牡丹江形變觀測內在質量分析

劉彥彬，秦麗巖，趙建通，馬龍辰，劉長生（.加格達奇地震臺，黑龍江 加格達奇 6500；.哈爾濱市防震減災中心，黑龍江 哈爾濱 500；.牡丹江地震臺，黑龍江 牡丹江 57009；.黑龍江省地震分析預報與火山研究中心，黑龍江 哈爾濱 50090）

牡丹江形變觀測內在質量分析

劉彥彬1，秦麗巖2，趙建通3，馬龍辰4，劉長生4
（1.加格達奇地震臺，黑龍江 加格達奇 165100；2.哈爾濱市防震減災中心，黑龍江 哈爾濱 150021；3.牡丹江地震臺，黑龍江 牡丹江 157009；4.黑龍江省地震分析預報與火山研究中心，黑龍江 哈爾濱 150090）

對牡丹江地震臺VS垂直擺和硐體應變2009—2015年數據進行分析處理，包括儀器連續性、固體潮效應、調和分析、同震效應及干擾分析等。結果表明，牡丹江地震臺VS垂直擺儀器運行正常且對地震及外界因素反應靈敏，硐體應變對近震幾乎無同震效應，對外界因素反應靈敏。

VS垂直擺；硐體應變；分析處理；同震效應；牡丹江地震臺

0 引言

VS型垂直擺傾斜儀為我國自行研制的一種高精度傾斜儀，是研究固體潮和地震前兆的一種重要手段。該儀器體積小，精度高，安裝簡單，使用方便，可進行長期連續觀測，具有模擬輸出接電子電位差計和模擬連續直流±2V輸出供數字化數據采集器采集的雙重功能，它能精確地測量出地面傾斜的微小變化，是研究固體潮地震前兆的一種重要手段。

硐體應變儀是精密測量地殼巖體兩點間水平距離相對變化的儀器，適用于觀測地殼應變和固體潮水平分量的連續變化，為研究地震孕育過程中水平應變變化規律提供數據，也為地球彈性研究提供重要數據。

本文通過對牡丹江垂直擺傾斜儀和硐體應變儀的觀測數據進行分析，對其觀測的內在質量進行評價，從而為分析觀測資料的異常變化的是否可靠提供依據。

1 臺站概況

牡丹江地震臺地處牡丹江市八達溝[1]，始建于1971年，屬國家基本臺，形變觀測場地位于黑龍江亞板塊的次一級構造長白塊體之北部，敦密斷裂與牡丹江斷裂交匯處，是俯沖帶動力學及深震的觀測與研究理想的地理與構造位置。臺基選在完整的大面積出露的元古代混合花崗巖（γ2）之上，巖石質堅、致密、基本無風化、節理不太發育、整體性好（圖1）。

圖1 牡丹江地震臺地質構造圖Fig.1 The geological and structural map of Mudanjiang Seismic Station

牡丹江地震臺現有形變觀測手段包括：長水管傾斜儀、硐體應變儀、體積式應變儀、重力、垂直擺傾斜儀（表1）[2]。在“十五”的初期已經在測震山洞的旁邊購買了一個山洞，該山洞山體頂部地形較平緩、對稱，有植被覆蓋，是較理想的形變山洞。形變觀測選在該山洞支洞（未被覆），距洞口≥28m，山體覆蓋厚度≥30m。該山洞進深74.8m，覆蓋厚度≥30m。從山洞入口至42m處進行了被覆，洞內地面平坦。42m往里沒有被覆。山洞內年溫度7.5℃左右，濕度為80%左右（圖2）。

表1 牡丹江地震臺形變觀測儀器設備

圖2 牡丹江山洞示意圖Fig.2 The cave schematic of Mudanjiang Seismic Station

2 觀測質量分析

2.1 資料的連續性

觀測數據的連續率是衡量地震前兆觀測數據質量的重要指標之一[3]，應用原始觀測數據來統計觀測數據的連續率。計算公式如下：

應用公式（1），計算了2009—2015年牡丹江硐體應變和垂直擺觀測數據的連續率，結果見表2、表3。

表2 牡丹江硐體應變連續率統計表

表3 牡丹江垂直擺連續率統計表

由于2012年4月30日伸縮儀遭雷擊損壞，數采返廠維修，造成斷記。5月2日省局備用數采送到臺站，數據恢復。6月25日，伸縮儀無法標定，標定時步進電機不動，經多次測量主機端口針腳輸出電壓為幾個毫伏，近乎為零，主機標定器電路板在雷擊中損壞。5—8月期間伸縮儀數據不正常，期間多次更換前置盒，對儀器標定調試。2015年5月25日23時雷擊導致伸縮儀損壞，6月無法標定。6—12月儀器故障，一直在斷斷續續的維修中，多次更換主機數采，造成數據不連續。

