張 凱李杏梅林苗祿全建軍

1）中國福建363000漳州地震臺

2）中國福建366000永安地震臺

漳州地震臺SS-Y型伸縮儀短時畸變分析

張 凱1）李杏梅1）林苗祿1）全建軍2）

1）中國福建363000漳州地震臺

2）中國福建366000永安地震臺

對漳州地震臺SS-Y型伸縮儀日常觀測資料中出現(xiàn)的多種短時畸變，利用Matlab軟件進行譜分析和濾波處理，總結各種干擾表現(xiàn)形式，以便更好識別非地震前兆因素干擾，為地震研究服務。

伸縮儀；短時畸變；譜分析和濾波

0 引言

漳州地震臺SS-Y型伸縮儀安裝于2006年12月，由于此前儀器所處窿洞進行大規(guī)模改造，觀測環(huán)境有了很大提升，伸縮儀穩(wěn)定運行，產出大量可靠的觀測數(shù)據(jù)。目前觀測儀器運行正常，可以清晰記錄到固體潮，對國內外震級較大的遠震具有良好的映震能力。但觀測資料時常受到各種因素干擾，有人為因素、環(huán)境因素等。具體表現(xiàn)在日變曲線出現(xiàn)短時間畸變，在特定時段出現(xiàn)小突起、單點突跳、臺階或者長時間段的毛刺、曲線的不光滑等（馮英，2010）。因此，分析伸縮儀日常觀測中出現(xiàn)的短時間畸變的表現(xiàn)形式，判定干擾特征并予以排除干擾，提高觀測資料質量。

1 臺站觀測儀器

漳州地震監(jiān)測臺（以下簡稱漳州臺）位于漳州龍海市九湖鎮(zhèn)衍后村石獅巖，基巖為花崗閃長巖，距長詔斷裂帶幾十千米，附近有北西向、近南北向斷裂經過。

漳州臺SS-Y型伸縮儀安裝于儀器專用窿洞內，該窿道開挖于1976年7月，寬1.40 m、高2.07 m、總長100 m，2006年11月窿洞完成改造及裝修，現(xiàn)有3道密封式船艙門，年溫差0.15℃，日溫差0.05℃，平均室溫22℃，觀測條件較好。SS-Y型伸縮儀分辨力優(yōu)于1×10-9，漂移量小于10-6/年，基線南北向長度為16.95 m，東西向長度為24.44 m，兩方向均砌有磚混儀器密封槽，槽內四周用粘貼高密度聚苯乙烯泡沫板，頂部用高密度聚苯乙烯泡沫板蓋嚴，并在上部加蓋一層寬幅塑料薄膜，使儀器主體基本處于良好密封狀態(tài)下。

2 觀測資料特征

2.1 日變特征

漳州臺伸縮儀2007年運行至今，儀器無故障，觀測資料完整連續(xù)，日常記錄的應變曲線光滑，固體潮清晰，分鐘值曲線噪聲較低，日變規(guī)律明顯，具有良好的周期特征。如2012年5月6日伸縮儀觀測日變曲線，清晰可見明顯日變規(guī)律，見圖1。

2.2 映震效應

漳州臺伸縮儀對強遠震能夠較好的記錄到產生的顯著同震應變階躍，信息量豐富。如：2011年3月11日日本MS9.0大地震，震中距幾千千米，大震引起較大的振幅波動，周期長達數(shù)十分鐘，見圖2。

圖1 2012年5月6日伸縮儀觀測日變曲線Fig.1 The daily change curve of extensometer observation on May 6, 2012

圖2 2011年3月11日日本9.0級大震伸縮儀大振幅效應曲線Fig.2 The curve of large amplitude response of telescopic instrument for JapanM9.0 earthquake on March 11, 2011

3 短時畸變分析

漳州臺伸縮儀能夠清晰記錄到固體潮變化和較大的地震面波。日常觀測曲線二分量均較為光滑，毛刺突跳現(xiàn)象較少，但也會受到各種因素干擾，利用Matlab對短時畸變進行分析，提取并排除相關干擾噪聲波形，觀測曲線更加清晰。

