馮瓊松， 楊星，崔慶谷，白仙福，李思瑤

(1.云南省地震局昆明基準地震臺，云南昆明　650204；　2.云南省地震局，云南昆明　650224)

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昆明地震臺重力儀觀測資料干擾分析

馮瓊松1， 楊星2，崔慶谷2，白仙福1，李思瑤1

(1.云南省地震局昆明基準地震臺，云南昆明650204；2.云南省地震局，云南昆明650224)

昆明地震臺重力儀數(shù)采記錄曲線連續(xù)一年來出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)突跳故障現(xiàn)象，通過排查一些可能出現(xiàn)的故障干擾，認為很可能是靜電荷對數(shù)字記錄儀的干擾影響。

昆明地震臺；重力儀；數(shù)據(jù)異常；干擾

0　引　言

2013年12月至2015年4月，昆明地震臺GS—15型重力數(shù)采儀分鐘值觀測記錄曲線不定時出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象。起初，觀測人員無法確定故障原因，疑是電源故障、儀器故障(包括本體故障、數(shù)據(jù)采集設備故障)、環(huán)境干擾、震兆異常信息，或是其他原因。后經(jīng)跟蹤觀察，認真分析，查找出故障的真正原因是靜電荷干擾所引起。本文針對重力數(shù)采儀分鐘值觀測記錄曲線的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象進行可能的干擾排查及分析，總結儀器故障的排除經(jīng)驗，供臺站觀測人員參考。

1　臺址及儀器情況

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? 952 m。各類監(jiān)測儀器安置于洞室內(nèi)，洞室主體為“凵”字型，長73 m；有個支洞，主支洞長71 m，最深處距洞口47 m；覆蓋層約30 m～50 m。洞內(nèi)溫度約15℃，日變化小于0.1℃，年溫差小于0.5℃，相對濕度約93%。

昆明臺使用原西德進口的GS-15(230)型重力儀進行觀測，為靜力式螺旋狀彈簧重力儀，是利用擺桿位移的大小來測量重力相對變化的精密儀器。GS-15重力儀主機架設在深達41 m的山洞基巖儀器墩上，數(shù)字采集器在地面前兆觀測室，通過70余米長的電源線和信號線將數(shù)據(jù)傳接到數(shù)據(jù)采集器，采用中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)管理軟件通過服務器收取數(shù)據(jù)，使用“十五”前兆分析處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理。多年以來，儀器運行狀態(tài)良好，工作性能穩(wěn)定，能夠清晰記錄到固體潮分鐘值觀測數(shù)據(jù)，各測項數(shù)據(jù)的完整率、連續(xù)率符合要求[1]。由于精度較高，在全國資料評比中連續(xù)多年獲第2名的好成績。

2　出現(xiàn)突跳的重力儀觀測曲線

GS-15重力儀觀測具有較寬的動態(tài)線形測量范圍，較低的噪聲水平和漂移率，比較穩(wěn)定，適合固體潮汐觀測。在正常情況下，重力觀測曲線是非常光滑的近似正弦曲線，固體潮形態(tài)清晰。2013年12月至2015年4月，昆明地震臺重力數(shù)采觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量突跳，后經(jīng)跟蹤分析觀察，逐一排查一些可能出現(xiàn)的干擾，認為很可能是靜電荷對數(shù)采記錄儀的干擾影響[2]。如圖1是重力數(shù)采記錄出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)突跳與正常記錄時的曲線圖。

3　突跳現(xiàn)象原因分析及處理

2013年12月至2015年4月，昆明地震臺重力數(shù)采儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)大量突跳，這一現(xiàn)象長時間困擾著觀測人員。由于之前沒有出現(xiàn)過此類現(xiàn)象，也沒有維修經(jīng)驗，一時間無法確定是什么原因造成曲線不正常，只能一邊觀察一邊進行可能的干擾排查。重力觀測不同于其他形變觀測，具有較低的噪聲水平和漂移率，比較穩(wěn)定，受一般外界環(huán)境干擾很小，因此觀測人員根據(jù)昆明臺近年來的實際觀測情況，考慮可能由以下原因引起：電源故障、生物因素影響、震前異常動態(tài)、儀器故障(包括本體故障、數(shù)據(jù)采集設備故障)或靜電接地故障等。