2.2 固體潮效應

伸縮儀、垂直擺傾斜儀觀測到的信號是多成分的，當觀測環境較好、儀器工作也良好時，觀測數據的主要成分是固體潮，因此儀器記錄到固體潮的質量可以很好的反應儀器的工作狀態是否正常。以牡丹江臺形變固體潮理論值作為對比標準，選取觀測數據完整的大小潮時段的垂直擺傾斜儀與硐體應變儀數據，與理論固體潮做對比分析（圖3、4）。

圖3 牡丹江垂直擺傾斜儀理論固體潮與實際觀測同軸曲線圖Fig.3 Centered curves of theoretical earth tide and the actual observation of the VS vertical pendulum tiltmeter

圖4 牡丹江硐體應變儀理論固體潮與實際觀測同軸曲線圖Fig.4 Tidal theory and the actual observation coaxial diagram of SSY-extensometer

經過對比可知，牡丹江垂直擺傾斜儀能清晰的記錄到傾斜固體潮，北南向固體潮漂移較大，東西向固體潮跟理論值較一致。硐體應變儀能清晰的記錄到應變固體潮，北南向固體潮優于東西向固體潮。

2.3 調和分析

儀器記錄到的數據是來自地球內部、外部以及儀器本身漂移的總和，其中地球內部信息是由于天體對地球的作用力引起的地形變，即潮汐變化以及周圍構造運動的影響。外部影響即大氣壓、地溫（熱形變）、降雨、地表負荷等；儀器本身也會有規則和不規則的漂移。諸多因素中唯有地球潮汐變化部分是可計算的。國內外常用固體潮內符合精度來評價儀器的內在質量（陳德福，1995）。應用陸遠忠等（2005）基于GIS的地震分析預報系統Mapsis軟件，使用維尼狄可夫（Venedikov）調和分析方法對正常時段牡丹江垂直擺和硐體應變整點值觀測數據進行調和分析計算，結果如表4、5所示。

表4 牡丹江垂直擺調和分析結果

表5 牡丹江硐體應變調和分析結果

2.4 同震效應

對牡丹江垂直擺和硐體應變2009年至今的分鐘值曲線圖進行了分析，落實了觀測至今的地震（據中國地震局臺網地震目錄），初步統計了不同震中距時，垂直擺和硐體應變記錄地震波動能力的震級下限，如表6、7所示。該跟近震強度有關，但對于遠震有很好的同震響應，圖9給出了洞體應變記錄到的2016年01月30日11時25分勘察加半島M 7.0級地震的同震效應。

表6 牡丹江垂直擺記錄地震波動能力

表7 牡丹江硐體應變記錄地震波動能力

圖5 2016.01.02林口M 6.4級地震Fig.5 Lin kou M 6.4 earthquake on Jan.2，2016

圖6 2016.01.12日本北海道M 6.5級地震Fig.6 Hokkaido M 6.5 earthquake in Japan on Jan.12，2016

圖7 2013.10.26 日本本州M 7.1級地震Fig.7 Honshu M 7.1 earthquake in Japan on Oct.26，2013

從表中可以看出，牡丹江垂直擺對于近震和遠震都有很好的同震效應，如圖5給出了垂直擺記錄到的2016年01月02日12時22分黑龍江林口M 6.4級地震的同震效應和圖6給出了2016年01月12日01時08分日本北海道M 6.5級地震的同震效應；圖7給出了垂直擺記錄到的2013年10月26日01時10分日本本州M 7.1級地震的同震效應；圖8給出了2012年04月11日16時38分蘇門答臘M 8.6和18時43分蘇門答臘M 8.2級地震的同震效應。

洞體應變對于近震幾乎沒有同震效應，應

圖8 2012.04.11 蘇門答臘M 8.6和M 8.2級地震Fig.8 Sumatra M 8.6 and M 8.2 earthquake on Apr.11，2012

圖9 2016.01.30勘察加半島M 7.0級地震Fig.9 Kamchatka peninsula M 7.0 earthquake on Jan.30，2016

3 干擾分析

3.1 儀器調修干擾

通過現場查閱觀測日志，發現牡丹江臺硐體應變2010年12月更換數采，2012年5月更換主機數采，2013年4月防潮改造，2014年10月雷擊更換數采，2015年6月開始儀器故障，觀測數據不連續，這些儀器故障不同程度的影響了儀器的觀測質量，給數據分析帶來了難度。而且由于觀測儀器的高靈敏度，雖然不同的儀器被安放在不同的觀測室，但是人為干擾不可避免，均會造成固體潮曲線出現畸變。

