烏什地震臺水管傾斜儀觀測資料分析

張錦萍，李姍姍，唐 蘭，賴愛京，徐衍剛（．新疆維吾爾自治區地震局阿克蘇中心地震臺，新疆 阿克蘇 84000；．新疆維吾爾自治區地震局庫爾勒地震臺，新疆 庫爾勒 84000；．新疆維吾爾自治區阿克蘇地區地震局，新疆 阿克蘇 84000）

烏什地震臺水管傾斜儀觀測資料分析

張錦萍1，李姍姍2，唐 蘭3，賴愛京1，徐衍剛1
（1．新疆維吾爾自治區地震局阿克蘇中心地震臺，新疆 阿克蘇 843000；2．新疆維吾爾自治區地震局庫爾勒地震臺，新疆 庫爾勒 841000；3．新疆維吾爾自治區阿克蘇地區地震局，新疆 阿克蘇 843000）

利用數學統計方法及調和分析精確計算儀器穩定性指標，對烏什地震臺數字化水管傾斜儀2009年1月—2014年12月觀測資料的運行、變化趨勢和受干擾情況做初步分析，結果顯示：（1）烏什地震臺DSQ水管儀觀測資料連續，儀器精度高, 穩定性好；（2）影響水管儀內精度的干擾因素較多，其中水質變壞，多次更換維修更換液體的影響程度最高；（3）通過多次震例總結，說明烏什地震臺水管傾斜儀具有一定的地震前兆異常監測能力。

水管儀；資料分析；調和分析；干擾分析

0 引言

DQS型水管儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，用來測定地傾斜緩慢變化、傾斜固體潮與捕捉地震前兆信息[1]，能夠提供地球固體潮汐、地殼巖石性質及地球參數等科學數據，掌握地震事件周期、應力的變化以及相關地殼變形之間的關系[2-3]，通過水管傾斜儀觀測資料質量分析，對進一步提高水管儀的運行質量和可靠性及研究地震孕育的傾斜變化規律提供數據有著積極的意義。本文以烏什臺數字前兆形變觀測水管儀觀測資料為研究對象，通過精確計算2009 —2014年水管傾斜儀穩定性指標，對觀測資料的運行、變化趨勢和受干擾情況做初步分析，綜合性研究和評估資料穩定性，為地震分析預報提供可靠的資料，對做好地震監測預報工作有著重要的意義。

1 臺站概況及水管傾斜儀的基本情況

1.1 臺站觀測環境

烏什地震臺位于天山南麓、塔里木盆地北緣、柯坪地塊的西北緣，在大地構造上跨及南天山地槽和塔里木盆地及其之間的過渡地帶[4]。臺址巖性以石英質砂巖為主，完整性較好，觀測點周邊是大片農田，無明顯干擾源，是形變觀測的理想場地[5]。

烏什地震臺形變觀測山洞建于1985年，頂部覆蓋約35m，洞內年溫差＜ 0.2℃，日溫差＜0.01℃，觀測環境干燥；山洞呈NS走向，進深約50m，有2個EW向偏洞，1個安放地震儀的擺，另1個安放石英傾斜儀。2004年為適應“十五”期間增上觀測儀器的要求，將NS方向延長到70m，將安放傾斜儀的EW向偏洞延長到20m，建立水管儀、伸縮儀的觀測空間。另外“十五”期間烏什臺還增上重力潮汐觀測儀器，因此在距洞口25m處，向東開挖10m的偏洞，建立重力儀的觀測空間，主洞及支洞合計總深度約82m。山洞內有4道塑鋼門，保溫性較好。

表1 烏什臺水管儀主要性能參數

1.2 儀器性能參數

烏什地震臺DSQ水管傾斜儀于2006年10月3日架設，架設初期兩分量基線長度均為19.04m，2013年11月11日更換蒸餾水和架設比測儀器時在連通管上安裝了一個三通管，兩分量基線長度增為19.16m；臺基為石炭系砂巖，完整性較好，兩端基墩為完整大理石，用高標號水泥漿與巖石粘接，兩端基墩高差＜3mm。經過近幾年的運行，目前該儀器運行正常，烏什臺水管傾斜儀的主要性能及觀測參數如表1所示。