圖1　重力數(shù)采故障與正常記錄

3.1電源故障

電源是儀器正常運行的根本保障，供電電源到觀測儀器任一出現(xiàn)故障都會引起觀測系統(tǒng)不正常。昆明地震臺重力儀采用DK-2A(2×12 V/3 A)型電源控制器，觀測人員試圖用萬用表量取各接口管線電壓檢查供電是否正常，檢查數(shù)字采集設備與儀器的連線均正常，也排除了各管線接線頭松動、接觸不良的情況。說明重力數(shù)據(jù)大量突跳現(xiàn)象不是電源故障所致，另有其他原因。

3.2生物因素影響

生物因素分為人為因素或動物因素，只要人或動物進入，都會對前兆儀器記錄資料造成影響。

人為干擾：昆明地震臺洞室常有工作人員進洞校測儀器，為人為進洞干擾。觀測人員跟蹤了一段時間，發(fā)現(xiàn)從常年記錄來看，重力儀對短時間內(nèi)的人為進洞的影響極不敏感。而重力數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳的時間不定時，晚上至凌晨也出現(xiàn)了大量的突跳現(xiàn)象，與人員進洞的時間不吻合，所以排除人為進洞干擾所引起。

老鼠干擾：在重力數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳期間，前兆數(shù)采觀測室出現(xiàn)老鼠觸碰記錄線的干擾現(xiàn)象，而重力數(shù)據(jù)無時間規(guī)律的大量突跳，與老鼠無規(guī)律活動的性質(zhì)相似，并且前兆室的地下通線管道很適合老鼠蝸居，所以當時觀測人員就認為重力數(shù)據(jù)的大量突跳現(xiàn)象可能是老鼠干擾所致，在重力觀測日志故障一欄中記為“考慮老鼠干擾所致”。由于老鼠精靈，工作人員連續(xù)兩周才把老鼠除掉，估計重力的觀測記錄應當恢復正常。正當觀測人員如釋重負時，重力觀測數(shù)據(jù)又出現(xiàn)了同樣的突跳，說明不是老鼠的干擾所致，只能進一步觀察。

3.3震前異常動態(tài)

昆明地震臺每個月的重力數(shù)據(jù)月報都要上傳至武漢地震研究所地球重力組，重力組的工作人員對昆明臺的重力數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象十分重視，也作了大量的分析并反饋給臺站觀測人員，并提出可能是震兆異常，要求再作進一步的跟蹤分析。于是觀測人員對照了2014年所有的國內(nèi)外5.0級以上地震，在2014年云南出現(xiàn)的10年來罕見的7次5.0～7.0級地震連發(fā)過程中，重力數(shù)字儀記錄曲線不定時出現(xiàn)大量數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象。在觀測儀器和觀測環(huán)節(jié)均正常情況下，從本地區(qū)本類震兆異常或國內(nèi)外同類震兆異常進行對比分析，從短臨和中長期預報，從同震效應、震后效應、震前異常動態(tài)來看[3]，沒有一次是能夠很好地作為震兆異常的。所以觀測人員認為重力數(shù)字儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)的大量數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象是地震前兆的可能性不大，排除是地震前兆異常。

3.4儀器故障(包括本體故障、數(shù)據(jù)采集設備故障)

本體故障：昆明地震臺現(xiàn)在還保留著重力模擬觀測測項，同時段的模擬記錄曲線正常。如果是儀器本體故障，數(shù)采和模擬記錄數(shù)據(jù)應當都不正常。因此對于一年多重力數(shù)采儀記錄曲線出現(xiàn)的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象，觀測人員分析認為：可以排除儀器本體故障的原因，也可以排除是本體的觀測環(huán)境受到干擾的可能，圖2是重力數(shù)采與模擬記錄在同一時間段的記錄曲線。

