湖北省水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特征

孫伶俐蔣玲霞丁文秀王 慧周 洋楊艷芳李 明鄧建剛

1）中國(guó)武漢430071中國(guó)地震局地震研究所地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2）中國(guó)武漢430071湖北省地震局

湖北省水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特征

孫伶俐1），2）蔣玲霞1），2）丁文秀1），2）王 慧2）周 洋2）楊艷芳2）李 明1），2）鄧建剛2）

1）中國(guó)武漢430071中國(guó)地震局地震研究所地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2）中國(guó)武漢430071湖北省地震局

采用2003—2015年湖北省數(shù)字化地殼形變地傾斜潮汐分鐘值資料，利用潮汐與非潮汐分析方法，對(duì)地殼形變觀測(cè)對(duì)各影響因素的響應(yīng)特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，傾斜潮汐觀測(cè)資料日均變化幅度、M2波潮汐因子均方差、長(zhǎng)周期擬合相對(duì)噪聲水平等指標(biāo)變化穩(wěn)定，均達(dá)中國(guó)優(yōu)秀臺(tái)站觀測(cè)水平，觀測(cè)資料可信度高。

水管傾斜觀測(cè)；變化特征；疑似地震異常；跟蹤分析

0 引言

地應(yīng)變、地傾斜等定點(diǎn)形變測(cè)量指標(biāo)能直接反映地殼介質(zhì)微動(dòng)態(tài)變化，捕捉地殼介質(zhì)破裂前的力學(xué)變化信息，觀測(cè)優(yōu)勢(shì)在10-6—10-10的變化量級(jí)，適用于監(jiān)測(cè)地震中短和短臨前兆。就定點(diǎn)形變中傾斜觀測(cè)而言，它是從地殼上某一特定點(diǎn)的相對(duì)位置變化可找到地球動(dòng)態(tài)變化與地震孕育、發(fā)生的關(guān)系，表現(xiàn)在觀測(cè)數(shù)據(jù)速率、方向等變化特征上。傾斜觀測(cè)提供地球固體潮汐、地殼巖石性質(zhì)及地球參數(shù)等科學(xué)數(shù)據(jù)，幫助研究人員認(rèn)清地震事件周期、應(yīng)力的變化以及相關(guān)地殼變形之間的關(guān)系（張雁濱等，2002；蔣海昆，2005；陳運(yùn)泰，2009）。

湖北省形變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)多年觀測(cè)結(jié)果表明，潮汐觀測(cè)受各種因素干擾概率較高，影響機(jī)理復(fù)雜，判定與識(shí)別比較困難。本文對(duì)2007—2015年湖北省各臺(tái)站水管傾斜儀資料的微觀、宏觀變化進(jìn)行特征分析，對(duì)干擾形態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，尋找規(guī)律，分析成因，對(duì)觀測(cè)資料內(nèi)在精度、相對(duì)噪聲水平等指標(biāo)進(jìn)行分析，探討觀測(cè)中出現(xiàn)的暫態(tài)事件、疑似地震及不明原因的異常變化，為地震分析、前兆異常識(shí)別及提高異常信度積累可靠的基礎(chǔ)資料。

1 臺(tái)站觀測(cè)條件

湖北省有8個(gè)定點(diǎn)形變類觀測(cè)臺(tái)站，分別位于武漢（九峰、獅子山）、宜昌、麻城、襄樊、黃石、黃梅和十堰（柳林溝），觀測(cè)范圍包括湖北中部、鄂西北、鄂東等具中強(qiáng)地震背景的重點(diǎn)區(qū)域，空間分布見(jiàn)圖1。湖北形變觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)手段包括地傾斜、洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變、臺(tái)站重力；配備地傾斜、應(yīng)變類觀測(cè)儀器20套，相對(duì)重力觀測(cè)儀器4套；儀器類型包括DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、VP寬頻帶垂直擺傾斜儀、CZB-1豎直擺傾斜儀、SS-Y型銦瓦棒洞體應(yīng)變儀、SS-Y型石英管洞體應(yīng)變儀、YRY-4型分量式鉆孔應(yīng)變儀、DZW型微加重力儀。十堰、宜昌、武漢、麻城、黃梅、黃石地震臺(tái)配備DSQ水管傾斜儀，技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，各臺(tái)站地質(zhì)背景、觀測(cè)條件見(jiàn)表2。

圖1　湖北省定點(diǎn)形變（水管傾斜觀測(cè)）臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of fixed crustal deformation observation stations（water tube tilt） in Hubei Province

表1　湖北省地震臺(tái)DSQ水管儀技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)Table 1 Basic parameters of DSQ instruments of water tube tiltmeter at fixed crustal deformation observations stations in Hubei Province

表2　湖北省各臺(tái)站觀測(cè)條件（2007—2014年）Table 2 Conditions of observation stations in Hubei Province（from the year 2007 to 2014）

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)變化特征

2.1 長(zhǎng)趨勢(shì)觀測(cè)曲線年度對(duì)比

湖北省各地震臺(tái)水管傾斜儀觀測(cè)環(huán)境良好，洞室溫度變化穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)多年平穩(wěn)運(yùn)行，地傾斜觀測(cè)固體潮曲線年變清晰、光滑，具有明顯季節(jié)特征，呈現(xiàn)明顯的年變拐點(diǎn)，一般為每年的2—4月和9—11月（蔣玲霞等，2015）。從DSQ水管傾斜儀年變趨勢(shì)對(duì)比觀測(cè)曲線（圖2）可知，長(zhǎng)趨勢(shì)觀測(cè)數(shù)據(jù)具有以下特征：①長(zhǎng)周期年變規(guī)律背景上疊加較明顯的季節(jié)性變化。以年為周期重復(fù)出現(xiàn)某種成分的波動(dòng)，如麻城、宜昌、十堰臺(tái)觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高、觀測(cè)資料穩(wěn)定；②無(wú)明顯變化規(guī)律、不含固定周期波動(dòng)成分。該類曲線有的表現(xiàn)為單調(diào)上升或下降，如宜昌臺(tái)DSQ水管儀NS分量；有的表現(xiàn)為無(wú)規(guī)律波動(dòng)，如武漢、黃石臺(tái)，存在不穩(wěn)定的趨勢(shì)變化，易受降雨影響，因覆蓋層薄、儀器墩基自身不穩(wěn)定等原因引起。