2 觀測資料分析

烏什地震臺水管傾斜儀于2006年10月架設并投入觀測，現參照地殼形變學科組擬定的有關技術指標，對烏什地震臺2009—2014年水管傾斜儀數據進行全面整理、分析，對資料的連續率、完整率、年零漂、年變幅、噪聲水平及M2波潮汐因子均方差等穩定性指標進行檢定。

2.1 數據變化趨勢

楊又陵等[4]選用烏什臺水管儀2007年7月—2008年9月的觀測資料進行潮汐參數及穩定性的研究，研究時段觀測資料穩定性較好，精度達到并超過了國家Ⅰ類臺的標準。2007年7月—2010年10月，烏什水管儀運行正常，觀測環境穩定，兩分量年變形態清晰，此時段內在新疆南部發生的兩次7級左右地震（2008年3月21日于田M7.3，震中距657km；2008年10月5日烏恰6.9級地震，震中距487km）和柯坪塊體2次5級地震前（2009 年2 月20 日柯坪5.2級地震，震中距70km；2009 年4月19 日阿合奇5.8 級地震，震中距71km），均有不同程度的中短期異常或臨震異常[5]。2010年10月后，兩分量出現準同步趨勢性轉折[6]，烏什臺周邊區域接連發生2次6級地震（2012年3月9日新疆和田洛浦縣6.0級地震，震中距268km；2012年6月30日新疆新源縣與和靜縣交界6.6級地震,震中距522km）和3次5級地震（2011 年8 月11 日阿圖什5.8 級地震，震中距223km；2011年11月1日新疆尼勒克縣、鞏留縣交界MS5.7級地震，震中距378km；2012年5月31日哈薩克斯坦5.9級地震,震中距250km），但依據前兆臺網中心的月評反饋，2012年2月起兩分量精度明顯下降，東西分量穩定性差，2012年12月更換液體后，東西分量穩定性差，2013年5月再次清洗、維護后，北南分量逐漸穩定，東西分量仍處于不穩定狀態。2013年11月11日換液、維護后，2014年1月后儀器工作狀態恢復正常、狀態良好。

因此認為烏什水管儀資料可分5個時段：2006年10月—2007年6月為儀器架設之初的穩定時段。2007年7月—2012年1月為儀器工作狀態最好的時段，預報效能最好。2012年2月—2012年12月，兩分量精度下降，東西分量依然有年變，北南分量加速南傾，可能與2012年8月11日阿圖什5.2級和2013年1月29日哈薩克斯坦6.1級地震有關。2012年12月至2013年底為第四時段，本時段內東西分量基本沒有預報意義，北南分量2013年5月后逐步穩定。2013年11月11日兩分量再次清洗、維護后，2014年1月后資料變化穩定，用于資料信度較高（圖1）。

圖1 烏什臺水管儀傾斜曲線Fig.1 The tilt curves of water tube tiltmeter at Wushi Seismic Station

2.2 連續率和完整率

數據連續是地震預報對前兆觀測數據的基本要求之一，很多全國一類形變臺的數據缺測率都在0.1% 以內，在全國數字化形變資料評比中，數據連續率≥99.5%不扣分[7]。完整率是監視日常觀測質量的另一重要指標，完整率的高低制約著觀測數據的內在質量[8]。烏什地震臺水管儀2009 — 2014年數據連續率、完整率如表2所示。

由表2可知，烏什地震臺水管儀2009—2014年度連續率、完整率均高于國家評比標準，除2013年外，其他年份連續率、完整率均＞ 99.9%，2013年度因水質變壞、更換蒸餾水，連續率、完整率＞ 99.8%,略低于其他年份。