圖2　重力數(shù)采與模擬記錄曲線

數(shù)據(jù)采集設備故障：重力數(shù)字采集器安裝在地面前兆儀器室，與計算機、形變和流體觀測儀器等電子產(chǎn)品擺放在一起，所有前兆數(shù)字化采集均使用中國地震局地球物理研究所研制的地震前兆設備網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換器中的前兆數(shù)據(jù)采集單元，采集前兆觀測儀器的輸出電壓信號，采用線性轉(zhuǎn)換公式，將電壓值乘以標定格值，再加上改正值得到對應的微伽物理量。重力數(shù)采儀記錄信號線從模擬儀信號輸出端口接出，同時段的模擬記錄曲線正常，所以觀測人員分析認為可能是重力數(shù)字采集單元壞掉，將故障上報給省地震局儀器維修組，并要求更換重力數(shù)字采集器。在重力觀測規(guī)范的要求內(nèi)，觀測人員對數(shù)據(jù)突跳做了數(shù)據(jù)補插處理，而整點值的數(shù)據(jù)補插會出現(xiàn)該點和均值數(shù)據(jù)為空(NULL)的現(xiàn)象。為了降低數(shù)據(jù)缺記率，觀測人員統(tǒng)一對不在整點時的數(shù)據(jù)突跳了數(shù)據(jù)補插處理，對整點時的數(shù)據(jù)突跳作不做處理。表1是在觀測人員對整點數(shù)據(jù)突跳數(shù)據(jù)補插處理后出現(xiàn)整點和均值數(shù)據(jù)均為空(NULL)的現(xiàn)象。

表1 整點數(shù)據(jù)突跳時的數(shù)據(jù)補插

云南省 省(市、自治區(qū))昆明(重力潮汐觀測值)2015年2月重力觀測整點值月報表

月均值：756.27格值(C)：0.59潮汐參數(shù)(T)：1.16

567891011121314151617181920212223均值53.873.972.753.723.2-8.3-31.4-39.4-29.4-3.829.861.781.480.957.514.0-41.0-95.9137.9-6.943.375.885.472.743.15.9-26.9-45.8-45.525.58.547.378.492.682.948.7-5.0-63.7-116.8-5.626.570.492.488.663.224.6-14.9-84.0-54.9-43.5-13.427.067.493.597.976.231.6-27.1-86.2-5.35.858.190.697.879.743.40.5-36.6-58.1-57.5-34.73.746.882.499.792.459.37.1-52.37.8-17.239.480.698.289.559.316.6-25.4-56.5-66.9-54.5-22.619.660.488.494.775.434.0-20.3-3.9-37.918.665.893.095.472.734.4-9.5-46.6-67.1-65.6-43.135.770.588.183.454.79.8-49.21.750.283.995.382.850.910.8-31.2-59.82.7-58.7-30.27.444.069.676.863.430.1-0.1-63.1-19.326.964.383.881.459.023.0-17.1-50.5-69.569.5-52.3-22.012.541.758.658.340.4-7.3-60.4-26.612.549.173.880.567.941.04.0-30.4-56.5-67.8-62.7-43.7-16.412.134.444.841.0-5.6-47.6-26.93.135.061.074.772.755.627.4-4.8-33.8-54.0-61.7-56.0-23.4-17.74.821.930.6-1.4-32.0-23.8-6.117.340.357.363.757.839.915.1-13.1-37.3-56.7-64.7-62.6-51.3-34.3-15.21.94.6-8.3-10.3-5.36.522.739.451.956.852.616.3-9.3-34.4-55.0-68.5-71.9-65.6-51.0-31.222.413.76.64.69.520.033.746.955.054.644.624.3-2.8-32.8-60.9-8.2-91.4-88.1-72.1-0.452.342.026.611.21.30.810.126.645.159.864.856.934.91.8-37.5-75.4-103.2-117.9-113.01.474.224.252.326.61.6-14.5-16.4-3.221.048.771.480.872.144.01.1-49.1-96.6-131.2-144.6-0.1