3.2 氣壓干擾

氣壓變化對硐室形變觀測的影響比較普遍，當氣壓出現短周期驟變時，才會出現較明顯的固體潮畸變。根據牡丹江臺觀測日志記錄，當氣壓出現短時波動時，硐體應變EW分鐘值數據同步出現畸變現象（圖10）。

圖10 牡丹江硐體應變EW受氣壓變化影響的曲線Fig.10 The curve of SSY-extemeter EW influenced by air pressure change

3.3 大風的干擾

短時驟風對于硐室內形變的觀測也有一定的干擾，根據牡丹江臺觀測日志記錄，短時大風天氣情況下，硐體應變EW分鐘值數據同步出現毛刺現象（圖11）。

圖11 牡丹江硐體應變EW受大風變化影響的數據曲線Fig.11 The curve of SSY-extemeter EW influenced by gale

3.4 降雨的干擾

降雨對硐室形變的影響主要表現在，雨水滲入硐體巖石裂隙，巖體膨脹，造成地表傾斜或伸縮變化，會在固體潮觀測曲線上得以體現。根據查閱牡丹江地震臺觀測日志，發現在出現強降雨天氣現象時，觀察到硐體應變EW分鐘值數據同步出現短時脈沖現象（圖12）。

圖12 牡丹江硐體應變EW受降雨變化影響的數據曲線Fig.12 The curve of SSY-extemeter EW influenced by rainfall

4 結論

（1）通過對牡丹江地震臺硐體應變和垂直擺數據進行分析，發現硐體應變在2009—2014年期間觀測數據的連續率高，2015年受儀器故障的影響連續率較低，數據的可靠性不高，垂直擺觀測數據在2009—2015年的連續率較高，儀器穩定性較好，能夠較好的為地震監測預報服務。

（2）牡丹江地震臺硐體應變和垂直擺傾斜儀能夠清晰的記錄到固體潮現象，且調和分析結果均處在正常值范圍內，垂直擺傾斜儀對于近震和遠震都有很好的同震響應，硐體應變儀對于近震幾乎無同震響應，但能夠清晰的記錄到遠震的同震變化。

（3）在日常的觀測中，牡丹江硐體應變觀測主要受到儀器故障、氣壓、大風、降雨等因素的影響，因此能夠正確的識別干擾源，排除各種干擾，獲得真實的信息，對于提取地震前兆信息有很大的幫助。

[1]馬寶君,高雙玲. 中國東北及鄰近地區未來地震趨勢分析[J]. 地震地磁觀測與研究，2015，36（1）：14-18.

[2]馬寶君，高雙玲. 水管傾斜儀的快速標定方法[J].地震地磁觀測與研究，2009，30（4）：83-86.

[3]高雙玲，馬寶君. 牡丹江臺形變數據快速轉換軟件[J].地震地磁觀測與研究，2013，34（3/4）：228-231.

The Internal Quality Analysis of
Deformation Observation at Mudanjiang Seismic Station

LIU Yan-bin1，QIN Li-yan2，ZHAO Jian-tong3，MA Long-chen4，LIU Chang-sheng4
（1. Jiagedaqi Seismic Station，Heilongjiang Jiagedaqi 165100，China; 2. Harbin Earthquake Prevention and Disaster Reduction Center，Heilongjiang Harbin 150021，China; 3. Mudanjiang Seismic Station，Heilongjiang Mudanjiang 157009，China; 4. The Earthquake Analysis Prediction and Volcano Research Center of Heilongjiang Province, Heilongjiang Harbin 150090，China）

This article analyses the VS vertical pendulum tiltmeter and SSY-extensometer data of Munanjiang Seismic Station from 2009 to 2015，including instrument continuity，tidal effects，harmonic analysis，coseismic effects and interference analysis. The result shows that the VS vertical pendulum instrument operates normally and are sensitive to earthquakes and external factors，while SSY-extensometer does not have coseismic effects on near-field earthquakes and are sensitive to external factors.

VS vertical pendulum; SSY-extemeter; data processing; coseismic effects；Mudanjiang Seismic Station

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.005

1674-8565（2017）02-0027-06

中國地震局地震科技星火計劃項目（XH16012）資助

2017-01-21

2017-03-05

劉彥彬（1969-），男，山東省武城縣人，畢業于中央廣播電視大學，大專，助理工程師，現主要從事地震監測方面的工作。E-mail：375899512@qq.com