馬陵山站硐室改造前后VS型垂直擺傾斜儀數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

趙小賀 公續(xù)升 王西寶 程樹岐 楊永生

[摘要] ?利用潮汐分析法，分析和評價了馬陵山站VS型垂直擺傾斜儀硐室改造前后數(shù)據(jù)質(zhì)量的變化情況，結果表明：①歷年數(shù)據(jù)觀測精度m_γ均小于0.02，儀器搬遷至改造后硐室又有顯著提升，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于搬遷前，超越全國形變優(yōu)秀臺的標準；②搬遷后儀器觀測噪聲水平M_l始終在0.005″左右，穩(wěn)定性更好；③校正后發(fā)現(xiàn)搬遷前儀器安裝方位角存在較大偏差，影響M₂波相位滯后。硐室環(huán)境優(yōu)化改造是有效改善觀測數(shù)據(jù)精度，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要保證。

[關鍵詞] 硐室改造; 垂直擺; 數(shù)據(jù)質(zhì)量; 對比分析

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-189

0 ?引言

地殼形變觀測包括GPS、大地水準、斷層形變和地傾斜等觀測，旨在測定地殼表面點位之間相對位置的變化，以及反映地殼巖石物性變化的潮汐因子（γ，δ，α）、相位滯后等，以獲取地殼形變的信息。除應用于地震預測預報研究外，還可為地球物理學、地球動力學、天文學等相關學科提供服務^[1]。形變數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接制約著地震分析預報的實效性，對儀器資料質(zhì)量情況的分析已經(jīng)取得了許多研究成果^[2-4]。所以，有必要對臺站形變觀測資料的質(zhì)量和穩(wěn)定性進行分析和評價，為今后臺站資料使用和異常判定提供科學參考依據(jù)。本文主要通過計算形變觀測數(shù)據(jù)的固體潮潮汐參數(shù)，分析馬陵山站VS垂直擺傾斜儀硐室環(huán)境改造前后數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量變化情況，探討新觀測室（墩）建設方法對儀器觀測資料質(zhì)量的影響，為其他臺站地震觀測室（墩）的建設提供參考。

1 ?臺站觀測條件

馬陵山監(jiān)測站位于山東境內(nèi)沂沭斷裂帶南段，觀測區(qū)跨安丘—莒縣斷裂，臺基為破碎白堊系紅色砂巖，1668年7月25日在距離臺站以北18 km處發(fā)生過8.5級郯城大地震。臺站位于馬陵山主峰西坡一側，周圍是農(nóng)田、山地，無大型廠礦企業(yè)，遠離居民點，背景噪聲低，觀測環(huán)境優(yōu)良。

臺站使用戰(zhàn)備坑道作為形變觀測硐室，坑道整體為混凝土結構，硐內(nèi)年均溫度為16.5℃，年溫差小于0.03℃。硐室內(nèi)現(xiàn)有DSQ型水管儀、SSQ-2型水平擺、DZW型重力儀等形變類儀器。2006年5月硐室安裝一臺VS型垂直擺傾斜儀（以下簡稱垂直擺），觀測室在洞深260 m處，頂部覆蓋層約30 m。2015年5月進行了硐室改造，建設新觀測室（觀測墩）。2017年4月垂直擺搬遷至新觀測室，新觀測室在洞深440 m處，頂部覆蓋層達60 m。新改造硐室恒溫恒濕環(huán)境有了較大改善，垂直擺儀器運行正常，至今馬陵山站已積累了10多年垂直擺觀測資料。垂直擺在硐室內(nèi)安裝位置如圖1所示。硐室改造前后垂直擺安裝的主要參數(shù)見表1。

2 ?硐室改造

2015年5月臺站對形變觀測硐室進行了優(yōu)化改造，在山洞深處新建垂直擺觀測硐室和儀器墩，觀測硐室內(nèi)面積13 m²，儀器墩長×寬×高為2.8 m×1.2 m×0.5 m。首先，對硐室內(nèi)地面進行鑿挖，露出完整基巖，在基巖墩面范圍鉆若干個孔，孔深0.5 m左右，孔內(nèi)植入Ф20螺紋鋼，用錨固劑填縫，鋼筋間距為20 cm，Ф20螺紋鋼作為儀器墩面范圍內(nèi)四角的支撐鋼筋；然后，用Ф8螺紋鋼架放在觀測墩四周、底部和上頂面，捆扎成鋼筋籠，鋼筋籠距儀器墩外側為10 cm；最后，在鋼筋籠外加裝模板，使用C40混凝土均勻一次性澆筑，在放入混凝土時，使用振動棒對澆筑混凝土進行均勻振動。儀器墩澆注完工后對墩面用水泥抹面細磨平整，在距離儀器墩四周20 cm處建砌磚結構隔振槽，在隔振槽內(nèi)回填黃沙，降低振動干擾。對于室內(nèi)地面，使用水泥砂漿來找平，地面越平齊防水防潮效果會越好，水泥砂漿干燥后，清掃干凈，避免地面有塵土、砂粒等；然后按比例取料配比調(diào)配防水涂料，使用專用攪拌器將防水涂料攪拌均勻，不能有團粒。地面涂抹防水層，一般要分層涂抹，涂抹每一層時要保持均勻，力求每一處都到位，避免有局部沉積物，遇到不好涂抹的邊邊角角一定要小心仔細，務必涂抹好、涂抹均勻，涂料與地層間應無氣泡，保證粘結密實。第一層涂抹后要等完全干固不粘時，再開始涂抹第二層、第三層。最后用水泥砂漿做保護層，上面再鋪設地板磚等。

