福建地球物理臺網數據跟蹤分析探討

洪旭瑜，張清秀，陳彩虹，秦雙龍

（福建省地震局，福建 福州 350003）

0 引言

地球物理臺網數據跟蹤分析的開展促進了地震前兆觀測工作由日常觀測為主向觀測、應用并重的轉變[1]，讓監測預報人員更加了解儀器運行情況、觀測數據背景噪聲、內在質量以及數據變化的影響因素，強化觀測資料的特征分析及異常干擾信息的判別核實，務實數字化地球物理臺網的基礎處理能力[2-3]。因此，開展地球物理臺網數據跟蹤分析不僅能夠充分發揮臺網監測效能，也為地震預報分析提供更具有針對性的事件記錄信息。

福建地球物理臺網數據跟蹤分析自2014 年2 月開展以來已累計1 萬多條形變、重力、電磁以及地下流體學科的事件跟蹤分析記錄信息，積累大量豐富的異常干擾類型，形成了較為完善的數據庫，為發掘地震前兆異常提供了平臺，更好地服務于地震預報[4]。本文旨在通過對福建地區各觀測手段數據進行動態分析，總結不同學科儀器觀測曲線的變化趨勢和觀測效能，為地震分析預報提供可靠依據和科學參考。

1 福建數據跟蹤分析概況

1.1 福建地球物理臺網概況

福建地球物理臺網包括形變、重力、電磁以及地下流體四大學科，主要部署在長樂—詔安、政和—海豐、永安—晉江和邵武—河源斷裂帶上，各學科臺站分布如圖1 所示，儀器類型包括數字化“九五”和“十五”儀器以及人工、模擬觀測儀器，數字化儀器目前已實現自動化觀測、數據自動匯集入庫。2014 年以來，每年進行跟蹤分析的儀器有90 余套，以流體學科和形變學科儀器為主，其中形變儀器26 套，占比27.71%，重力儀器6 套，占比7.23%，電磁儀器9 套，占比10.84%，流體儀器43 套，占比54.22%。

圖1 福建地球物理臺網各學科臺站分布圖Fig.1 Distribution of stations in various disciplines of Fujian Geophysical Network

1.2 分析產出情況

數據跟蹤分析以臺站為基本工作單元，對本臺站所屬各套儀器的主測項觀測數據以周、月、年為周期進行掃描，分析判定觀測數據是否為正常的動態變化。當觀測數據為正常動態變化，形成正常記錄，如果觀測數據出現顯著變化，按照引起觀測數據變化的影響因素分別歸類到不同的事件，對變化原因或佐證資料不明確，無法闡明誘因，應開展專項異常核實，確認數據異常變化原因，如果結論尚不明確的，應持續跟蹤并落實。2014—2020 年，福建地球物理臺網共記錄觀測系統事件1245 條，自然環境事件1736 條，場地環境事件349 條，人為干擾2016 條，地球物理事件最多，為8584 條，不明原因事件最少，為36 條，圖2 為2014—2020 年福建地球物理臺網數據跟蹤分析不同事件統計。這些事件中形變學科記錄到的條目最多，為9147 條，重力學科2880 條，流體學科1270 條，電磁學科最少，為670 條，本文以各學科記錄到的事件條數為依據，分別對不同學科觀測儀器進行動態數據跟蹤分析。

圖2 福建地球物理臺網數據跟蹤分析事件統計（2014—2018）Fig.2 Event statistics of Fujian Geophysical Network data tracking analysis（2014—2018）

