山東水管傾斜儀觀測(cè)運(yùn)行分析

李希亮，陸漢鵬，孟建國(guó)，胡尊迎，田鳳東

（1.山東省地震局，山東 濟(jì)南 250014；2.山東泰安地震臺(tái)，山東 泰安 271004；3.山東馬陵山地震臺(tái)，山東 臨沂 276114；4.山東日照市地震局，山東 日照 261000）

0 引言

水管傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱水管儀）是自動(dòng)測(cè)量地殼傾斜變化的一種精密儀器，除用來測(cè)定緩慢傾斜變化、傾斜固體潮和捕捉臨震前兆信息外，還可用于地球動(dòng)力學(xué)與精密工程測(cè)量等方面，可為研究地殼傾斜變化和固體潮水平分量變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)，也為地球彈性研究提供重要數(shù)據(jù)。一些研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)［1－2］，利用水管儀的觀測(cè)資料，在沒有對(duì)資料進(jìn)行去固體潮處理的情況下，采用功率譜密度估計(jì)方法，可以提取到大地震激發(fā)的地球球型振蕩，實(shí)測(cè)振蕩周期與PREM預(yù)測(cè)的振蕩周期吻合。由大量震例統(tǒng)計(jì)可知［3－4］，孕震過程中，可從傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)直接獲得形變速率和方向的變化，可間接以傾斜固體潮潮汐因子波形形態(tài)來描述巖石彈性力學(xué)性質(zhì)變化。因此，高質(zhì)量的水管儀觀測(cè)資料能給相關(guān)的地震研究提供數(shù)據(jù)支持。我國(guó)地傾斜觀測(cè)起步于1966年邢臺(tái)地震后，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)已經(jīng)安裝了96套水管儀。山東省的水管儀觀測(cè)始于1976年，該地區(qū)現(xiàn)運(yùn)行的3套水管儀均為DSQ型。

1 臺(tái)站概況

山東水管儀觀測(cè)布局兼顧該地區(qū)主要的地震斷層、活動(dòng)斷裂以及地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)。但其測(cè)點(diǎn)密度低，與儀器工作環(huán)境和臺(tái)站堪選的難度有關(guān)。山東地區(qū)3個(gè)水管儀觀測(cè)臺(tái)站（見圖1），分別是泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱泰安臺(tái)）、郯城馬陵山地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱郯城臺(tái)）和煙臺(tái)地震監(jiān)測(cè)中心臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱煙臺(tái)臺(tái)）。

圖1 臺(tái)站平面位置圖Fig.1 Location of the station

泰安臺(tái)1980年至1985年目視水管儀進(jìn)行觀測(cè)，1984年至1998年，F(xiàn)SQ型自記水管儀觀測(cè)，1998年進(jìn)行“九五”改造，升級(jí)為DSQ型水管儀，2009年 “十五”改造并運(yùn)行至今。其基線南北向?yàn)?1m，東西向?yàn)?0m。該測(cè)點(diǎn)地處萊蕪弧形斷裂帶（第四紀(jì)活動(dòng)斷裂）北側(cè)（臺(tái)址附近段稱為泰山山前斷裂），臺(tái)基為太古代泰山群（Art）花崗片麻巖體。洞體巖性為太古界泰山群花崗片麻巖，巖體較完整，山洞洞室最大覆蓋厚度29m，總面積為464m2，總進(jìn)深130m。洞室年溫差小于0.06℃，日溫差小于0.004℃，洞室內(nèi)相對(duì)濕度小于90%，觀測(cè)環(huán)境良好。

煙臺(tái)臺(tái)1998年安裝了DSQ型水管儀，2010年儀器更新改造，與伸縮儀安裝在同一觀測(cè)墩上。其基線長(zhǎng)度東西向?yàn)?8.73m，南北向?yàn)?1.12m。臺(tái)基以云母角閃片巖為主，夾有透閃石大理巖、長(zhǎng)英巖脈等，巖石裸露，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化層深達(dá)15m～20m。距臺(tái)站10km有北東向桃村斷裂及北西向蓬萊—威海斷裂兩條中等規(guī)模的活動(dòng)斷裂。臺(tái)站地處丘陵緩坡園林區(qū)，北臨黃海，距海約2 200m，觀測(cè)環(huán)境良好。洞室溫度保持在14.0℃左右，年溫差不超過0.5℃。