3.1 人工爆破影響

漳州臺距小型工業(yè)區(qū)約1 km，工程建設對地震觀測有一定影響。2014年4月4日漳州臺周邊平整山地，實施人工爆破，伸縮儀EW向于16時前后及22時前后受到爆破影響，曲線出現(xiàn)瞬時尖峰突跳（圖3）。

通過Matlab設計的FIR帶通濾波器，提取并濾除高頻噪聲，見圖3。從圖中清晰可見2個爆破干擾，表現(xiàn)為短時尖峰或單點突跳；對濾波前后波形進行對比，可見消除高頻噪聲后，觀測曲線恢復光滑清晰的形態(tài)。

3.2 儀器探頭受潮影響

2014年4月13日伸縮儀EW向出現(xiàn)全天連續(xù)的毛刺突跳現(xiàn)象，觀測曲線與平時相比極不光滑。因當?shù)卮杭緷穸容^大，觀測洞室較為潮濕，墻壁滲出水珠，洞門附近有積水。儀器密封槽附近更加潮濕，南北向密封槽上部覆蓋的塑料薄膜也有大量積水，判定此次干擾為儀器探頭受潮影響所致，春季返潮天氣結束后，觀測曲線恢復正常。當天發(fā)生所羅門群島7.8級、7.5級地震，由于探頭受潮曲線毛糙，地震同震響應不明顯，通過Matlab設計帶通濾波器，提取高頻噪聲，濾除地震影響及探頭潮濕干擾，輸出信號見圖4。

圖3 2014年4月4日伸縮儀EW向數(shù)據(jù)濾波前后對比Fig.3 The comparison of EW direction before and after fltering for extensometer on April 4, 2014

圖4 2014年4月13日伸縮儀EW向數(shù)據(jù)濾波前后對比Fig.4 The comparison of EW direction before and after filtering for extensometer on April 13, 2014

從圖4可見，濾波前地震信號淹沒在探頭受潮引起的噪聲中，濾波后能夠清晰分辨出2個地震波形，即所羅門群島7.8級、7.5級地震，表現(xiàn)為集中連續(xù)時段的大幅突跳，探頭受潮干擾幅度較小，但時間較長（萬永革，2007）。對比濾波前后觀測曲線發(fā)現(xiàn)，在消除當天地震影響和探頭潮濕干擾后，曲線恢復光滑，可見清晰固體潮。

3.3 分量線路串擾影響

2014年5月初漳州臺伸縮儀曲線出現(xiàn)連續(xù)多日毛刺突跳干擾，表現(xiàn)為正常固體潮曲線上疊加一連串突跳，分析認為，正常探頭輸出電壓疊加了一個干擾電壓，檢查發(fā)現(xiàn)，線路串擾可能來自出現(xiàn)故障的洞體溫度分量線路。將該線路輸入線從主機拔下，干擾消除。由于伸縮儀NS向、EW向干擾相同，且NS向干擾明顯（干擾集中在高頻段），因此選取5月1日至3日的NS向數(shù)據(jù)進行頻譜分析。通過Matlab設計帶通濾波器，提取并濾除高頻噪聲，見圖5。由圖5可見，分量線路串擾影響為覆蓋全時段的干擾，且幅度較大，疊加的干擾形態(tài)具有一致性，經濾波發(fā)現(xiàn)，在消除線路串擾后，觀測曲線恢復光滑，具有清晰固體潮。

3.4 基建工程震動影響

2014年7月位于漳州臺窿洞上方幾十米處寺廟修筑道路及大殿擋土墻，基建施工伴隨大型工程設備車輛帶來的震動干擾及施工引起的山體土體擾動，伸縮儀EW向剛好對應土體擾動的擠壓方向，因此影響較大，NS向相對EW向影響較輕微。對7月21日受干擾的EW向數(shù)據(jù)進行分析，通過類似的頻譜分析，得出干擾集中在高頻段。通過Matlab設計帶通濾波器，提取高頻噪聲并將此干擾濾除，結果見圖6。

