十堰臺數字化水管儀傾斜潮汐觀測質量評定*

孫伶俐 羅俊秋 呂品姬 郭熙枝 李 明 趙凌云 陳紅波

(1)湖北省地震局，武漢 430071 2)十堰地震臺 十堰442000)

十堰臺數字化水管儀傾斜潮汐觀測質量評定*

孫伶俐1)羅俊秋1)呂品姬1)郭熙枝1)李 明1)趙凌云1)陳紅波2)

(1)湖北省地震局，武漢 430071 2)十堰地震臺 十堰442000)

對十堰臺的數字化水管儀2007—2010年傾斜潮汐觀測資料進行全面質量評定后發現，運行3年以來的傾斜潮汐觀測資料連續可靠，儀器工作正常穩定，零漂與年變幅等指標均在穩定范圍內。長水管系列調和分析結果表明：傾斜潮汐觀測在資料精確度、連續性和可用率3方面已接近國際同類水平，有些指標已超過國內優秀臺站觀測水平。傾斜資料于2009年3月曾因山洞附近土石開挖受到影響，出現高頻微顫動和短時掉格下躍暫態事件，但固體潮汐很快恢復正常，排除地震前兆異常。同時在汶川8.0級地震前十堰臺水管儀NS分量固體潮汐加卸載響應非潮汐比值顯示有超出正常變化范圍的波動現象。

傾斜固體潮汐;數字化水管儀;數據質量;暫態;加卸載響應比

1 引言

對地殼傾斜、應變數據進行定點連續觀測，是檢測和研究地震活動區域地殼水平、垂直相對運動和固體潮汐動態變化的一種基礎方法［1］。傾斜觀測提供地球固體潮汐、地殼巖石性質及地球參數等科學數據，幫助我們認清地震事件周期、應力的變化以及相關地殼變形之間的關系。本文試圖通過十堰地震臺水管傾斜儀觀測資料的變化規律，對觀測資料內在精度等指標進行全面質量評定，探討觀測中出現的暫態事件及大地震前的微動態變化，為地震分析預測積累經驗。

2 臺站觀測條件概況

十堰地震臺，位于湖北省鄂西北地區的十堰市張灣，原名中國第二汽車制造廠地震臺，后改名為十堰地震臺。該臺于1976年8月建成，臺站占地面積20.53畝，建筑面積為500 m2。在地質構造上，十堰臺處于南秦嶺造山帶內、武當隆起北緣，南距北西西向白河-谷城大斷裂約1.5 km、北距兩鄖斷裂帶約25 km(圖1)。南秦嶺造山帶為中、強地震構造帶，公元46年及公元788年曾發生過南陽6級和竹山寶豐6級破壞性地震，但現代小震活動頻度不高。

十堰地震臺由十堰臺站、牛頭山測點和柳林溝測點3部分組成，其中柳林溝為地殼形變類測點，其儀器布設于山洞內。該山洞海拔高度275 m，洞體巖石堅硬，為中遠古代武當群中淺變質片巖，覆蓋厚度約30 m，山頂植被茂盛，洞高3 m、寬2.5 m、長度1 430余米，洞內溫度為18℃，年變化小于0.5℃。洞口內設有5道密封門。觀測的NS、EW兩分量互相獨立(圖2)，兩端分別采用60～80 cm厚的水泥密閉墻體形成隔溫腔體，具備進行地殼形變觀測很好的基礎條件［2-14］。

圖1 十堰臺形變測點與斷裂分布示意圖Fig.1 Sketch of distribution of the deformation site and faults at Shiyan station

地傾斜形變測量使用的是中國地震局地震研究所(武漢)研制的高靈敏度DSQ水管儀，該儀器的主要技術指標及參數如表1所示。

圖2 十堰地震臺形變觀測儀器分布圖Fig.2 Location of deformation instruments at the Shiyan seismostation

表1 十堰臺DSQ水管儀主要技術指標及參數Tab.1 Main technical performances and parameters of DSQ water tube tiltmeter at Shiyan station