郯城臺(tái)1976年至1992年目視水管儀觀測(cè)，1988年至1998年FSQ型自記水管儀觀測(cè)，1998年升級(jí)為DSQ型水管儀，2011年儀器更新改造，與伸縮儀并行安裝在同一觀測(cè)墩上。其基線長(zhǎng)度東西向?yàn)?8.20m，南北向?yàn)?9.22m。臺(tái)站地處沂沭斷裂帶南段，跨安丘－莒縣斷裂。臺(tái)基為破碎白堊系紅色砂巖，巖層傾向東南，傾角60°～70°。臺(tái)站山洞進(jìn)深1 754m，洞頂覆蓋最厚約70m，洞內(nèi)年平均溫度為16.0℃，年溫差小于0.2℃，周圍無干擾。

2 質(zhì)量分析

2.1 資料的連續(xù)性和完整性

觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率是衡量地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，連續(xù)率統(tǒng)計(jì)對(duì)象是原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，即由觀測(cè)儀器直接產(chǎn)出未經(jīng)任何處理的數(shù)據(jù)。完整率統(tǒng)計(jì)對(duì)象是預(yù)處理數(shù)據(jù)，即按照各學(xué)科觀測(cè)技術(shù)規(guī)范和技術(shù)要求進(jìn)行預(yù)處理后的數(shù)據(jù)。

根據(jù)公式（1）和（2），對(duì)2007年—2011年山東地區(qū)水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果詳見表1和表2。各臺(tái)的連續(xù)率和完整率較高，觀測(cè)資料保持較好的連續(xù)性，表明各臺(tái)儀器穩(wěn)定性較高，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能很好地為地震研究提供數(shù)據(jù)支持。水管儀的更新改造一般都會(huì)造成4至5天斷記，因此，對(duì)相應(yīng)年份的觀測(cè)資料連續(xù)率和完整率有影響。如，2008年泰安臺(tái)儀器更新改造，2010年煙臺(tái)臺(tái)儀器更新改造，2011年郯城臺(tái)儀器更新改造。

表1 山東水管傾斜儀2007年—2011年觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率Table.1 Continuity of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

表2 山東水管儀2007年—2011年觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率Table.2 Integrity rate of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.2 年零漂

年零漂是衡量觀測(cè)儀器及墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［5］。文章采用日均值法計(jì)算水管儀的年零漂。日均值法是，將該年度12月31日日均值減去當(dāng)年1月1日日均值，其差值為該年零漂值（有正負(fù)之分）（見表3）。各臺(tái)站的年零漂值均滿足地傾斜年零漂小于2″的要求［6］，但泰安臺(tái)儀器更新后的年零漂高于我國(guó)水管傾斜儀的平均值為0.165″［7］，這可能與儀器自身的漂移有關(guān)，煙臺(tái)臺(tái)和郯城臺(tái)南北向低于平均值，而東西向卻高于平均值。

表3 2007年—2011年山東水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)年零漂統(tǒng)計(jì)表Table.3 Annual zero drift statistics of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.3 年變幅

年變幅計(jì)算方法是用全年整時(shí)值中找出最大值與最小值，二者之差即為年變幅。我國(guó)水管儀的年變幅平均值為0.318″［8］。從表4可知，山東水管儀的年變幅均值都大于0.318″，煙臺(tái)臺(tái)兩分量的年變幅較為穩(wěn)定，其中2008年和2011年低于全國(guó)平均值。

表4 2007年—2011年山東水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)年變幅統(tǒng)計(jì)表Table.4 Annual amplitude variation of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.4 M2波γ因子均方差

M2波γ因子均方差mγ采用VenediKov調(diào)和分析計(jì)算得出［5］，即按月對(duì)傾斜觀測(cè)整時(shí)值進(jìn)行調(diào)和分析，求取傾斜潮汐M2波的潮汐因子γ值均方差。按照地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范要求，mγ地傾斜小于0.02［7］，我國(guó)水管儀 mγ加權(quán)平均值為小于0.005 2［9］。從表5中可以看出，泰安臺(tái)水管儀mγ均小于全國(guó)平均值0.005 2，完全滿足規(guī)范要求的小于0.02的技術(shù)指標(biāo)值，但與全國(guó)最好水平的臺(tái)站還有一定差距。煙臺(tái)臺(tái)受海潮影響較大，mγ達(dá)不到規(guī)范要求的技術(shù)指標(biāo)值。郯城臺(tái)2011年儀器升級(jí)改造后，工作不穩(wěn)定，缺記較多，之前4年mγ基本達(dá)到小于0.02的規(guī)范要求。