2.3 年零漂和年變幅

年零漂主要用來衡量觀測儀器及基墩穩定程度或地殼繼承性的新構造運動[9]。本文采用日均值法進行計算。年變幅的大小可以用來檢視洞室熱彈形變的大小。

烏什地震臺水管儀2009—2014年度的兩分量各自年零漂、年變幅值如表2所示。由表2可知2009—2014年度的兩分量各自年零漂值均小于2''，北南分量2012、2013年，東西分量2013年零漂值相對其他年份較大，與水質變壞、更換蒸餾水有關，2013年更換蒸餾水之后，2014年兩分量的零漂值都減小許多，北南分量年零漂為0.4113''，東西分量年漂零更小，為-0.0982''。北南分量年變幅在0.1869''～1.2709''之間，東西分量年變幅在0.2222''～1.7695''之間。

表2 水管傾斜儀2009—2014年度資料連續率、完整率、年零漂、年變幅

2.4 潮汐因子

潮汐因子是某一分波的觀測振幅與理論振幅的比值，本文對烏什臺水管傾斜資料固體潮使用Venedikov調和分析方法，計算其半日波的潮汐因子，計算結果如表3所示。由表3可見：潮汐因子均值北南分量為0.7483；東西分量為0.6705。潮汐因子中誤差均值北南分量為0.0040，東西分量為0.0024，說明烏什臺水管傾斜的觀測資料較為穩定，數據波動幅度較小。

表3 傾斜潮汐參數計算結果

2.5 噪聲水平M1和M2波潮汐因子均方差Mγ

M2波潮汐因子均方差是衡量傾斜觀測資料內精度的第一項指標，相對噪聲水平M1，是評價傾斜潮汐觀測資料的一年長期穩定性精度，作為評定傾斜潮汐觀測資料質量的第二項指標[8]，本文按Venedikov調和分析方法，對一個月長度的傾斜觀測資料進行調和分析，計算結果為Mγ的加權平均值，由年度觀測資料的73個5日均值用切比雪夫多項式做30階擬合計算噪聲水平M1，計算結果如表4所示。從表4中可看出，烏什地震臺M2波潮汐因子均方差Mγ 、相對噪聲水平M1的值均小于0.02 ，符合地形變觀測規范要求。

表4 2009—2014年水管儀M2波γ值均方差Mγ及相對噪聲水平M1

3 主要干擾分析

通過對烏什地震臺水管傾斜儀多年資料的總結分析，發現影響觀測數據質量的干擾因素主要可分為：自然干擾、人為干擾、觀測系統故障及震擾4種類型。

3.1 自然干擾

自然干擾主要是指由于自然環境的改變如刮風、打雷、下雨等天氣變化引起水管儀數據產生毛刺、抖動等現象。小的雷電對傾斜固體潮的影響主要表現為曲線畸變，但不會影響日變形態。大的雷電可能導致數采不能正常工作，造成數據缺測，甚至損壞主機，影響觀測數據的準確性[9]。如2014年7月2日—3日烏什地震臺水管儀兩分量受天氣干擾（刮風、風力6～7級、打雷、下雨、降水量達2.2mm）影響，北南分量2日16:54—3日22:12、東西分量2日16:10—3日23:09數據曲線出現了毛刺、突跳、階變、鋸齒狀等畸變，最大變化量NS：1.6E-3''、EW：4.9E-3''，同臺輔助測項曲線在同時段內明顯記錄到本次氣壓、降雨變化情況（圖2）。刮風、雷雨天氣，且降水量在短時間內積累達到一定量時，水管儀數據會出現數據曲線毛刺狀畸變、突跳等干擾特征，雷雨越大越久，干擾就越明顯且持續的時間也就越長[10]。且由于水管儀器的東西方向的東端處于山體風化作用形成的破碎帶上，故刮風對東西分量的影響較大。

圖2 2014年7月2日—3日烏什臺水管傾斜儀北南分量（a）、東西分量（b） 、氣壓（c）、降水量（d）分鐘值曲線圖Fig.2 The minute value curves of water tube tiltmeter NS（a），water tube tilt EW （b），atmospheric pressure（c），rainfall（d）at Wushi Seismic Station from July 2 to 3, 2014