2 動態數據跟蹤分析

2.1 形變觀測分析

福建形變觀測儀器共有24 套，包括9 套垂直擺傾斜儀、5 套洞體應變儀、5 套水管傾斜，5 套鉆孔應變。從同震響應來看，以2020 年為例，每套垂直擺傾斜儀記錄到的地震事件條數約為36 條，洞體應變6 條，水管傾斜儀30 條，鉆孔應變15 條，因此從同震響應地震事件條數看，垂直擺和水管儀的同震響應能力高于洞體應變和鉆孔應變，洞體應變的同震響應能力最差。表1 為福建形變儀器除鉆孔應變儀外年變動態曲線情況統計表，從年變動態看，多數形變儀器觀測曲線能觀測到清晰的年變化，占比達73.68%，年變幅度隨臺站條件不同而異，各臺主要表現為受地殼運動形變引起的年變、受氣溫、氣壓、降水、地下水位變化等影響引起趨勢性變化及明顯儀器零漂。圖3（a） 中部分形變儀器有典型年變動態清晰的觀測曲線，如垂直擺觀測曲線還呈現夏高冬低或夏低冬高的年變規律，年變規律背景上疊加較明顯的季節性變化，但部分儀器的某一分量年變化規律不明顯，沒有明顯的年變周期性變化，這部分儀器占比為26.32%，主要表現為線性單調上升或下降趨勢或者無規律性的年變，如圖3（b）所示，泉州臺垂直擺北南分量2017 年之前變化比較平穩，2018—2019 年呈現下降趨勢，到2020 年趨于平穩后出現小幅轉折上升，東西分量剛好相反，2017 年至2019 上半年處于穩定變化趨勢，2019 下半年至2020 年沒有出現轉折上升或者下降趨勢，龍巖臺垂直擺北南分量、 泉州基準臺水管北南分量年變動態呈現單調上升趨勢，廈門垂直擺東西分量總體上處于下降趨勢，各分量趨勢上升或下降速率不一樣，這跟各儀器性能有關，主要是儀器零漂造成，不能夠說明是該地區地殼結構變化或者密度變遷造成的。福州臺洞體應變2018 年上半年受儀器、環境、降雨綜合影響出現大幅度下降直到下半年趨于穩定，而后緩慢下降，漳州臺洞體應變東西受到山頂寺廟廣場施工鋪設條石造成儀器山洞覆蓋層承壓導致觀測曲線快速下降。

表1 福建形變臺網傾斜儀和應變儀年變動態情況表（2017—2020 年）

圖3 形變儀器觀測年變動態曲線Fig.3 Annual dynamic curves observed by deformation instrument

福建地區體應變觀測總體質量較好，表2為多個臺站的鉆孔應變觀測精度，可以看出除福州臺的觀測精度較差，其他臺站的觀測精度較為穩定，觀測質量較好。福州臺的鉆孔觀測井2009 年12 月19 日終孔，開口孔徑150mm，終孔井徑130mm，孔深83.16m，水位埋深7.3m，鉆孔基巖破碎，觀測曲線日變動態不清楚，受降雨、氣壓影響嚴重，觀測以來觀測質量一直處于較差狀態。

表2 鉆孔應變觀測精度（2018—2020 年）

2.2 重力觀測分析

福建重力儀型號全部為gPhone，為秒采樣儀器，儀器具有分辨率高、信噪比好、穩定性強的特點[5]，由于福建地處沿海地區，重力儀受臺風和海潮潮汐影響較大，臺風影響過程中重力儀原始觀測曲線出現明顯噪聲加粗現象，而潮汐會影響到固體潮計算，重力臺尤其是在東南沿海地區受海潮影響最大，且振幅變化大，這可能是受近海的強烈作用，福建西北部地區振幅變化不大，比較平緩，重力臺站受海潮負荷的影響總體趨勢有自沿海向內陸遞減的趨勢[6]。在地震同震響應方面，地震發生過程所產生的體波、瑞利波和勒夫面波等高頻信息是能夠被較高頻帶秒采樣gPhone 重力儀地震檢測儀記錄到的。由圖4 可以看出gPhone 重力儀清晰記錄到地幔折射波（P 波）、S 波和面波R。在映震能力上，以泉州基準臺重力儀為例，如圖5 所示，重力儀同震響應波幅與地震強度、震中距呈現正相關關系，相同震中距，震級越大，波幅越大；從時頻圖上可以看出，不同強度和震中距的地震，在頻域上的不同分布，遠震以低頻率成分為主，福建臺網另外5 個重力臺也呈現同樣的現象。

圖4 gPhone 重力儀記錄到地震同震響應曲線Fig.4 Coseismic response curves recorded by gPhone gravimeter

圖5 泉州臺重力儀地震同震響應時序圖和時頻圖Fig.5 Time sequence diagram and time frequency diagram of coseismic response of gravimeter at Quanzhou station

2.3 地磁觀測分析

福建地磁觀測臺網由5 個地磁觀測臺站組成，主要觀測儀器為質子矢量磁力儀、磁通門磁力儀。圖6 為福建地磁臺網觀測各測項變化趨勢，地磁觀測年變呈現出一定周期變化的規律，總體上夏季變化大，冬季變化小，各分量日變幅白天變化大，夜間變化小，但變化形態沒有顯著差別。日變形態和日變幅還隨著緯度呈現規律性分布，地磁總強度大小隨著緯度的增高而增大，而垂直分量變化的顯著特點是中午有一個極小值，相位隨經度而變化，同一地方時的相位基本相似。

