馬陵山地震臺水管傾斜儀觀測質(zhì)量評價

趙小賀， 劉 莉， 李 琦， 袁 斌，公續(xù)升

(1.馬陵山地震臺，山東 郯城 276114；2.臨沂市地震局，山東 臨沂 276000；3.相公莊地震臺，山東 臨沂 276025）

0 引言

地殼形變觀測包括GPS、大面積水準(zhǔn)、斷層形變和地傾斜等觀測，它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(yīng)用于地震預(yù)測預(yù)報研究外，還可為地球物理學(xué)、地球動力學(xué)、天文學(xué)等相關(guān)學(xué)科提供服務(wù)[1]。觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接制約著地震預(yù)報水平，影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素除臺址條件、觀測環(huán)境、儀器設(shè)備等基本原因，以及氣象、儀器故障等影響因素外，還與數(shù)據(jù)處理水平、儀器維護管理等有關(guān)。許多人員都對儀器資料的質(zhì)量情況進行過認(rèn)真的分析，取得了許多研究成果[2、3]。本文對馬陵山臺DSQ型水管傾斜儀2007～2011年儀器運行情況進行分析，從連續(xù)率、漂移量、潮汐參數(shù)等方面對觀測資料進行評價，為今后的資料使用和異常判定提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 臺站及水管傾斜儀的基本情況

郯城馬陵山地震臺（以下簡稱馬陵山臺)地處沂沭斷裂帶南段，跨安丘－莒縣斷裂，北距1668年郯城-莒縣8.5級地震震中約18 km。臺基為破碎白堊系紅色砂巖，巖層傾向東南，傾角60°～70°。臺站坐落在馬陵山主峰西坡，遠(yuǎn)離居民點，周圍是荒山、農(nóng)田，無大型工礦企業(yè)，周圍無干擾，觀測環(huán)境優(yōu)越。臺站用戰(zhàn)備山洞作為觀測山洞，山洞進深1 700 m，整體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，洞頂覆蓋約70 m，洞內(nèi)年平均溫度為16.5℃左右，年溫差小于0.03℃，相對濕度保持在80%左右。DSQ型水管傾斜儀放置在戰(zhàn)備山洞內(nèi)，1998年將模擬儀器FSQ型水管傾斜儀改造為DSQ型數(shù)字水管傾斜儀，2011年4月又升級為“十五”方式記錄，儀器進深500 m，頂部覆蓋層60 m，設(shè)兩個方向，NS向基線長29.22 m，EW向長18.20 m，儀器自1998年改造以來，運行基本正常，為地震監(jiān)測與預(yù)報提供了豐富的前兆信息。

2 觀測資料質(zhì)量評價

根據(jù) “地傾斜觀測資料質(zhì)量年度評比評分細(xì)則”中技術(shù)指標(biāo)要求，地傾斜觀測資料的精度指標(biāo)主要有兩項內(nèi)容：M2波潮汐因子均方差mγ和相對噪聲水平M1。本文對馬陵山臺2007～2011年水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)進行全面分析整理，計算出資料的連續(xù)率、年零漂、年變幅、噪聲水平和半日波M2波潮汐因子γ、潮汐因子均方差err、潮汐相位滯后Δφ等潮汐參數(shù)，參照地殼形變學(xué)科組擬定的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對計算出的結(jié)果進行評價。

2.1 連續(xù)性

地傾斜觀測的一大特點就是連續(xù)觀測，它彌補了常規(guī)大地測量干擾因素多、資料不連續(xù)的不足，尤其是對一些有特殊價值的短臨震兆信息的提取，全靠連續(xù)記錄來實現(xiàn)，因此資料的連續(xù)率的高低是評價觀測資料質(zhì)量的指標(biāo)之一。

資料的缺記率N用下列公式計算：

式中n為缺記時數(shù)，資料連續(xù)率=1-N。通過計算，馬陵山臺水管傾斜儀各年的連續(xù)率2007年最低，2008～2009接近 100%，2010～2011年稍低（見表 1）。

2.2 年零漂、年變幅

表1 2007～2011年水管傾斜儀連續(xù)率(%)Table 1 The continuous rate of the water tube tiltmeters during 2007 to 2011（%）

年零漂是用來衡量觀測儀器及墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運動的指標(biāo)[1]。儀器零漂主要受儀器本身的漂移、地球內(nèi)部密度變化和外界干擾（包括溫度、氣壓、電壓等變化）等方面的影響，其計算方法有日均值法和潮汐法。日均值法就是將該年度12月31日的日均值減去當(dāng)年1月1日的日均值，即為該年度年零漂值（有正、負(fù)之分），單位為（″）， 取至 1×10-3″； 潮汐值法是用 12月 31日23點整點值減去同年1月1日零點值。本文采用日均值法計算水管傾斜儀的漂移量，計算結(jié)果見表2。從表2來看，馬陵山臺水管傾斜儀各年的漂移量均小于規(guī)范要求的漂移量小于0.005″/d的指標(biāo)，但2007年漂移量和2011年NS向漂移量較往年偏大，分析發(fā)現(xiàn)2007年8月8日數(shù)據(jù)采集器光隔副測被雷擊壞、10日數(shù)據(jù)采集器主板被雷擊壞，重新安裝后導(dǎo)致儀器漂移量加大。2011年NS向儀器漂移量大主要是因為12月21日03時49分不明原因造成數(shù)據(jù)出現(xiàn)很大變化，由原來的-96.14×10-3″變?yōu)?591.80×10-3″造成。