由于馬陵山站觀測硐室是早期的戰(zhàn)備坑道，坑道及各硐室墻壁防水防潮基本完好，只有個別地方出現(xiàn)地下水滲漏，需要對墻體進行清潔和修補，去除表面的污垢和松散物質(zhì)，保證防水材料能夠牢固地附著在墻體上；在墻面裂縫處注入防水材料進行堵漏防護處理，如聚氨酯等，坑道內(nèi)墻面涂刷專用的基層涂料，保證洞內(nèi)整體性良好，提高墻壁密封性和抗?jié)B透性；最后，涂刷防水涂料，選擇柔韌性好、抗壓能力好的彈性防水涂料，以應對可能的地基沉降和洞內(nèi)墻體微小的位移變化。硐室門采用雙層玻璃塑鋼密封門，硐室內(nèi)隔離成內(nèi)外兩個房間，中間用保溫板隔開，分別放置擺體和主機；通道上再加裝兩道密封門，降低空氣的流動性；儀器缽體加裝保溫罩，保溫罩和儀器墩面接觸處用玻璃膠密封，對擺體進行多次防潮恒溫處理。經(jīng)改造后，新硐室內(nèi)的溫濕度恒定環(huán)境優(yōu)于原硐室。

3 ?儀器搬遷前后數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

3.1 ?固體潮記錄對比分析

固體潮觀測的意義是計算實測固體潮相對理論固體潮的偏離數(shù)值。通過長期、連續(xù)觀測獲得固體潮隨時間變化的信息，進而研究地球內(nèi)部物質(zhì)的變化狀態(tài)及機理。垂直擺記錄日分鐘值曲線是觀測地殼一天內(nèi)所產(chǎn)生的形變量，反映了地殼一天的變化，以垂直擺2015年11月26—28日和2019年6月2—4日兩個不同時段觀測數(shù)據(jù)為例（圖2），對整點值數(shù)據(jù)進行分析處理，去除受地震或其他人為干擾影響的數(shù)據(jù)，運用EIS2000軟件的地傾斜固體潮理論值計算方法計算觀測數(shù)據(jù)的固體潮值，將觀測值和理論值進行對比。從圖2中可以看出，無論是儀器搬遷前還是搬遷后，固體潮觀測曲線光滑，清晰記錄到半日波、日波固體潮汐，變化趨勢和理論固體潮一致，相位一致，振幅相當。經(jīng)相關計算，搬遷前NS向和EW向相關系數(shù)達到0.92以上；搬遷后NS向達到0.95，EW向甚至達0.98以上，儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)真實可信。

3.2 ?調(diào)和函數(shù)分析

對馬陵山站垂直擺2014—2021年觀測數(shù)據(jù)整點值進行分析處理，參照觀測日志逐年統(tǒng)計分析，計算儀器各分量整點值數(shù)據(jù)，應用Venedikow調(diào)和分析法按月對傾斜潮汐觀測資料整點值進行調(diào)和分析，計算儀器各分量的M₂波潮汐因子γ、潮汐因子中誤差err、潮汐相位滯后△φ等（圖3）。

對計算數(shù)據(jù)潮汐參數(shù)穩(wěn)定性進行對比分析，可看出：

（1）半日主波M₂波潮汐因子γ值EW向搬遷前后變化不大，均在0.8左右，NS向搬遷前潮汐因子γ值較為分散，最高達1.7，最低為0.7，潮汐因子保持在1.3～1.4之間；理論上潮汐因子接近于1，而在實際觀測中，潮汐因子觀測值大小與臺站所處地形、地貌、淺部構造與深部構造等客觀環(huán)境有關^[5]，也與觀測儀器的類型有關，即與儀器的頻率響應有關^[6]。儀器搬遷后NS向潮汐因子均大于理論值，EW向潮汐因子搬遷前后變化不大，均小于理論值；從潮汐因子穩(wěn)定性來看，EW向的潮汐因子搬遷前后變化不大，波動性不明顯，而NS向搬遷后明顯變好，波動較小，趨于較穩(wěn)定。

