五指山臺DSQ水管傾斜儀和VP垂直擺觀測數據質量對比分析＊

郭昱琴 付國超 孫三健 吳 雙

1) 海南省地震局，海南海口 570203

2) 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

1910年里德（Reid）利用形變測量資料提出彈性回跳說，開創了以地殼中應變積累與釋放這一矛盾的相互消長解釋地震過程的科學思路，使地形變觀測成為探索地震前兆的主要途徑之一[1]。根據大量震例總結，在孕震過程中會出現形變前兆的階段性特征，即形變速率的變化、形變方向的變化和巖石力學性質的變化[2]。其中，前兩項特征（形變速率和形變方向的變化）可以由地傾斜觀測數據直接獲得，第三項特征（巖石力學性質）可以間接以固體潮振幅因子及波形形態來描述[3]。楊曉東等[4-5]、蘇維剛等[6]、夏超德[7]分別對陜西臺、韓城臺、寧波臺、格爾木臺等的傾斜模擬觀測和數字化垂直擺觀測資料進行了對比研究。曹白倫等[8]對云縣臺水平擺和垂直擺觀測資料進行了對比研究。楊玲英等[9]對云南垂直擺映震能力進行了研究。胡煒等[10]對不同地震臺站水管傾斜儀數據資料進行了對比分析。這些研究較多的是對比分析在一個地區不同站點的垂直擺的觀測資料，而本文通過對五指山臺DSQ水管傾斜儀和VP垂直擺觀測數據，精度內在質量以同震形變波分析，探討了五指山形變臺的水管傾斜儀觀測與VP垂直擺資料的可靠性。2套儀器的結構和原理差別較大，加深這兩種傾斜儀記錄資料的對比分析，將有助于對不同儀器觀測資料的理解和利用。進而為該區域地殼應力—應變狀態的長期變化研究提供寶貴資料。

1 臺站基本情況

五指山形變臺位于五指山市沖山鎮阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（圖1），該區域廣泛出露二疊系花崗巖和三疊系花崗巖[11]。其中五指山臺周圍基巖裸露，均為花崗巖類，且10 km范圍內無大斷裂通過，地殼穩定性較好。

臺站洞體基巖堅硬完整，致密均勻，測點周邊觀測環境也較為穩定。臺站為無人值守臺站，觀測山洞由部隊防空洞改建。其中DSQ水管傾斜儀和SSY銦瓦棒伸縮儀布設在主洞室內，兩者相同分量的儀器部件平行布設且共用同一槽體，而VP垂直擺則布設在主洞室南側的側洞室（圖1）。

圖1 五指山臺站構造位置及儀器布設圖Fig. 1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan Station

2 觀測資料對比分析

2.1 觀測資料運行統計

完整率是檢驗儀器運行質量的根本條件, 也是地殼形變學科組重點檢查對象[12]。表1為2015年1月1日—2017年12月31日五指山形變臺兩套地傾斜儀器觀測資料統計表。通過分析認為，影響資料完整性的主要原因是停電、儀器故障和調零等因素。

表1 五指山臺兩類傾斜儀運行基本情況統計表Table 1 Statistics of the basic operating conditions of the two types of inclinometers at Wuzhishan Station

2.2 漂移量

在硐室形變觀測中，儀器零漂一般受儀器自身漂移、地球內部密度變化或物質遷移、外部干擾（包括溫度、氣壓、電壓、濕度等變化）的影響[12]。年零漂是用來衡量觀測儀器及墩基穩定程度或地殼繼承性新構造運動的指標。其計算方法有日均值法和潮汐值法。日均值法是將該年度12月31日的日均值減去當年1月1日的日均值，該年零漂值有正有負。潮汐值法是將12月31日23點整點值數據減去同年1月1日零點值。本文采用潮汐值法計算水管儀漂移量，從表2來看，水管傾斜儀NS分量2016年比較穩定，但2017年年漂移量加大，緩速向南端傾斜，而2017水管傾斜儀儀器正常且無大的故障和干擾，漂移加快應是地殼運動的真實反映。VP垂直擺NS分量基本持平，EW分量日漂移量均值為0.45×10-3″，VP垂直擺日漂移量的設計指標小于5×10-3″，符合設計要求。

表2 DSQ水管傾斜儀、VP垂直擺年漂移量 （單位：10-3″）Table 2 Annual drift of DSQ water pipe inclinometer and VP vertical pendulum （unit：10-3″）

2.3 觀測數據精度對比

關于形變類觀測資料質量評價，以調和分析M2波潮汐因子中誤差和長周期擬合相對噪聲水平作判定指標。按中國地震局形變Ⅰ類臺的標準[13]，傾斜要求M2波潮汐因子中誤差mγ≤0.02，長周期擬合相對噪聲水平m1≤0.02″。