2.5 噪聲水平

相對(duì)噪聲水平是用來判斷水管儀觀測(cè)資料長(zhǎng)期穩(wěn)定性的一項(xiàng)定量指標(biāo)［7］。相對(duì)噪聲水平M1由年度觀測(cè)資料的73個(gè)5日均值用契氏多項(xiàng)式30階擬合計(jì)算得出，其計(jì)算公式為：

表5 山東水管傾斜儀M2波γ因子均方差Table.5 Mean square deviation of factorγof M2wave in water tube tiltmeter in Shandong Province

地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范［7］要求地傾斜M1＜0.02″。從表6可以看出，山東水管儀的噪聲水平為0.004″左右，低于規(guī)范的要求值0.02″，三臺(tái)站相比，泰安臺(tái)稍好，郯城臺(tái)的噪聲水平偏大。

表6 山東水管傾斜儀噪聲水平Table.6 Noise level of water tube tiltmeter in Shandong Province

3 主要干擾

3.1 氣壓干擾

氣壓對(duì)洞室形變觀測(cè)的短時(shí)微動(dòng)態(tài)影響類似于強(qiáng)震前驅(qū)波異常圖像，通過與當(dāng)?shù)貧鈮旱膶?duì)比分析，較容易判斷是否為氣壓的短時(shí)微動(dòng)態(tài)影響［10］。2007年8月7日的氣壓驟變（15時(shí)17分為989.55hPa，28分為992.56hPa），郯城臺(tái)水管儀4個(gè)端點(diǎn)的電信號(hào)出現(xiàn)不同程度的畸變，與氣壓變化同步（見圖2），進(jìn)一步說明氣壓變化對(duì)洞室形變觀測(cè)的影響比較普遍，當(dāng)氣壓出現(xiàn)短周期驟變時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)比較明顯的固體潮畸變［11］。但是對(duì)于同一套儀器的不同測(cè)項(xiàng)，氣壓影響存在差異，在固體潮汐曲線上有不同的體現(xiàn)。由于氣壓影響的同步性，可以推斷固體潮畸變是否為氣壓的影響。

3.2 降雨干擾

降雨對(duì)地傾斜觀測(cè)的影響主要表現(xiàn)在，雨水滲入洞體巖石裂隙，巖體膨脹，造成地表傾斜或伸縮變化，這些變化會(huì)反應(yīng)在固體潮觀測(cè)曲線上，降雨影響主要與洞室基巖條件有關(guān)，同一測(cè)項(xiàng)每次降雨引起的異常形態(tài)相似［11］。2010年6月—9月，郯城臺(tái)共降雨537.9mm，水管儀NS和EW均受降雨影響，伴隨降雨出現(xiàn)向上伸張性變化，隨雨量加大而伸張加速，但雨季過后明顯恢復(fù)到正常變化趨勢(shì)（見圖3），這與郯城臺(tái)所處斷裂和洞體巖石基礎(chǔ)破碎度有密切關(guān)系。降雨對(duì)水管儀觀測(cè)的影響比較復(fù)雜，不但與降雨量、降雨持續(xù)時(shí)間有關(guān)，還與洞室基礎(chǔ)巖性、巖石傾角、當(dāng)?shù)馗珊党潭鹊纫蛩赜嘘P(guān)。因此，降雨的影響無法定量排除，給數(shù)據(jù)分析帶來一定的難度。

圖2 2007年8月7日郯城臺(tái)水管傾斜儀受氣壓的干擾Fig.2 Barometric pressure interference with water tube tiltmeter at Tancheng Station on Aug.7th，2007

圖3 郯城臺(tái)水管傾斜儀受降雨的干擾Fig.3 Rainfall interference with water tube tiltmeter at Tancheng Station