3.5靜電接地故障

觀測人員排除了上述種種原因，多次電話上報省地震局儀器維修組，仍沒有真正確定是什么原因造成的重力數(shù)采儀數(shù)據(jù)突跳。在幾個月觀測中觀測人員都認為是重力數(shù)字采集單元損壞，在觀測日志中將事件記錄為“采集器故障”，將數(shù)據(jù)突跳進行數(shù)據(jù)補插處理，再做進一步觀察。2015年5月9日10時左右，省地震局維修組人員到臺檢修洞體標定故障時，觀測人員將重力數(shù)字儀數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象以及所作的排查工作進行了報告，并請求再次查看一下故障原因。維修人員進行了仔細分析，懷疑可能是電流沖擊造成的數(shù)據(jù)突跳，即由靜電荷干擾引起。而靜電接地可以對電磁干擾起到抑制作用，降低電磁干擾，提高電子設備的電磁兼容指標，進而確保設備及系統(tǒng)的穩(wěn)定工作[4、5]。于是抱著試試看的心理，維修人員找了一根導線，將數(shù)字采集器的外殼與機箱的外殼連接起來，結果第二天就發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不再出現(xiàn)突跳現(xiàn)象。繼續(xù)跟蹤發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)曲線恢復正常(圖3)，說明重力數(shù)字儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)的大量數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象確實是由靜電荷干擾引起。

圖3　重力數(shù)字儀曲線正常記錄

4　討　論

通過對昆明地震臺GS—15重力數(shù)采儀日常觀測曲線中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象進行多種排查、核實分析，最終排除電源故障、生物因素影響、震前異常動態(tài)、儀器故障(包括本體故障、數(shù)據(jù)采集設備故障)的可能后，認為數(shù)據(jù)突跳是靜電荷干擾造成。據(jù)此認為：

(1)在對昆明地震臺重力數(shù)字儀數(shù)據(jù)突跳現(xiàn)象的排查過程中，發(fā)現(xiàn)同時段的模擬曲線正常，僅僅是數(shù)字化數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳，可以排除是儀器本體方面的故障引起，也排除了是記錄到的前兆異常。2015年5月9日靜電接地后，重力數(shù)采儀記錄曲線恢復正常，可以判斷產(chǎn)生畸變的原因是靜電荷干擾所致。

(2)對于地震臺站，電源和信號從洞室到地面觀測室的過程中會受到許多干擾，而靜電荷是最為常見的電磁干擾，可能造成觀測數(shù)據(jù)不定時的大量突跳，所以要把產(chǎn)生的靜電荷迅速中和，就需要有一個良好的防靜電接地裝置，通過接地可以降低電磁、高頻、交流等干擾，從而釋放靜電[6]。

(3)本文分析的干擾都可能給儀器系統(tǒng)的正常工作帶來危害，由于干擾源種類繁多，所以只能逐步排查和判斷。雖然故障原因很簡單，但比較隱蔽，不容易查找，加之觀測人員維修經(jīng)驗不夠豐富，要找出每個系統(tǒng)的干擾源，并對癥下藥地解決，確實不是一件容易的事。在排查中出現(xiàn)了一些錯誤判斷，導致故障時間長達一年多才得以解決。因此認識到要提高數(shù)字化臺站維護管理水平，縮短干擾及故障排查時間，就要多總結經(jīng)驗，掌握更多的故障、干擾排查技術，作出科學判定，保證觀測資料質(zhì)量。

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DISTURBANCE OF GRAVITY DATA IN KUNMING SEISMIC STATION

FENG Qiongsong,YANG Xing,CUI Qinggu,BAI Xianfu,LI Siyao

(1.KunmingSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfYunnanProvince,Kunming650204,China;2.EarthquakeAdministrationOfYunnanProvince,Kunming650224,China)

The curves of a large number of data anomalies and fault phenomena in a year are recorded by Kunming seismic gravimeter. These anomalies are analyzed, and they may be influenced by electrostatic interference effect of digital recorder.

Kunming seismic station; Gravimeter; Data anomaly; Interference

2016-06-21

地震行業(yè)科研專項(項目編號:201208018)資助。

馮瓊松(1976—)，女，云南宣威人，本科學歷，工程師，主要從事前兆形變觀測。

P315.72+6

A

1005-586X(2016)03-0043-05