大同臺地球物理臺網觀測數據跟蹤分析

李文超，程冬焱，王鵬偉，劉 煒，殷 鍇，閆美蓉，郝雪景

(1.山西省地震局大同地震監測中心站,山西 大同 037000; 2.山西省地震局,山西 太原 030021;3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,山西 太原 030025)

0 引言

2014年1月1日以來，為做好大同中心地震臺(現更名為大同地震監測中心站)觀測數據跟蹤分析(以下簡稱“數據跟蹤分析”)工作，臺站工作人員嚴格按照“地震前兆臺網觀測數據跟蹤分析技術指南”“前兆數據跟蹤分析事件描述要素標準”和《地震前兆臺網觀測數據跟蹤分析工作約定(試行)》要求，定期開展數據跟蹤分析，系統分析臺站所有觀測數據的變化情況，在每月3日前完成上月數據跟蹤分析月報,并提交省局區域中心[1]。同時，在規定時間內進行修改。根據多年的觀測實踐，將大同臺不同前兆觀測數據記錄的各類事件歸納為7類，即：正常動態、觀測系統故障、場地環境干擾、自然因素干擾、人為干擾、地球物理事件和不明原因變化[2]。

研究時，將觀測數據在不受任何干擾情況下的變化動態作為正常動態，其反映了臺站的地球物理(化學)觀測數據序列的正常變化狀態，對由觀測系統、場地環境、自然因素、人為干擾影響下引起的觀測數據偏離，反映短期地球運動與變化過程的地球物理事件，與有待查明誘因的不明原因事件進行區分[3]。對近五年的大同臺數據及典型事件進行分析，掌握觀測數據的正常動態及前兆臺網各類儀器的運行狀況。

1 大同臺地球物理臺網觀測數據概況

大同臺地球物理臺網目前有5個臺站16套儀器在運行，涉及形變、地電、地磁、流體等多測項觀測手段。其中，形變觀測儀器主要有鉆孔體應變儀(1套)、四分量鉆孔應變儀(3套)、VP垂直擺傾斜觀測儀(1套)、鉆孔傾斜儀(1套)、數字短水準儀(1套)；地磁觀測儀器主要有FHD-2質子矢量儀(1套)、磁通門磁力儀GM4(2套)、OVERHAUSER磁力儀(1套)；地電觀測儀器主要有ZD9A-Ⅱ地電場儀(1套)、ZD8BI地電阻率儀(1套)；流體觀測儀器主要有LN-3A數字水位儀(2套)、SZW-1數字水溫儀(2套)。

對2014年1月-2018年12月的數據統計，有5個臺站15套儀器記錄各類事件(不含正常)共計888條，其中14套儀器記錄觀測系統事件130條，10套儀器記錄自然環境事件260條，4套儀器記錄場地環境事件25條，14套儀器記錄人為干擾事件131條，12套儀器記錄地球物理事件292條，6套儀器記錄不明原因事件50條。各類事件統計如表1所示。

表1 2014-2018年大同臺地球物理臺網數據跟蹤分析各類事件分類統計Table 1 Statistical table of various events for tracking analysis data of Datong geophysical network from 2014 to 2018

2 典型事件分析

2.1 形變典型事件

大同臺形變觀測數據的非正常動態變化除人為干擾(標定、調零、人為進洞)外，主要為觀測系統故障干擾、場地環境干擾、自然因素干擾、地球物理事件，且干擾主要表現為觀測系統故障和自然因素。其中，觀測系統故障主要為主機故障、傳感器故障、供電系統故障。如，四分量鉆孔應變觀測(YRY-4)在2018年12月9日18:30至10日09:40數據噪聲增大(見圖1)，固體潮畸變，工作人員發現為供電系統故障導致，維修后數據恢復正常；自然因素干擾主要為雷電或短時強降雨產生負荷導致的數據階變。如，體應變觀測(TJ-2)在2016年7月24日20:34至23:59受短時強雷雨干擾，數據發生應變壓性變化(見圖2)。在雷雨結束后，逐漸恢復到正常背景值狀態。

圖1 大同臺四分量鉆孔應變儀觀測供電故障干擾圖Fig.1 Interference diagram of power supply fault observed by four component borehole strain gauge at Datong station

圖2 大同臺體應變觀測雷電干擾圖Fig.2 Lightning interference diagram of body strain observation at Datong station

2.2 地磁典型事件

大同臺地磁觀測數據非正常動態變化除場地環境影響外，主要受地球物理事件、觀測系統和人為干擾。其中，地球物理事件干擾以記錄到的電磁擾動為主(見第12頁圖3)。如，2017年7月16日06:01至18日14時FHD-2質子矢量磁力儀記錄到急始型磁暴SC，急始變幅D為0.15′、H為0.8 nT、Z為0.9 nT，活動程度為m，最大擾動D為8.55′、H為226.0 nT、Z為44.1 nT，最大K指數為6。觀測系統干擾主要為儀器主機死機故障，場地環境干擾為周圍近距離施工，人為干擾為工作人員進入儀器探頭室調試儀器或進行標定校準(見第12頁圖4)。如，2017年1月1日零點D分量出現臺階，為12月30日年底標定，對方位角進行歸零時，產生臺階，根據學科規范要求，為使臺階留在年與年之間，對31日的全天數據進行臺階處理，臺階改正量為-8.77′，水平分量H、總強度F變化正常。