（2）從潮汐因子中誤差來看，儀器搬遷前NS向中誤差在0.0999～0.0043之間，EW向在0.024 9～0.0028之間，且每月變化較大，數(shù)據(jù)分散，非常不穩(wěn)定；儀器搬遷后變化非常明顯，NS向一直保持在0.006左右，變化極為穩(wěn)定，EW向略差，但明顯強于搬遷前。

（3）M₂波相位滯后△φ值，NS向搬遷前在25°左右，變化不穩(wěn)定，搬遷后降為18°左右，數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)；EW向由搬遷前的23°左右降為13°左右，搬遷后同樣優(yōu)于搬遷前，但搬遷后EW向不如NS向穩(wěn)定，使得相位滯后偏差過大，這可能與儀器安裝方位角修正后有關。

3.3 ?潮汐因子均方差m_γ和噪聲水平M₁

根據(jù)《地傾斜觀測資料質(zhì)量評比評分細則（2015年修訂）》中有關指標要求，M₂波潮汐因子均方差m_γ是衡量地傾斜觀測資料精度的一項重要指標。觀測精度跟場地環(huán)境、儀器最初架設情況、安裝點的地理位置、地質(zhì)構造、觀測系統(tǒng)和干擾因素等均密切相關。從圖4也可看出，儀器搬遷后觀測精度有很大提高，且變化穩(wěn)定，尤其是NS向，精度提高很大。M₂波潮汐因子均方差m_γ的年均值2019年最小可達0.0042，遠低于優(yōu)秀臺站指標0.02（表2）。2019—2020年，馬陵山站垂直擺觀測質(zhì)量評比進入全國前3名，硐室（墩）的成功建設是精度提高的主要原因，且馬陵山站是位于郯廬大斷裂破碎帶上，這為全國精度較低的臺站優(yōu)化改造提供了某些借鑒。

長周期擬合相對噪聲水平M₁是表征觀測值長期穩(wěn)定性的一項定量化指標。從表2中可看出，馬陵山站垂直擺相對噪聲水平M₁年均值小于優(yōu)秀臺站指標0.02″，2018—2021年儀器搬遷后噪聲始終在0.005″左右，儀器穩(wěn)定性較好。

3.4 ?映震情況分析

地震對傾斜觀測造成很大的影響，同一次地震，對不同的觀測儀器的影響度是不同的。通過長期觀測發(fā)現(xiàn)，由于儀器固有周期及響應頻率的差異，臺站周邊小震，對垂直擺的影響最大，硐室改造儀器搬遷后，垂直擺對小震反映總體變化不大，但儀器靈敏不變，表現(xiàn)為日分鐘值曲線有1～2 min的臺階波，尤其是NS向，往往出現(xiàn)儀器超量程，而硐室內(nèi)水平擺與水管儀數(shù)據(jù)沒有影響。如圖5所示，2016年1月8日發(fā)生在山東臨沂臨沭縣M3.1地震反映圖，震源深度9 km，距臺站僅30 km。統(tǒng)計近幾年觀測資料發(fā)現(xiàn)：距臺站600 km范圍內(nèi)發(fā)生的3～4級左右的地震，垂直擺能感應到，其他設備無反映。圖6所示2023年8年6日山東平原發(fā)生M5.5地震臺站3套傾斜儀的影響曲線，從圖上可看出，垂直擺的反映靈敏度高于水平擺與水管儀。統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)：對于M7.0以上的國內(nèi)外遠震，臺站形變儀器均有反映，且影響幅度垂直擺要大于其他儀器^[7]。

4 ?結論

（1）儀器搬遷改造后硐室實測固體潮與和理論固體潮趨勢一致，振幅相當，搬遷前兩個分量相關系數(shù)為0.92，遷至新硐室后NS分量達0.95，EW分量達0.98以上，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)真實可信。

（2）從潮汐因子穩(wěn)定性分析結果看，垂直擺M₂波潮汐因子γ值EW分量較搬遷前變化不大，波動不明顯；而NS分量搬遷后有明顯改善，波動較小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。

（3）垂直擺M₂波相位滯后△φ值搬遷后，NS向偏18°左右，EW向偏13°左右，致使相位滯后△φ值偏差太大，可能與儀器搬遷安裝方位角偏差校正有關。

（4）垂直擺相對噪聲水平M₁值遠低于優(yōu)秀臺站考核指標0.02″，儀器搬遷新硐室后，2018—2021年噪聲水平總體在0.005″左右，穩(wěn)定性較好。