3 觀測資料質量技術指標

柳林溝測點的水管儀為2007年新安裝的觀測儀器，從2007年7月至今，儀器工作穩定，資料連續可靠，能清晰地記錄固體潮的變化，地傾斜日變固體潮曲線清晰、光滑，有明顯的季節性變化特征。由于洞室內溫度基本保持恒定，固體潮觀測受自然環境因素的影響不明顯(圖3)。

圖3 水管儀NS、EW分量整點值年變趨勢圖Fig.3 Annual trend of the hourly of NS and EW component of tide curve of Shiyan titlmeter

對十堰臺FSQ水管儀(2007-07—2010-07)觀測資料的連續率、年零漂、年變幅及M2波γ值均方差Mγm2、相對噪聲水平M1等質量指標［2，3］進行全面處理，得到的結果如下：

1)觀測資料的連續率采用

計算。式中n為以小時為單位的年缺記時數。2007—2010年水管儀傾斜潮汐觀測資料的年平均連續率都達到了99.623%。

2)年零漂

水管儀傾斜潮汐觀測兩分量的年零漂的均值分別為0.054″和0.438″，小于或接近全國傾斜潮汐臺站的平均值(0.16″與0.40″)，其中NS分量的年零漂率僅為全國平均值的1/3。

3)年變幅

年變幅的計算方法為：在每個分量全年8 760個整點值中找出正負最大值后將兩者的絕對值相加，即得該分量的年變幅。水管儀傾斜潮汐觀測年變幅(表2、表3)均值分別為0.393″和0.964″，亦接近于全國均值(0.32″與0.93″)，兩分量的年變幅都較為穩定，相對而言，EW分量的年變幅值要大于NS分量。十堰臺的年變幅與全國平均值相比稍稍偏大，可能與洞室熱彈性形變大和儀器運行時間不長有關［4］。

2007—2010年十堰臺DSQ水管儀數字化觀測資料完整率、年零漂與年變幅如表2所示，都保持了較穩定的工作狀態。

表2 DSQ水管儀的資料完整率、年零漂與年變幅Tab.2 Quality of the continuity，annual zero-drift and annual variation of the observations with digitalized water tube tiltmeter

4)M2波γ值均方差Mγm2

應用Venedikov調和分析方法按月對水管儀傾斜潮汐觀測資料整點值進行調和分析，求出傾斜潮汐因子M2波γ值均方差如圖4所示。十堰臺水管儀M2波均方差除2007初安裝至2008年上半年因儀器自穩定影響、2009年初的標定器故障引起潮汐因子有波動影響外，其他時段均運行穩定，精度較高。

5)相對噪聲水平M1

相對噪聲水平M1是衡量傾斜潮汐形變觀測資料年度穩定性的質量指標。應用契比雪夫多項式即一個年度觀測資料的73個5日均值作30階擬合而成。公式為：

圖4 水管儀Venedikov潮汐因子γ與中誤差年變趨勢Fig.4 Tide factor γ and root mean square error of titlmeter (2007—2010)

式中：

表3列出的是2007—2010年十堰臺DSQ水管儀傾斜潮汐觀測Mγm2和M1的質量評定結果，從表3可看出，十堰臺水管儀傾斜潮汐M2波γ值均方差Mγm2年均值小于0.003，最低時可達0.012，2009—2010年均穩定在0.002以下;相對噪聲水平M1的年均值在0.0019—0.0024之間。

表3 DSQ水管儀傾斜潮汐觀測Mγm2和M1年度均值Tab.3 Quality of annual average of Mγm2and M1tilt tide observed with DSQ water tube

6)觀測質量對比

十堰臺DSQ型水管儀自運行以來，其觀測資料已多次參加全國形變學科資料評比，在2008年的82個參評臺中名列第17名，經過兩年左右的穩定，在2009年全國地傾斜潮汐觀測水管單項資料評比中，迅速上升排至前三名，獲得“傾斜潮汐觀測單項臺”第二名的好成績，全年資料穩定表現優秀(表4)。從表4可看出，十堰臺的觀測精度與噪聲水平指標質量較麻城、宜昌、黃梅等湖北省主要形變臺站的均高。

表4 觀測指標比較Tab.4 Comparison between some tile tide observed projects and quantitative index of Shiyan station with first－rank others