從圖6可以看到，基建施工震動影響覆蓋全天大部分時段，幅度影響不一，主要施工時段干擾較大，同時土體擾動也造成全天數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。經過濾波前后對比可以發(fā)現(xiàn)，在消除基建震動干擾后，曲線恢復光滑，呈現(xiàn)清晰的固體潮。

圖5 2014年5月1日—3日伸縮儀NS向數(shù)據(jù)濾波前后對比Fig.5 The comparison of NS direction before and after fltering for extensometer from May 1st to 3rd, 2014

圖6 2014年7月21日伸縮儀EW向數(shù)據(jù)濾波前后對比Fig.6 The comparison of EW direction before and after fltering for extensometer on July 21, 2014

3.5 雷電惡劣天氣影響

2014年9月19日下午漳州出現(xiàn)短時強對流天氣，在此次強雷電天氣過程中，伸縮儀EW分量數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)連續(xù)突跳和成片壞數(shù)，雷電過后數(shù)據(jù)曲線恢復正常，判斷為雷電時段產生一定感應電壓造成的干擾。由于雷擊帶來的電磁靜電感應主要傷害弱電設備（儀器、電器），而當前科技水平，不論采取何種避雷措施都不能完全避免強雷電對數(shù)字化儀器觀測數(shù)據(jù)造成的干擾。對9月19日全天受干擾的EW向數(shù)據(jù)進行分析，采取類似的頻譜分析，得出干擾集中在高頻段。通過Matlab設計帶通濾波器，提取高頻噪聲并將此干擾濾除，結果見圖7。

從圖7可以看到，干擾影響主要集中在雷電惡劣天氣時段，干擾幅度較大且連續(xù)，其他時段較為正常。濾波前后對比發(fā)現(xiàn)，在消除雷電干擾后，曲線恢復光滑，呈現(xiàn)清晰的固體潮。

圖7 2014年9月19日伸縮儀EW向數(shù)據(jù)濾波前后對比Fig.7 The comparison of EW direction before and after fltering for extensometer on Sep.19, 2014

4 結束語

伸縮儀適用于觀測地殼應變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，為研究地震孕育過程的水平應變的變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)（熊仲華，2006）。伸縮儀運行所受干擾原因各不相同，且可能同時受到多種因素干擾，可能表現(xiàn)為全天多時段連續(xù)毛刺突跳，或者特定時段的曲線畸變、數(shù)據(jù)缺數(shù)、不同幅度的臺階等，對各種干擾特征進行總結，便于地震臺站工作人員及時識別干擾類型，利用Matlab等軟件進行相應處理分析，有利于分析和濾除干擾數(shù)據(jù)，對于正確識別地震異常具有重要意義，可以提高儀地震觀測數(shù)據(jù)質量，更好地為地震監(jiān)測、預報、研究服務。

馮英.烏什地震臺伸縮儀資料影響因素分析[J].高原地震，2010，22（4）：43-47.

萬永革.數(shù)字信號處理的Matlab實現(xiàn)[M].北京：地震出版社，2007：224-225.

熊仲華.地震觀測技術[M].北京：地震出版社，2006.

Analysis of short-term distortion data for SS-Y type telescopic instrument at Zhangzhou Seismic Station

Zhang Kai1），Li Xingmei1），Lin Miaolu1）and Quan Jianjun2）
1)Zhangzhou Seismic Station,Fujian Province363000,China
2)Yongan Seismic Station,Fujian Province366000,China

A variety of short-term distortion occurred in daily observation data of SS-Y expansion instrument at Zhangzhou Seismic Station.With Matlab software, spectrum analysis and fltering are adopted to data analysis.Through an analysis of the results, the various types of interference factors in extensometer observation are summarized for better identification of non-seismic precursory factors.

extensometer，short-term distortion，spectrum analysis and fltering

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.019

張凱（1983—），男，福建建甌人，大學本科，助理工程師，2006年畢業(yè)于集美大學，主要從事臺站地形變、傾斜、地磁觀測工作

福建省地震局地震臺站科技基金專項

本文收到日期：2012-03-02