圖3 大同臺質子矢量儀急始磁暴干擾圖Fig.3 Interference map of proton vectoring instrument in Datong station

圖4 大同臺質子矢量儀儀器校準干擾圖Fig.4 Interference diagram of proton vector instrument calibration in Datong station

2.3 地電典型事件

大同臺地電觀測數據非正常動態變化根據表1統計顯示，主要受自然環境干擾較多(占77%)，其次為場地環境和觀測系統干擾。自然環境干擾主要表現為雷電、雨雪、大風等對不同測道數據產生不同程度的干擾(見第12頁圖5)，且不同類型、不同程度的自然環境變化，對不同測道產生的干擾程度均不同。

圖5 大同臺地電場儀自然因素干擾圖Fig.5 Interference diagram of natural factors of geoelectric field instrument at Datong station

2015年11月5日00:00至6日23:59，測區降雨雪，降水量約17 mm，對ZD9A-Ⅱ地電場儀各道數據造成干擾，變幅為3.37～19.02 mV/km。雨雪結束后，數據恢復至背景值狀態。

ZD8BI地電儀2016年5月12日02:00至14日09:00EW向觀測數據受降雨干擾，產生數據階變(見第13頁圖6)，階變期間的降水量約19 mm。降雨導致電阻率EW向5月12日2時至3時上升0.248 Ω·m，4時至5時下降0.327 Ω·m，13日20時至21時上升0.56 Ω·m，降雨結束后，14日8時至9時EW向數據下降1.03 Ω·m，恢復到之前背景值，其他測道數據正常。

圖6 大同臺地電儀自然因素干擾圖Fig.6 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

2016年10月21日0時開始降雨，持續18小時左右，累計降水量為12 mm，ZD8BI地電儀三道電阻率測值均未出現階變和突跳。EW向自然電位差從12時至16時下降4.5 mv(見第13頁圖7)，NS向自然電位差在同一時段下降6.3 mv。降雨結束后，兩測向自然電位差數據逐漸恢復到正常背景值狀態，其他測道數據未出現干擾情況。

圖7 大同臺地電儀自然因素干擾圖Fig.7 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

ZD8BI地電儀2016年3月1日至14日地電阻率EW向自然電位差疑似受春季氣溫回暖,測區地表解凍、濕度增加影響而產生變化,最大變化量約20.800 mv(見第13頁圖8),隨著溫度逐漸回升,數據恢復正常。往年同期，EW向均有類似該形態的數據變化,可能與測區環境有關(場地高差較大且此測線沿線有村里吃水用井)。其他各測向分量背景噪聲達標，數據變化正常。

圖8 大同臺地電儀自然因素干擾圖Fig.8 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

2.4 流體典型事件

大同臺流體觀測數據非正常動態變化主要有地球物理事件、不明原因、自然環境、人為因素干擾，多數為地球物理事件和不明原因干擾。其中，地球物理事件為水位儀記錄到同震響應，不明原因干擾主要為不明原因引起的水位階變。如，2018年3月20日，朔州井水位記錄到當日17∶22臺灣M5.1地震同震波形(見圖9)，持續19 min，同震最大變幅0.097 m。

圖9 大同臺水位儀同震響應Fig.9 Coseismic response of water level meter at Datong station

2018年5月1日至18日，鎮川地震臺井水位與往年同期相比，存在破年變現象，出現多次突升、突降變化(見圖10)，特別是在17、18日出現突升-突降變化。在經歷多次突升后，18日17:23出現較大幅度的突降變化，之后恢復至突升前的水平，在此期間水位變幅約0.475 m。工作人員經現場核實認為，這次突變與泄流管堵塞有關。

圖10 大同臺水位儀不明原因干擾圖Fig.10 Unexplained interference diagram of water level meter in Datong station

3 結論與認識

通過對大同臺數據跟蹤分析工作不斷深入，對觀測數據反映的各類事件進行調查與分析，得出如下結論與認識。

各測項數據非正常動態變化除人為干擾(標定、調零、進洞)外，主要有觀測系統故障、場地環境、自然因素、地球物理事件、不明原因等干擾。由事件統計及典型干擾事件分析看出，干擾主要表現為觀測系統故障、自然因素和地球物理事件三類。其中，觀測系統故障主要為主機故障、傳感器故障、供電系統故障，其干擾形態為數據缺測斷計及記錄到錯誤數據；自然因素干擾主要為大風、降雨、雷電以及季節性變化對不同儀器測項產生的干擾，且同一儀器不同測項分量所受的自然干擾在形態以及持續時間上重現性較好，易于識別，干擾幅度隨不同程度干擾而不同；地球物理事件主要為各類儀器記錄到的地震同震響應、電磁擾動、磁暴、地電暴事件，在形態、時間上具有較好的一致性和可識別性，但不同類型儀器測項的記錄幅度有很大差別。

通過跟蹤分析，臺站人員對觀測數據及時跟蹤研判、排除干擾故障，掌握數據變化趨勢，提取前兆數據異常信息，發揮前兆數據在地震預測預報中的作用，明確數據跟蹤分析的意義；通過數據跟蹤分析軟件對各類事件的分類統計，直觀了解影響觀測數據質量的主要因素，并采取相應措施；依據數據跟蹤分析分類統計結果及典型干擾圖，分析干擾成因，提出解決辦法，為儀器更新改造、備機備件購置、觀測數據異常核實及觀測環境改造提供參考依據。