3.2 人為干擾

烏什地震臺水管儀受人為干擾影響主要包括以下幾個方面：（1）調零、標定、檢查、維修儀器、進洞落實異常；（2）由于烏什臺水管儀和伸縮儀安裝在同一個儀器槽內，因此標定、檢查伸縮儀時，水管儀數據同時間段也會受干擾。受人為干擾影響的水管儀數據會出現臺階、突跳、缺數等干擾特征，在對數據預處理時，常常會將受干擾數據做刪除處理，因此影響數據的連續率、完整率，降低數據質量（圖3）。

3.3 觀測系統

烏什地震臺水管儀受觀測系統的影響主要有：電流沖擊干擾、UPS故障、供電故障、傳感器故障、數采故障，這些干擾會造成水管儀數據出現臺階、突跳、缺數，都會降低觀測數據質量，而水管儀管內蒸餾水水質變壞，多次更換蒸餾水更是影響數據精度和質量的重要原因。烏什地震臺水管儀自2012年2月起出現蒸餾水水質變壞、端點底座墊塊生銹現象，兩分量精度明顯下降， 2012年12月更換液體后，東西分量穩定性差，2013年5月再次清洗、維護后，北南分量逐漸穩定，東西分量仍處于不穩定狀態，潮汐因子明顯偏大，2013年11月11日換液、維護后清洗水管，更換水管內蒸餾水，標定結果合格，固體潮潮汐因子恢復到正常水平（圖4）。

圖3 烏什臺水管傾斜儀受人為干擾曲線圖Fig.3 The human disturbance curves of water tube tiltmeter at Wushi Seismic Station

圖4 水管儀潮汐因子Fig.4 The tide factor of water tube tiltmeter

4 映震

就全國范圍來說，數字形變觀測雖然時間較短，但也有一些較好的震例總結[5]，例如田山等[11]研究表明：首都圈及外圍區域形變、重力數字前兆震前出現的短臨異常特征主要是震前一周內觀測數據中出現高頻抖動；劉學謙等[12]研究發現：榮陽臺和信陽臺水管儀在周邊幾次較大地震前也存在高頻抖動現象。

烏什水管儀架設以來，在遠場的7級左右地震和近場的5級地震發生前1～10天，原始觀測曲線大多出現高頻成份增多（高頻抖動）的臨震異常，兩分向中北南分量震前高頻成份增多的震例居多[5]。例如遠場的烏恰6.9級地震（2008年10月5日）前，烏什水管儀北南分量出現明顯高頻抖動，東西分量也存在一定程度的高頻成份（圖5（a）、（b）；近場的柯坪5.2級地震（2009年2月19日）地震前5～6天，北南分量數據曲線南傾加速且高頻成份增多（高頻抖動）的臨震異常顯著（圖5（c））。

圖5 水管儀臨震異常分析Fig.5 The analysis of impending anomaly of water tube tiltmeter

但是2013年1月29日哈薩克斯坦6.1級地震和3月11日阿圖什5.1級地震前，烏什水管儀沒有出現上述臨震前的高頻抖動異常，可能與2012年年底換液后儀器工作狀態不正常有關。

5 結論

烏什地震臺水管傾斜觀測工作，經過全體觀測人員連續多年不斷努力和探索，在軟件應用、儀器維護等方面做到精益求精，觀測資料質量不斷提高。通過以上分析，可以得出以下結論：

（1）通過對烏什地震臺DSQ型水管傾斜儀2009—2014年觀測資料的觀測指標進行計算分析，結果發現：烏什地震臺DSQ水管傾斜儀工作性能穩定，潮汐因子數據波動幅度較小，觀測資料一般性質量評估符合形變規范要求，達到全國先進水平，其觀測資料為地球物理研究提供了優秀的基礎觀測資料。

