前兆觀測(cè)的方波型異常圖像成因分析

張紅秀，邰垣東，郭國(guó)祥，羅振東

（1.山西省地震局臨汾中心地震臺(tái)，山西 臨汾 041000；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025）

0 引言

準(zhǔn)確識(shí)別前兆觀測(cè)資料中的異常圖像是進(jìn)行地震分析預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，數(shù)字化資料觀測(cè)時(shí)間較短，對(duì)異常圖像的認(rèn)識(shí)，尤其對(duì)震兆異常的判定尚處于摸索階段。地震前兆變化不同于同震與震后變化，其與地震震源的關(guān)系在時(shí)間上永遠(yuǎn)有一定距離，相關(guān)性的判別會(huì)直接影響研究結(jié)果的科學(xué)性［1］。“十五”數(shù)字化儀器在日常觀測(cè)中常記錄到方波型異常圖像，其形態(tài)表現(xiàn)為記錄曲線(xiàn)的突然掉下（上跳）、低位（高位），記錄一段時(shí)間后，又突然回跳，且回到原值附近。如何準(zhǔn)確分析該類(lèi)圖像成因，對(duì)干擾異常識(shí)別及地震分析預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有積極意義。

1 資料選取

“十五”數(shù)字化儀器于2005年至2007年陸續(xù)在山西各地震臺(tái)站完成安裝并運(yùn)行至今，方波型異常圖像從記錄資料中選取，異常圖像所對(duì)應(yīng)的地震事件從中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心（CENC）地震數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)中提取。

2 方波型圖像成因分析

2.1 儀器標(biāo)定

為保證測(cè)量精度和檢驗(yàn)儀器的穩(wěn)定性，根據(jù)觀測(cè)規(guī)范及各學(xué)科要求，需對(duì)觀測(cè)儀器進(jìn)行定期標(biāo)定，而標(biāo)定是造成方波型圖像的原因之一。一種情況是儀器因標(biāo)定而形成方波型圖像；另一種情況是在標(biāo)定某一儀器時(shí)，對(duì)其他儀器產(chǎn)生干擾，而使其在標(biāo)定時(shí)段記錄到同步方波型圖像（見(jiàn)圖1）。

2.2 儀器超量程

“十五”數(shù)字化儀器工作電壓范圍除水平擺為0～±4V外，其他儀器均為0～±2V，超出工作電壓范圍，儀器將處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，記錄到的數(shù)據(jù)視為無(wú)效數(shù)據(jù)。各儀器出現(xiàn)超量程的表現(xiàn)形式存在差異，水平擺超量程表現(xiàn)為測(cè)量數(shù)據(jù)為定值，而垂直擺超量程時(shí)則數(shù)據(jù)顯示為“0”，記錄曲線(xiàn)在超量程時(shí)段均為一直線(xiàn)，此時(shí)需做調(diào)零處理，使記錄曲線(xiàn)恢復(fù)正常，此過(guò)程會(huì)出現(xiàn)方波型圖像（見(jiàn)圖2）。

2.3 環(huán)境干擾

觀測(cè)環(huán)境及自然環(huán)境有時(shí)會(huì)對(duì)前兆觀測(cè)產(chǎn)生干擾。如，2010年5月15日，鎮(zhèn)川地震臺(tái)水位觀測(cè)因排水管堵塞，造成探頭外露形成臺(tái)階，在16日進(jìn)行處理后恢復(fù)正常，期間形成類(lèi)方波圖像干擾。2015年7月21日，臨汾臺(tái)擺式傾斜觀測(cè)資料由于測(cè)區(qū)出現(xiàn)雷雨冰雹而形成異常圖像（見(jiàn)圖3）。

2.4 高壓直流干擾

高壓直流干擾也是形成方波型異常圖像的原因之一，該干擾一般對(duì)電磁類(lèi)觀測(cè)資料的影響比較明顯。太原基準(zhǔn)地震臺(tái)M15儀器2013年6月2日垂直分量記錄資料受“寧夏—山東”高壓直流線(xiàn)干擾圖像如第11頁(yè)圖4所示。2013年12月23日，因受“哈密—鄭州”線(xiàn)高壓直流干擾，臨汾臺(tái)地電場(chǎng)長(zhǎng)短極距觀測(cè)出現(xiàn)同步方波型異常干擾圖像（見(jiàn)圖5）。