（5）儀器搬入新硐室數(shù)據(jù)精度m_γ有很大改善，外界溫濕度季節(jié)性變化對觀測墩穩(wěn)定性產(chǎn)生影響不明顯，說明增加硐室覆蓋層厚度，改善硐室防潮保溫條件是提升數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量的重要因素。

（6）儀器搬入新硐室，垂直擺對地震反映靈敏有一定提升，距臺站600 km范圍內(nèi)3～4級左右地震，垂直擺能有反映，而硐室其他形變儀器反映不靈敏。

參考文獻

• 中國地震局監(jiān)測預報司. 地形變測量[M]. 北京：地震出版社，2008 ???Monitoring and Forecasting Department of China Earthquake Administration. Ground deformation measurement[M]. Beijing：Seismological Press，2008
• 陳志遙，呂品姬，李正媛，等. 汶川M_S8.0地震前的潮汐變化分析[J]. 大地測量與地球動力學，2009，29（4）：48-50，73 ???Chen Z Y，Lü P J，Li Z Y，et al. Analysis of tidal data before Wenchuan M_S8.0 earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（4）：48-50，73
• 盧雙苓，于慶民，郝軍麗，等. 形變儀器影響觀測質(zhì)量因素[J]. 地震地磁觀測與研究，2012，33（5/6）：261-266 ???Lu S L，Yu Q M，Hao J L，et al. Investigation on influence factors of the deformation data quality[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2012，33（5/6）：261-266
• 馮建琴，沈曉松，董甲弟，等. 山西數(shù)字化水管傾斜儀觀測資料質(zhì)量分析[J]. 地震地磁觀測與研究，2011，32（3）：100-108 ???Feng J Q，Shen X S，Dong J D，et al. Quality analysis of digitalized water tube tiltmeter data in Shanxi Province[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2011，32（3）：100-108
• 唐九安，常千軍，杜錫武，等. 固體潮潮汐因子的空間分布特征與機理[J]. 地殼形變與地震，1997，17（1）：65-69 ???Tang J A，Chang Q J，Du X W，et al. Spatial distribution characteristic of earth tides and its mechanism[J]. Crustal Deformation and Earthquake，1997，17（1）：65-69
• 田韜，楊軍，盧永. 南北地震帶上傾斜潮汐因子的空間分布特征研究[J]. 華南地震，2005，25（3）：16-24 ???Tian T，Yang J，Lu Y. A study on the spatial distribution characteristics of ground-tilt tide factor on the N-S seismic belt[J]. South China Journal of Seismology，2005，25（3）：16-24
• 余思，唐婷婷. 江西省贛州地震中心站DSQ型水管傾斜儀與VS型垂直擺傾斜儀同震響應對比分析[J]. 地震科學進展，2023，53（9）：409-415 ???Yu S，Tang T T. Comparative analysis of observation data between DSQ water-tube tiltmeter and VS vertical pendulum tiltmeter at Ganzhou seismic center station in Jiangxi[J]. Progress in Earthquake Sciences，2023，53（9）：409-415

Analysis of observation quality changes before and after the renovation of cavern with vertical pendulum

Zhao Xiaohe^{1， 2， 3， *}， Gong Xusheng^{1， 2， 3}， Wang Xibao^{1， 2， 3}， Cheng Shuqi^{1， 2， 3}， Yang Yongsheng^{1， 2， 3}

1. Linyi Seismic Monitoring Center Station of Shandong Earthquake Agency， Shandong Linyi 276000， China

2. National Seismic Instrument Comparison Base （Shandong）， Shandong Tancheng 276100， China

3. Field Scientific Observation and Research Station of Low-rate Compression and Thrust Structure in TanchengShandong， Shandong Tancheng 276100， China

[Abstract] ?The tide analysis method was used to analyze and assess changes in the quality of the observed data before and after the renovation of cavern with vertical pendulum tiltmeter in Malingshan seismic station. The results show that： ① The observation accuracy （m_γ） of every year all is less than 0.02， it has a markable improvement after the instruments relocation， which is better than before， surpassing the standard of excellent deformation stations of the whole country. ② After the relocation， the noise level （M₁） is always around 0.005″， and the stability is better. ③ After correction， it is found that there is a large deviation in the installation azimuth of the instrument before relocation， which affects the phase lag of M₂wave. Optimization of chamber environment is beneficial to improve the accuracy of observation data， and it provides a guarantee for the observation equipment to produce high-quality observation data.

[Keywords] the renovation of cavern; vertical pendulum; observation quality; comparative analysis