4 日常觀測中的暫態事件

在十堰地震臺水管傾斜儀2007—2010的觀測資料中發現，影響觀測數據質量的因素主要有：儀器故障、供電系統故障、人為因素、同震變化等。現僅對2009年3月出現的高頻微顫動和短時掉格階躍這一特殊暫態現象加以分析。

2009年3月4日十堰臺水管儀N端、S端分量開始出現高頻顫動，3月6日18：50在斯瓦巴德以北地區發生了6.8級地震，地震前后N、S端數據畸變由4～5日的高頻微幅顫動變成階躍下降式畸變，導致NS分量高差數據也同樣出現下躍式畸變;7日后恢復到正常形態。具體畸變過程如圖5、圖6所示。

本次固體潮畸變現象具有如下特征：

1)N端較S端畸變程度嚴重;

2)NS分量畸變分4段式(L1～L4)階躍下降。L1的變化量達0.008″，L2的變化量達0.009″，L3的變化量達0.003″，L4的變化量達0.004″。L1～L4段均為先向N傾后向S傾，整體變化趨勢為向S傾，整體傾斜量達到-0.038″。L1和L2處變化量較大，最大變化量為L2段。整個畸變至7日恢復正常，沒有形成持續的趨勢性異常變化。

文獻［2］認為載荷變遷會對傾斜單分量產生影響。經現場落實和資料查證，認為十堰臺水管儀2009年3月的短時畸變與洞體外載荷變遷有關。3月3日土石開挖工程開始，3月4至7日日固體潮觀測曲線即出現微抖動后演變成類似階躍畸變，持續時間達4天;3月7日后工程仍在繼續，但開挖面積和深度未增加，傾斜NS分量固體潮觀測整體微S傾未回復;爾后，在原開挖地基上建起8層高占地200 m2的建筑物，其間再未發生日固體潮畸變現象。

圖5 十堰(柳林溝)臺水管儀2009年3月6—7日分鐘值畸變曲線Fig.5 Titl tide distortion curves of Shiyan station on March 6-7，2009

圖6 水管儀NS分量整點值的畸變過程Fig.6 Titl tide distortion process of the hourly values of NS component of the water tube

5 汶川地震前十堰臺傾斜潮汐加卸載響應比值變化與討論

2008年5月12日汶川8.0級地震，震中距十堰臺達500 km以上。運用調和分析、NAKAI檢驗、去潮汐及潮汐分析、加卸載響應比計算等多種方法對2008—2009年度的該臺水管儀的整點值觀測資料進行震前異常篩查發現，在2008年3—9月，兩分量加卸載響應非潮汐特征比值曲線出現一些異常現象(圖7)，這些異常現象主要有：

1)NS分量加卸載響應非潮汐特征比值表現明顯的波動偏離，其頻度與強度超過EW分量。

2)在主震發生前1～2月，NS分量加卸載響應非潮汐特征比值y升高(明顯大于1)，并逐步呈上升偏離形態。

3)在主震發生的前夕NS分量加卸載非潮汐特征比值出現迅速下降至低值，在向正常值回歸時發生了8.0級主震。

4)主震發生后的2～3月間，NS分量加卸載響應非潮汐特征比值y升高到最大值，達到最大振幅變化量;6月14日升至峰值，6月27日降至最低值，均突破2倍均方差閾值范圍。

5)EW分量加卸載響應非潮汐特征比值在主震發生前1～2月未見明顯偏離起點，特征比y值一直在1附近波動;于6月17日達到峰值并突破2倍均方差閾值界限后，快速回復至正常變化背景。

6)如圖7所示，其他參量(加卸載擬合方差、振幅因子等)在兩分量計算結果上未見明顯異常。

圖7 水管儀NS、EW分量加卸載響應非潮汐特征比值Fig.7 Load/unload response ratio in tide removing analysis of NS，EW component of water tiltmeter

6 結語

1)十堰臺DSQ水管儀的傾斜潮汐資料連續、完整、可靠，儀器工作正常穩定。資料連續率高、年零漂與年變幅小，潮汐觀測精度佳、相對噪聲水平低。

2)十堰臺DSQ水管儀自觀測運行以來，除受土石開挖影響外觀測值未出現與地震相關的前兆異常信息;潮汐因子在汶川地震前未見明顯異常，但對整點值進行加載響應比計算結果顯示，NS分量非潮汐特征比值在地震發生前2個月呈現系統編離現象，且波動的頻度與強度均較大，臨震前期急劇下降，至震后2～4月緩慢恢復。

1 陳德福，等.地震地形變觀測技術［M］.北京：地震出版社，1995.