2.5 人為干擾

2015年3月11日，對(duì)數(shù)字前兆儀器航空插頭進(jìn)行拍照，對(duì)垂直擺觀測(cè)形成類(lèi)方波型干擾（見(jiàn)圖6）。

2.6 同震響應(yīng)

同震響應(yīng)形態(tài)主要有：振蕩、下降同震階躍、上升同震階躍、單脈沖、先階躍再恢復(fù)等多種形態(tài)［2］，而對(duì)于先階躍后恢復(fù)類(lèi)型的同震變化往往會(huì)形成類(lèi)方波圖像（見(jiàn)圖7）。

圖1 臨汾地震臺(tái)垂直擺標(biāo)定及受體應(yīng)變標(biāo)定干擾圖像Fig.1 Calibration of vertical pendulum tiltmeter and image interfered by calibration of body strain at Linfen Station

圖2 臨汾臺(tái)垂直擺、水平擺超量程異常圖像Fig.2 Outrange abnormal image of vertical pendulum tiltmeter and horizontal pendulum tiltmeter at Linfen Station

圖3 環(huán)境干擾異常圖像Fig.3 Abnormal image of environmental interference

2.7 震兆異常

曾有研究成果認(rèn)為形變觀測(cè)中的類(lèi)方波圖像與地震相關(guān)［3］。2005年10月8日巴基斯坦Ms7.8地震、2008年1月9日西藏改則Ms6.9地震及2008年2月20日蘇門(mén)答臘Ms7.7地震前，臨汾臺(tái)水平擺NS向觀測(cè)資料均有類(lèi)似方波型圖像出現(xiàn)，并且EW向有大幅傾斜異?；蛎}沖突跳異常相對(duì)應(yīng)（見(jiàn)圖8）。2008年5月12日汶川Ms8.0地震前，夏縣臺(tái)水位于同年2月6日突降2.60m后持續(xù)緩慢下降，直到3月21日回轉(zhuǎn)上升，當(dāng)水位恢復(fù)到原下降年變斜率水平時(shí)異常結(jié)束，水位完成下降—上升—恢復(fù)全過(guò)程后發(fā)震，此次異常超前時(shí)間為3個(gè)月［4］（見(jiàn)圖9）。這幾次震前出現(xiàn)的異常均呈現(xiàn)出較好的短期及短臨特性，4次地震的基本參數(shù)及震前異常記錄如第11頁(yè)表1所示。

3 干擾方波的資料處理

正確識(shí)別和預(yù)處理干擾引起的資料異常變化，是保證資料連續(xù)可靠的重要一環(huán)［5］。針對(duì)不同原因形成的干擾方波，在資料預(yù)處理時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的方法，主要有以下幾種：

圖4 太原臺(tái)M15儀器垂直分量觀測(cè)曲線(xiàn)Fig.4 Observation curve of vertical component of M15at Taiyuan Station

圖5 臨汾臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)異常圖像Fig.5 Abnormal image of geoelectric field observation at Linfen Station

圖6 2015年3月11日臨汾臺(tái)垂直擺觀測(cè)曲線(xiàn)Fig.6 Observation curve of vertical pendulum tiltmeter at Linfen Station on March 11，2015

圖7 同震響應(yīng)圖Fig.7 Coseismic response

表1 4次地震基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of 4earthquakes

（1）缺數(shù)處理。

對(duì)標(biāo)定、超量程、人為干擾以及觀測(cè)環(huán)境干擾形成的干擾方波，由于期間記錄到的觀測(cè)數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)，在資料預(yù)處理時(shí)應(yīng)根據(jù)中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行缺數(shù)處理，并在觀測(cè)日志中做相應(yīng)說(shuō)明。

（2）臺(tái)階處理。

對(duì)標(biāo)定造成的其他觀測(cè)項(xiàng)目同步干擾、高壓直流干擾，因該類(lèi)干擾只是因瞬時(shí)電壓或供電電流改變而形成的干擾，在資料預(yù)處理時(shí)對(duì)形成的突跳做臺(tái)階處理即可，能有效保證觀測(cè)資料的連續(xù)、完整。