3.3 觀測(cè)環(huán)境變化干擾

良好的觀測(cè)環(huán)境是地震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的保證，洞室周邊的大型施工、爆破和洞室改造施工等因素直接影響洞體形變觀測(cè)，近距離干擾，觀測(cè)資料會(huì)出現(xiàn)固體潮畸變或較大幅度突跳和臺(tái)階變化。2011年5月17日—20日，泰安臺(tái)安裝新水平擺傾斜儀，給其他洞室儀器帶來了不同程度的影響，水管儀EW向最為嚴(yán)重（見圖4），原因是水平擺和水管儀EW向洞室相通。5月17日16：40—17：25，儀器安裝人員進(jìn)山洞查看儀器房，做水平擺傾斜儀的安裝準(zhǔn)備工作。5月18日9：06—23：52，5月19日09：03—16：44，5月20日9：22—11：25為水平擺安裝時(shí)段，給水管儀的固體潮觀測(cè)帶來嚴(yán)重的干擾。人為因素干擾是洞室形變觀測(cè)不可避免的，儀器的安裝調(diào)試和人為參觀，都會(huì)對(duì)形變觀測(cè)造成不同程度的影響。因此，臺(tái)站工作人員需做好詳細(xì)的工作日志，為資料分析提供依據(jù)。

圖4 泰安臺(tái)儀器安裝存在的干擾Fig.4 Interference with instrument installation at Tai’an Station

3.4 儀器調(diào)修干擾

山東地區(qū)洞體應(yīng)變儀的布設(shè)均采取了與伸縮儀共墩的方式，此布設(shè)方式就決定了在儀器調(diào)試和維修過程中，兩套儀器間的相互干擾。雖然在同一個(gè)地震觀測(cè)山洞內(nèi)，不同的儀器安裝在不同的觀測(cè)室，但由于觀測(cè)儀器的高靈敏度，人為因素對(duì)水管儀的干擾也不可避免，都會(huì)造成固體潮曲線出現(xiàn)畸變。水管儀蒸餾水的定期更換、傳感器故障、數(shù)采故障和其他儀器的調(diào)修等因素都會(huì)影響儀器的觀測(cè)質(zhì)量，給數(shù)據(jù)的分析帶來干擾，因此，需要臺(tái)站工作人員詳細(xì)填寫觀測(cè)日志，降低數(shù)據(jù)分析的難度。

4 結(jié)論

簡(jiǎn)單介紹山東地區(qū)3個(gè)水管儀觀測(cè)臺(tái)的概況，對(duì)2007年—2011年各臺(tái)的觀測(cè)質(zhì)量和受干擾情況進(jìn)行分析和探討，得出如下結(jié)論：

（1）山東水管儀的連續(xù)率和完整率較高，觀測(cè)資料保持了較好的連續(xù)性，表明各臺(tái)站儀器穩(wěn)定性較高，觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，能很好地為地震研究提供數(shù)據(jù)支持；各臺(tái)站均滿足地傾斜年零漂小于2″的要求，但是泰安臺(tái)儀器更新后的年零漂高于我國(guó)水管傾斜儀的平均值為0.165″，煙臺(tái)臺(tái)和郯城臺(tái)南北向低于平均值，而東西向卻高于平均值；三臺(tái)站的年變幅均值都大于我國(guó)水管儀的平均值0.318″；泰安臺(tái)水管儀mγ小于全國(guó)平均值0.005 2，滿足規(guī)范要求的小于0.02的技術(shù)指標(biāo)值，但與全國(guó)最好水平的臺(tái)站還有一定差距；煙臺(tái)臺(tái)受海潮影響較大，mγ大于0.02；郯城臺(tái)2011年儀器升級(jí)改造后，工作不穩(wěn)定，缺記較多，之前4年mγ基本小于0.02；山東水管儀的噪聲水平為0.004″左右，低于規(guī)范的要求值0.02″，三臺(tái)站相比，郯城臺(tái)的噪聲水平較大。

（2）在日常觀測(cè)中，山東地區(qū)水管儀傾斜觀測(cè)主要受氣壓、降雨、觀測(cè)環(huán)境變化和儀器調(diào)修等因素影響。以上干擾因素，有時(shí)會(huì)疊加在一起，導(dǎo)致觀測(cè)值曲線變化形態(tài)復(fù)雜。觀測(cè)中的干擾識(shí)別，是一個(gè)不斷探索和經(jīng)驗(yàn)積累的過程，正確排除各種干擾，獲得真實(shí)信息，對(duì)提取地震前兆信息有很大的幫助。

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