2 陳德福，聶磊.液體靜力水準儀及其應用［M］.北京：地震出版社，2008

3 中國地震局監測預報司.地形變測量［M］.北京：地震出版社，2008：320-343

4 聶磊，等.DSQ型短基線水管傾斜儀及其標定裝置的研制［J］.地殼形變與地震，2001，(3)：74-81.

5 鄧建剛，李澤民，張志俊.麻城臺傾斜潮汐形變觀測資料質量與映震效能評定［J］.大地測量與地球動力學，2009，(6)：74-78.

6 于天龍，等.長春雙陽地震臺數字水管儀傾斜潮汐觀測質量評定［J］.大地測量與地球動力學，2007，(專刊)：89-92.

7 黃曉華，廈門地震臺數字化水管傾斜儀觀測資料分析［J］.大地測量與地球動力學，2009，(增刊)：72-75.

8 G Dal Moro and M Zadro.Subsurface deformations induced by rainfall and atmospheric pressure：tilt/strain measurements in the NE-Italy seismic area［J］.Earth and Planetary Science Letters，1998，164：193-203.

9 王梅，等.數字化形變觀測干擾識別［J］.大地測量與地球動力學，2004，(1)：94-98.

10 劉序儼，林繼華，黃聲明.福建廈門、漳州、泉州傾斜固體潮特征及其動力學解釋［J］.地殼形變與地震，1998，(1)：70-75.

11 蔣駿，等.地震前兆信息處理與軟件系統EIS2000［M］.成都：成都地圖出版社，2002.

12 陸遠忠，等.基于GIS的地震分析預報系統［M］.成都：成都地圖出版社，2002.

13 馮銳.地傾斜與地震［M］.北京：地震出版社，1978.

14 鐵摩辛柯，古地爾著.符芝綸譯.彈性理論(第三版)［M］.北京：清華大學出版社，2004.

對十堰臺DSQ型水管傾斜儀2007—2010年傾斜潮汐觀測資料質量的全面評定，有如下認識：

QUALITY EVALUATION OF TILT TIDE OBSERVATION WITH DIGITAL WATER TUBE AT SHIYAN SEISMOSTATION

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Shiyan Seismostation，Shiyan442000)

Tilt tide measurement data with digital water tube is collected at Hubei Shiyan seismostation from 2007-2010.The results of data analysis indicate that the tilt tide observation for 3 years werecontinuous and reliable，the instrument works normally and stably which has small annual zero drift and change amplitude and so it is with the low noise level.The overall quality nearly reach the international level in terms of data accuracy，continuity and applicability，though the data had been affected by the local station cave excavates in March，2009，which were high-frequency vibration and the short-time drift.The earth tide returned soon to regular level very approximately and this short-time Anomaly had been not believed firmly as an earthquake precusor.In the same time，it is revealed that in the tilt components evident signal occurs together with significant perturbations of load/unload-response-ratio(LURR)of earth tide before the Wenchuan M8.0 earthquakes.

tilt tide;digital water tube titlmeter;data quality evaluation;short-time anomaly;LURR(Load/Unload-Response-Ratio)

Sun Lingli1)，Luo Junqiu1)，Lü Pinji1)，Guo Xizhi1)，Li Ming1)，Zhao Lingyun1)and Chen Hongbo2)

1671-5942(2011)Supp.-0059-05

2011-03-16

中國地震局震情跟蹤合同制項目(2011020205);中國地震局三結合課題(22004041828);中國地震局地震研究所所長基金(IS200946086)

孫伶俐，女，1977年生，工學碩士，工程師，從事地殼形變觀測技術研究.E-mail：sunll777@sina.com

P315.72+6

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