the float

圖6 丹東地震臺(tái)DSQ水管傾斜儀與降雨對(duì)比曲線Fig.6 Comparison of horizontal and rainfalldata

檢查歷年來洞室溫度資料分析，洞室溫度變化一直非常穩(wěn)定，認(rèn)為目前異常情況與洞室沒有直接關(guān)系（圖7）。

圖7 丹東地震臺(tái)洞室溫度曲線Fig.7 Temperature curve of the tunnel in Dandong

3.3 固體潮汐分析

固體潮潮汐因子是表征觀測(cè)場地的介質(zhì)彈性參數(shù)，其變化反映地殼介質(zhì)的物性變化［8］。潮汐因子分析計(jì)算方法的物理意義清晰，異常容易識(shí)別，是當(dāng)前形變預(yù)報(bào)領(lǐng)域中的重要方法［9-10］。應(yīng)用Mapsis軟件對(duì)DSQ水管傾斜和SSQ-2型水管傾斜儀整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行Nakai擬合檢驗(yàn)、潮汐變化分析、去潮汐零漂分析等計(jì)算，結(jié)果顯示SQ-70石英擺整點(diǎn)值原始曲線能夠記錄清晰的固體潮汐曲線，與SSQ-2型數(shù)字化水平擺和理論固體潮汐曲線對(duì)比，具有很好的固體潮曲線一致性，表明儀器觀測(cè)是真實(shí)、有效、穩(wěn)定的（圖8）。

圖8 丹東地震臺(tái)DSQ水管儀NS，EW分量理論固體潮汐對(duì)比Fig.8 The theoretical solid tidal contrast

計(jì)算2007年以來丹東臺(tái)DSQ水管傾斜NS和EW分量潮汐因子參數(shù)（M2波、O1波和半日波），計(jì)算結(jié)果顯示自觀測(cè)系統(tǒng)工作以來一直很穩(wěn)定（圖9）。水管傾斜NS、EW向潮汐因子M2波曲線自2010年中旬至2011年初波動(dòng)幅值與前幾年相比幅度較小，同時(shí)段EW向O1波也出現(xiàn)相同變化，而后，水管傾斜NS向開始出現(xiàn)趨勢(shì)性N傾趨勢(shì)變化，而且幅度逐年幅度加大，水管傾斜EW向同步變化總體都較穩(wěn)定，短期無明顯變化。

圖9 丹東DSQ水管傾斜潮汐因子變化曲線Fig.9 Diversion tidal factor variation curves of DSQ Water Pipe

3.4 數(shù)字濾波處理和周期分析

利用三點(diǎn)線性平滑濾對(duì)DSQ水管傾斜NS向和EW向進(jìn)行分析，提取長趨勢(shì)周期和年變周期變化（圖10）。

采用三點(diǎn)線性平滑濾波的數(shù)學(xué)模型如下：

應(yīng)用平滑濾波方法提取趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)分析異常趨勢(shì)變化特征和年變周期變化特征，該儀器兩個(gè)測(cè)向均具有很好的年周期變化，并在2012年前后具有同步的年變幅度減小變化特征；儀器NS、EW向均在2011年前后出現(xiàn)準(zhǔn)同步趨勢(shì)轉(zhuǎn)向變化。分析結(jié)果表明，DSQ型水管傾斜儀NS、EW向兩個(gè)方向觀測(cè)結(jié)果具有很好的一致性，EW向自2010年存在W傾趨勢(shì)變化（圖10），且2014年以來EW向年變基本一致［11-12］。

圖10 丹東DSQ型水管傾斜NS向EW向數(shù)據(jù)濾波和周期分析Fig.10 The NS and EW of DSQ data filtering and period analysis

3.5 儀器對(duì)比分析

丹東地震臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)，自2007年正式運(yùn)行以來觀測(cè)穩(wěn)定，主要受降雨影響明顯。從觀測(cè)曲線形態(tài)看，2012年以來洞體應(yīng)變NS向和EW向均目前為張性的趨勢(shì)變化，且均受到明顯的降雨干擾，表現(xiàn)為小幅臺(tái)階變化（圖11）。

圖11 丹東地震臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)曲線Fig.11 Curves of cave deforation observaion

4 結(jié)論與討論

水管傾斜儀測(cè)量的是水平面與地殼表面之間的夾角變化量，其原理為連通管內(nèi)水平面保持自然水平狀態(tài)［13］。水管傾斜的測(cè)量結(jié)果與地震的孕育與發(fā)生有著密切的相關(guān)性，一直以來都具有極好的映震效果。但是由于傾斜觀測(cè)都是在山洞中，很容易受到外界環(huán)境的干擾影響，儀器本身故障問題也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的大幅波動(dòng)變化情況出現(xiàn)［14］。

丹東地震臺(tái)DSQ型水管傾斜儀自2016年11月中旬以來NS分量和EW分量均出現(xiàn)短期轉(zhuǎn)向狀況，其中EW分量出現(xiàn)短期W傾并呈現(xiàn)加速狀態(tài)，截至2016年12月6日W傾幅度累積已達(dá)412 ms，從儀器觀測(cè)穩(wěn)定性、降雨資料、周邊干擾情況調(diào)查等方面對(duì)資料異常變化進(jìn)行科學(xué)合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲅芯?，排除人為干擾、降雨干擾、山洞附近移動(dòng)公司作業(yè)、儀器主機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、避雷器、放大器等問題，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)分析，得出：由于浮子鋼棒與傳感器不同心，與傳感器擦壁碰觸，導(dǎo)致數(shù)據(jù)大幅傾斜，西端浮漂上鋼棒與傳感器不同心并時(shí)有刮碰造成的，經(jīng)過儀器維修人員調(diào)整后，儀器數(shù)據(jù)恢復(fù)正常狀態(tài)，排除異常情況，為進(jìn)一步對(duì)局部應(yīng)力場的敏感性，為捕捉地震前兆異常提供了進(jìn)一步保障。

由于儀器故障而導(dǎo)致傾斜異?，F(xiàn)象，在后續(xù)工作中我們會(huì)以丹東地震臺(tái)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性分析，檢測(cè)可能因分析儀器工作狀態(tài)的改變引起變化；針對(duì)水管觀測(cè)儀器浮漂上鋼棒與傳感器不同心問題，水質(zhì)發(fā)渾問題的檢查工作具體情況進(jìn)行分析來排除對(duì)數(shù)據(jù)的影響，使儀器異常信度變高。多學(xué)習(xí)儀器的原理和構(gòu)造，在第一時(shí)間排除儀器故障問題，為新發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)問題提供技術(shù)保障，為地震的短臨預(yù)報(bào)提供第一手高信度資料。