（3）不處理。

對(duì)疑似震兆異常及同震響應(yīng)形成的方波圖像，在資料預(yù)處理時(shí)不能進(jìn)行處理，因該類(lèi)圖像可能會(huì)攜帶震源區(qū)及震波傳播介質(zhì)的地質(zhì)構(gòu)造信息，利于對(duì)震兆異常及震前前驅(qū)波變化特征的研究。對(duì)于自然環(huán)境及不明原因所致的方波圖像，建議不進(jìn)行處理，便于在今后的工作中進(jìn)行分析研究，但需在相應(yīng)的日志中對(duì)異常時(shí)段及干擾排除情況做詳細(xì)記錄。

4 干擾方波的避免及觀測(cè)條件保障

正常情況下，對(duì)于震兆異常方波、同震方波、高壓直流擾動(dòng)方波及標(biāo)定形成的方波是無(wú)法避免的，但對(duì)于超量程、人為擾動(dòng)方波應(yīng)積極探尋和改善觀測(cè)環(huán)境條件，以盡可能避免人為方波的出現(xiàn)。

對(duì)于超量程方波，只要時(shí)刻關(guān)注儀器工作電壓，在臨近超量程時(shí)及時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行“調(diào)零”處理，就可避免。

圖8 臨汾臺(tái)水平擺震前異常記錄圖Fig.8 Abnormal records of horizontal pendulum tiltmeter before earthquakes at Linfen Station

圖9 夏縣臺(tái)水位震前異常記錄圖Fig.9 Abnormal records of water level before earthquakes at Xiaxian Station

對(duì)于人為方波，應(yīng)從觀測(cè)條件保障入手。多年儀器運(yùn)行維護(hù)及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，要避免人為方波的出現(xiàn)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：

（1）要盡可能避免各儀器供電線(xiàn)間的相互干擾。臺(tái)站各觀測(cè)儀器主機(jī)基本都放置在同一機(jī)柜中，電源線(xiàn)、網(wǎng)線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)要整理有序，不能隨意堆放相互交叉，尤其是各儀器供電電源線(xiàn)，避免因?qū)δ骋粌x器進(jìn)行檢查而對(duì)其他儀器產(chǎn)生干擾。

（2）要保障供電電壓的穩(wěn)定。在日常觀測(cè)中，電壓不穩(wěn)定是產(chǎn)生方波干擾的原因之一，建議有條件的臺(tái)站，可為各類(lèi)儀器配備獨(dú)立的穩(wěn)壓裝置。

（3）要減少人為干擾。儀器正常工作期間，不應(yīng)進(jìn)入儀器工作室，如確需對(duì)儀器進(jìn)行檢查、調(diào)節(jié)，要提前做好準(zhǔn)備工作，避免多次往返，使觀測(cè)室溫度、氣壓產(chǎn)生大的波動(dòng)，且盡量減少在儀器工作室的停留時(shí)間。

（4）定期巡檢。對(duì)觀測(cè)線(xiàn)路、觀測(cè)環(huán)境及各儀器連接線(xiàn)路要定期巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，避免因接觸不良或儀器軟故障而產(chǎn)生方波擾動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析認(rèn)為，數(shù)字前兆觀測(cè)中的方波型圖像多數(shù)情況下為干擾或儀器軟故障所致，當(dāng)外界干擾因素消失后，記錄恢復(fù)正常。由于當(dāng)前數(shù)字化資料的應(yīng)用尚處于摸索階段，對(duì)儀器記錄到的任何異常信息在未明確起因時(shí)，均不能主觀確定為非震兆異常?？偨Y(jié)臨汾臺(tái)數(shù)字化觀測(cè)資料，當(dāng)水平擺NS向出現(xiàn)方波型異常圖像時(shí)，同時(shí)段內(nèi)EW向觀測(cè)資料均有大幅度傾變或脈沖突跳相對(duì)應(yīng)，認(rèn)為與強(qiáng)震有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且在震后短期內(nèi)會(huì)恢復(fù)正常。今后，要注重對(duì)各類(lèi)異常圖像成因的分析研究，排除干擾，找出震前信息，為地震預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

［1］牛安福.地震短期、短臨預(yù)測(cè)面臨的“最后一分鐘”［J］.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2005，314（2）：29－31.

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