年變幅是用來檢視洞室地形條件下，熱彈形變大小的傾斜變化值，其計算方法為在每分量全年8760整點值（查固體潮月報表）中，找出本年度正、負(fù)最大值，后將兩者絕對值相加，即為年變幅值。從表2的計算結(jié)果來看，2011年的年變幅較大，主要是由于4月儀器升級后數(shù)據(jù)不穩(wěn)定造成，另外，NS向12月21日03時49分不明原因造成的數(shù)據(jù)變化也導(dǎo)致年變幅增大。

2.3 潮汐分析

表2 2007～2011年水管傾斜儀年零漂和年變幅（×10-3″）Table 2 Annual zero drift and annual amplitude variation of the water tube tiltmeters during 2007 to 2011（×10-3 ″）

2.3.1 調(diào)和分析

M2波潮汐因子均方差mγ是衡量地傾斜觀測資料精度的一項重要指標(biāo)。對馬陵山臺水管傾斜儀2007～2011年觀測資料整點值重做處理，并參照觀測日志進行逐年分析，通過計算，精確得出各年的整點值數(shù)據(jù)，應(yīng)用Venedikow調(diào)和分析方法對傾斜潮汐觀測資料整點值進行調(diào)和分析，計算出各分量的主波日波O1波和半日波M2波潮汐因子γ、潮汐因子均方差err、潮汐相位滯后Δφ等潮汐參數(shù)（見表3）。

從表3可看出，2007～2010年，各年潮汐參數(shù)比較穩(wěn)定。O1波潮汐因子EW向在0.90～0.93之間，NS向在0.83～0.85之間；M2波潮汐因子EW向在0.76～0.77之間，十分穩(wěn)定，NS向在0.94～0.98之間。O1波振幅EW向在3.5～4.0、NS向在2.0～2.4之間，M2波振幅EW向在9.4～9.7，NS向在7.0～7.4之間，均比較穩(wěn)定[4]。2011年的潮汐參數(shù)變化較大，主要是因為2011年4月升級為 “十五”儀器DSQ型水管傾斜儀，安裝后儀器不穩(wěn)定造成。M2波相位滯后EW向在36°～37°，NS向在51°～52°之間，變化穩(wěn)定但偏差太大，可能主要與儀器的定向有關(guān)，具體原因有待進一步分析。

表3 2007～2011年水管傾斜儀月潮汐參數(shù)平均值①中國地震局地殼形變學(xué)科技術(shù)協(xié)調(diào)組.形變學(xué)科通訊，2012Table 3 The average value of monthly tidal parameters of the water tube tiltmeters during 2007 to 2011

M2波潮汐因子均方差mγ都小于0.02，達(dá)到中國地震局優(yōu)秀臺站標(biāo)準(zhǔn)，2011年精度稍低，主要是因為2011年儀器升級，工作時間較短，儀器不夠穩(wěn)定。與全國優(yōu)秀臺站相比，還有很大差距，根據(jù)2011年《形變學(xué)科通訊》公布的均方差計算結(jié)果，十堰、麻城精度高達(dá)0.0017。另外，馬陵山臺地處郯廬大斷裂，臺基破碎，地下巖石為紅砂巖，降雨很快滲透到地下，也影響儀器觀測精度。

2.3.2 噪聲水平M1

噪聲水平M1是用來判斷觀測資料長期穩(wěn)定性的一項定量指標(biāo)。M1是用契比雪夫多項式與一個年度觀測資料的五日均值作30階擬合而得。

公式為：

式（1）中：

式（2）稱為契比雪夫多項式[3]。馬陵山臺水管傾斜儀長周期擬合相對噪聲水平計算結(jié)果見表4。

表4 2007～2011年水管傾斜儀噪聲水平M1(單位:″)Table 4 Noise level M1of the water tube tiltmeters during 2007 to 2011（units: ″）

由表4可見，馬陵山臺2007～2011年的相對噪聲水平M1在0.001″～0.006″之間，均小于優(yōu)秀臺站要求的噪聲水平要小于0.02″的指標(biāo)。2011年相對噪聲水平較大，主要是由于2011年儀器升級后工作還沒穩(wěn)定造成。

3 結(jié)論

（1）通過對馬陵山臺水管傾斜儀2007～2011年的資料計算分析得出：除2007年因數(shù)據(jù)采集器光隔副測及主板被雷擊壞，導(dǎo)致連續(xù)率較低外，其漂移量、連續(xù)率、年變幅等質(zhì)量指標(biāo)均符合形變觀測規(guī)范要求。

（2）儀器工作基本穩(wěn)定，各年潮汐參數(shù)比較穩(wěn)定。M2波潮汐因子EW向在0.76～0.77之間，十分穩(wěn)定，NS向在0.94～0.98之間。2011年的潮汐參數(shù)變化較大，主要是因為2011年4月升級為“十五”儀器DSQ型水管傾斜儀，安裝后儀器不穩(wěn)定造成。M2波的相位滯后，變化穩(wěn)定但偏差太大，可能主要與儀器的定向有關(guān)，具體原因有待進一步分析。

（3）表征固體潮內(nèi)在質(zhì)量的M2波潮汐因子均方差mγ在2007～2010年連續(xù)4年均在0.004 5左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.02，噪聲水平M1＜0.02＂，達(dá)到并超過了中國地震局形變優(yōu)秀臺站的標(biāo)準(zhǔn)。

[1]中國地震局監(jiān)測預(yù)報司.地形變測量[M].北京：地震出版社，2008.

[2]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)：102-103.

[3]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.

[4]楊又陵，唐九安.烏什地震臺傾斜固體潮觀測與震兆異常[J].西北地震學(xué)報，2009，31(3)：243-245.