從圖6 可看出福建地磁場觀測水平分量H呈平穩震蕩變化、磁偏角D 呈下降趨勢，垂直分量Z 和總強度F 呈上升趨勢，各地磁臺站各分量變化一致。地磁總強度F 觀測值大小同緯度呈正相關關系，緯度越高，觀測值越大，邵武臺處于最北邊，觀測值最大，年均觀測值約為47520nT，漳州臺處于最南邊，觀測值最小，年均觀測值約為45995nT，另外三個臺站按緯度從高到底分別是永安臺、龍巖臺和泉州南安地磁臺，年均觀測值分別約為46688nT，46402nT，46043nT，其他分量觀測值跟緯度高低沒有必然聯系，垂直分量Z 和總強度F 日變幅呈現夏季變化大，冬季變化小的規律。

圖6 福建地磁臺網觀測各測項變化趨勢Fig.6 Variation trend of observation items of Fujian Geomagnetic Network

2.4 地下流體觀測分析

一個好的承壓井地下水位的變化，能反映出地球潮汐體應變的變化[7]。水位主要受降雨影響呈季節性的起伏變化，總體上呈夏高冬低的動態。福建地下流體共有22 個臺站，不同臺站水位受降雨影響產生的變化幅度不同，以2019年為例，對福建16 個臺水位變化幅度F 與降雨量累計值R 的關系進行統計，另外6 個臺站水位受周邊抽水影響不納入統計，結果如表3 所示。從表3 可以看出，不同臺站水位變化幅度（F/R） 不同，大于1.0 的有10 個臺，小于1.0的有6 個臺，其中南安2 號臺和福清江兜臺變化最大，寧德臺和羅源洋后臺變化最小，究其原因可能是與各井所在區域降雨量、井孔水文地質條件有關[8]。通過分析水位多年動態變化情況，如圖7 所示，年變動態呈現夏高冬低的形態，這與福建地處大陸東部沿海，位于北亞熱帶濕潤季風氣候區內，夏季潮濕多雨，冬季干燥少雨的情況相符。從多年年變幅度看，以永安臺為例，通過對永安臺水位年變幅度和降雨量累計值進行多年擬合，擬合結果如圖8 所示，水位的年變幅度與降雨量總體呈正相關關系，對全省其他臺站水位進行同樣擬合分析，結果一致，降雨量越大水位年變幅越大。

圖8 永安臺水位年變幅度與降雨量擬合對應曲線Fig.8 Fitting corresponding curve between annual variation range of water level and rainfall in Yong'an Seismic Station

表3 福建地球物理臺網靜水位變化幅度與降雨量關系（2019 年1—6 月）

圖7 部分水位多年動態曲線與降雨量關系Fig.7 Typical multi year dynamic curves of some water levels

衡量水溫觀測質量的重要指標是水溫一階差分均方差應≤0.02，一階差分序列超過3 倍均方差的個數應≤1%[8]，以2020 年為例，福建地區水溫主要技術指標如表4 所示，水溫觀測數據一階差分均方差和一階差分序列超過3 倍均方差的個數均符合水溫觀測質量指標要求，說明福建地區水溫觀測質量較高。

表4 福建地球物理臺網水溫觀測主要技術指標（2020 年）

3 結論與討論

通過對福建地球物理臺網數據跟蹤動態分析，得到以下結論：

（1）福建地區73.68%的形變儀器觀測曲線能觀測到清晰年變動態，年變幅度隨臺站條件不同而異，個別儀器觀測曲線年變化規律不明顯，沒有明顯年變周期觀測儀器，主要表現為單調線性上升、下降或無規律性的年變情況。

（2）福建地區重力儀受臺風和海潮潮汐影響大。在映震能力上，重力儀能清晰記錄到地震波信息，同震響應波幅與地震強度、震中距呈現正相關關系。

（3）地磁場年變比較有規律，呈現夏季變化大，冬季變化小的周期性變化，各分量日變幅呈現白天變化大，夜間變化小，但變化形態沒有顯著差別。

（4）福建地區水溫觀測數據質量較好，水位受降雨影響明顯，各臺站的變化幅度也不一樣，但受降雨影響總體上呈現季節性夏高冬低的起伏變化。