五指山水管傾斜儀2014年安裝，2015年數據逐漸穩定，從M2波潮汐因子中誤差來看，NS分量很多時段中誤差未達標，其中2016年5月和7月mγ受洞室建筑施工影響致NS向高達0.7，2017年7月mγ=0.7是由于累計25天傳感器故障影響；EW分量固體潮畸變與突變異常較多，也出現很多時段中誤差未達標。從相對噪聲水平來看，兩分量噪聲水平，2015—2018年均達標（圖2）。

圖2 五指山臺DSQ水管傾斜儀（a） 、VP垂直擺傾斜儀（b） 精度曲線Fig. 2 Accuracy curves of DSQ water pipe inclinometer （a），VP vertical pendulum inclinometer （b） at Wuzhishan Station

VP垂直擺除了部分時間段格值變化或儀器故障造成潮汐因子臺階變化，格值變大，其潮汐因子也明顯變大；并且NS分量的潮汐因子均明顯高于EW分量，2016年硐室改造后，更換儀器仍出現相似的特征，排除了硐室環境和儀器的因素，可能與該區域構造地質背景有關，使得儀器不能明顯記錄到水平NS方向潮汐變化。

2.4 同震形變波的觀測對比

前人對形變觀測儀器的映震能力進行了較深入研究[14-16]，尤其是對全國93套鉆孔應變儀器記錄到2011年日本9.0級地震造成的應變階性質的研究和對川滇地區鉆孔應變記錄到的汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震的同震應變階的分析研究，均表明應變觀測有較強的映震能力。本文統計了五指山臺兩套傾斜儀2015年1月1日—2017年12月31日記錄的全球地震共277條，發現五指山臺兩套地傾斜觀測固體潮記錄清晰，映震能力較強，對東南亞中強地震有較好的反應，對全球6級以上地震有較好的同震響應（圖3）。

圖3 五指山臺DSQ水管傾斜儀（左） 、VP垂直擺（右） 同震響應對比圖Fig. 3 Comparison of co-seismic response of DSQ water pipe inclinometer （left） and VP vertical pendulum （right） at Wuzhishan Station

水管傾斜儀記錄的最小地震震級為3級，相應的震中距為892 km；所記錄到的最遠地震分別為2015年2月12日阿根廷6.7級地震和2015年3月23日智利北部地區6.1級地震，相應的震中距分別為19 410 km、19 891 km。記錄到的5級左右最小震中距地震為2015年3月1日云南省臨滄市5.5級地震，最遠震中距地震為2015年2月18日所羅門群島5.8級地震；VP垂直擺的頻率響應范圍較寬，記錄到最小且震中距較近的地震為廣東徐聞3.8級地震，震中距約192 km。

以水管儀與VP垂直擺同日的地震響應為例，2016年8月24日印尼ML5.9、緬甸ML6.9和意大利ML6.1記錄到的3次地震，震中距分別為：2 625 km、1 574 km和9 119 km（圖4）。

圖4 2016年8月24日水管儀與VP垂直擺同震響應對比曲線Fig. 4 Comparison curves of co-seismic response between plumbing instrument and VP vertical pendulum on August 24，2016

兩套傾斜儀器記錄遠震能力基本相當。VP垂直擺對近距離小震比較敏感，較近距離的爆破和塌方均能使之掉格，也可能與儀器的不穩定有關，可以認為是由儀器機械結構包括基墩由于振動使機械結構松動或錯位引起的，與儀器的穩定性無關。

3 結語

本文從連續率、漂移量、潮汐參數和噪聲水平對五指山臺兩套傾斜儀進行檢驗分析，認為連續率、漂移量、潮汐參數和噪聲水平等資料質量指標均符合形變要求規范。自2014年3月試運行以來，五指山臺經歷了2015年防雷改造，2016年洞體改造，目前觀測資料連續、可靠、有較強的映震能力。但是五指山臺為無人值守臺，儀器運行受到儀器維修周期長、儀器調修帶來的相互干擾等因素的制約，在一定程度上影響數據質量。

通過以上分析，可以得出如下結論：

（1）通過分析認為，影響資料完整性的主要原因是停電、儀器故障和調零等因素。

（2）水管傾斜儀NS分量2016年比較穩定，但2017年年漂移量加大，持續緩速向南端傾斜，經兩次現場核實，分析后認為，該現象為前兆異常。VP垂直擺NS分量基本持平，EW分量日漂移量均值為0.45×10-3″，VP垂直擺日漂移量的設計指標小于5×10-3″，符合設計要求。

（3）參考我國中東部地區20個臺站EW測項半日波（M2）的潮汐因子γ值的均值約0.699±0.016，五指山臺水管傾斜儀及VP垂直擺EW分量潮汐因子γ值的均值分別為0.830 4和0.750 2，可認為未受海潮影響。

（4）水管傾斜儀和VP垂直擺對不同震中距的地震記錄存在較大差異： ① 當震中距較小時，水管儀無同震響應，VP垂直擺同震記錄清晰； ② 當震中距＞6 000 km，兩種儀器記錄能力相當。