（2）影響烏什地震臺水管傾斜儀內精度的干擾因素主要是水管儀內水質變壞，多次換水維修的人為干擾，其次自然干擾、人為干擾、系統故障等干擾因素造成數據畸變、缺數，預處理時進行缺數處理也是影響因素之一。

（3）通過長期的資料積累及多次震例總結可知，烏什地震臺水管傾斜儀在多次地震前出現明顯的高頻抖動現象，說明烏什地震臺水管傾斜儀具有一定的地震前兆異常監測能力。

[1]中國地震局監測預報司.地震觀測技術[M]. 北京: 地震出版社, 1995.

[2]余尚江, 成萬里, 曲翠蘭, 等. 信陽地震臺DSQ型水管儀異常特征分析[J]. 防災減災學報, 2015, 31（4）: 60-65.

[3]孫伶俐, 羅俊秋, 呂品姬, 等. 十堰臺數字化水管儀傾斜潮汐觀測質量評定[J]. 大地測量與地球動力學, 2011, 31（增刊）: 59-63.

[4]楊又陵, 馬世貴, 李曉東, 等. 新疆數字化形變觀測的潮汐參數及穩定性分析[J]. 內陸地震, 2009, 23（2）: 107-115.

[5]潘振生, 徐衍剛, 馮英, 等. 幾次中強地震前烏什、阿合奇臺數字形變資料異常變化分析[J]. 內陸地震, 2012, 26（2）: 147-156.

[6]潘振生, 徐衍剛, 張錦萍. 哈薩克斯坦MS6.1地震前新疆形變異常[J]. 地震地磁觀測與研究, 2014, 35（3/4）: 198-203.

[7]黃曉華, 陳傳昌, 陳智勇, 等. 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, 29（增刊）: 72-75.

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

[9]馮建琴, 高振強, 沈曉松, 等. 山西數字化水管傾斜儀觀測資料質量分析[J]. 地震地磁觀測與研究, 2011, 32（3）: 100-108.

[10]馮英, 谷美菊, 王瑞平, 等. 烏什臺和阿合奇臺地傾斜資料震前異常對比分析[J]. 內陸地震，2014，28（3）：268-280.

[11]田山. 數字前兆觀測地震異常短臨特征的初步研究[J].地震地磁觀測與研究, 2009, 30（2）: 57-67.

[12]劉學謙, 何香玲, 蘇莉華. 山西和津MS4.8地震前榮陽數字形變異常信號分析[J].內陸地震, 2012, 26（1）: 36-44.

Analysis on Observational Data of Water Tube Tiltmeter at Wushi Seismic Station

ZHANG Jin-ping1，LI Shan-shan2，TANG Lan3，LAI Ai-jing1，XU Yan-gang1
（1. Aksu Seismic Station of Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Aksu 843000, China；2. Kuerle Station of Xinjiang Earthquake Administration, Xinjiang Kuerle 841000, China; 3. Aksu of Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Aksu 843000, China）

A preliminary analysis for digital water tube tiltmeter from January 2009 to December 2014 observations run, trend and interference of Wushi Seismic Station, using statistical methods and reconcile analysis calculated instrument stability index. The results show that Wushi Seismic Station DSQ water tube tiltmeter observations continuous, high instrument accuracy and good stability. There are many interference factors to influence the water tube tiltmeter accuracy, and water quality deterioration, several repairs and replace liquid have the highest degree of influence. According to several summaries of the earthquake cases, it shows that the water tube tiltmeter has anomaly monitoring capacity for earthquake precursors at Wushi Seismic Station.

water tube tiltmeter; data analysis; reconcile analysis; interference analysis

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.004

1674-8565（2017）02-0020-07

新疆省地震局科學基金（2015206）；中國地震局監測、預測、科研三結合課題（163102）

2016-12-15

2017-03-05

張錦萍（1988-），女，河南省項城市人，2012年6月畢業于新疆大學，本科，助理工程師，現主要從事臺站前兆監測及分析方面的工作。