圖2　DSQ水管傾斜儀觀測(cè)曲線年變趨勢(shì)對(duì)比（a）麻城臺(tái)；（b）十堰臺(tái)；（c）宜昌臺(tái)；（d）獅子山臺(tái)Fig.2 Annual variation curve of some water tube tilt observation instruments

2.2 潮汐觀測(cè)背景變化特征

2007—2014年湖北省形變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)質(zhì)量較高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，傾斜類觀測(cè)數(shù)據(jù)日均變化幅度約（1.5—4.0）×10-3″/天，M2波潮汐因子γ值年均水平為0.604 9×10-3″，γ值均方差年均水平為4.86‰、長(zhǎng)周期擬合相對(duì)噪聲水平3.938×10-3″。由湖北地傾斜觀測(cè)長(zhǎng)周期噪聲水平與斷層距離對(duì)比圖（圖3）可見(jiàn)，噪聲水平與斷層距離相關(guān)性保持正比，斷層距離每增加1 m，噪聲水平約提高0.093 7×10-3″。從表3、表4可知，湖北省形變傾斜類觀測(cè)質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)國(guó)內(nèi)優(yōu)秀臺(tái)站觀測(cè)水平。

圖3　長(zhǎng)周期噪聲水平與斷層距離擬合對(duì)比Fig.3 Contrast and fitting results of the fault distance and ground noise level for a long period of time

表4　湖北省DSQ水管儀M2波潮汐因子均方差、長(zhǎng)周期擬合相對(duì)噪聲水平M1Table 4 Quality results of annual average of tidal factor of M2and M1of water tube tilt observation stations

表5　湖北省與其他地震臺(tái)DSQ水管儀觀測(cè)質(zhì)量對(duì)比Table 5 Index comparison of DSQ water meter tilt instruments in Hubei Province and other similar stations

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化量級(jí)

參考2014年湖北形變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)水管傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)典型變化，發(fā)現(xiàn)主要影響因素包括觀測(cè)系統(tǒng)故障、自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境等，分別占全年數(shù)據(jù)變化的23.37%、20.78%和9.09%。各類影響因素的影響形態(tài)與量級(jí)各不相同，統(tǒng)計(jì)2014年至2015年6月數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化量級(jí)，見(jiàn)表5。由表5可知，水管傾斜儀受到干擾影響后，觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生微動(dòng)態(tài)（短時(shí)期）和長(zhǎng)趨勢(shì)（中長(zhǎng)期）變化，主要表現(xiàn)形態(tài)為：①階躍、突跳；②固體潮畸變；③噪聲增大（高頻擾動(dòng)）；④錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、缺數(shù)；⑤趨勢(shì)性變化。

表6　湖北省水管儀數(shù)據(jù)變化形態(tài)及量級(jí)統(tǒng)計(jì)（2014年1月—2015年6月）Table 6 Statistics of form and magnitude change of water tube tilt meter in Hubei Province（2014-01—2015-06）

2.4 觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化典型圖例

（1）觀測(cè)系統(tǒng)影響。以麻城、十堰、黃梅等地震臺(tái)為例，受傳感器、供電系統(tǒng)、數(shù)采故障及水管換水等原因影響，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)固體潮畸變、突跳、噪聲增大等變化（圖4）。

圖4　水管儀觀測(cè)曲線受觀測(cè)系統(tǒng)故障影響典型變化（a）2015年6月麻城臺(tái)原始數(shù)據(jù)分值；（b）2015年6月18日—7月3日十堰柳林溝臺(tái)原始數(shù)據(jù)分值；（c）2014年7月23日—24日黃梅臺(tái)分值；（d）2014年7月20日獅子山臺(tái)分值Fig.4 Typical change curves affected by observation system of water tube tilt observation of all stations

（2）自然環(huán)境影響。受自然環(huán)境影響，湖北省各地震臺(tái)傾斜變化幅度和持續(xù)時(shí)間與干擾因素強(qiáng)度、時(shí)間有關(guān)（孫伶俐等，2014）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年湖北省水管傾斜觀測(cè)受降雨、雷電影響占自然環(huán)境類80%，觀測(cè)數(shù)據(jù)變幅超出日變1.5—13.6倍。

雷電干擾使觀測(cè)曲線出現(xiàn)固體潮畸變、突跳現(xiàn)象（圖5）；降雨與外界環(huán)境和初始條件有關(guān)，影響復(fù)雜（陳德福等，1993；王梅等，2003；馬棟等，2011），會(huì)引起觀測(cè)曲線的明顯變化，具有突發(fā)性，隨降雨停止而減弱、終止，且受降雨量大小、降雨方式、降雨前包氣帶含水量等因素共同作用影響（圖5）。

圖5　水管儀觀測(cè)曲線受自然環(huán)境影響典型變化（a） 2015年4月1日—15日黃石臺(tái)受降雨干擾；（b） 2014年9月2日黃梅臺(tái)受雷電干擾Fig.5 Typical change curves affected by natural environment influence of water tube tilt meter observation

另外，受臺(tái)風(fēng)影響，水管儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線發(fā)生高頻抖動(dòng)，背景噪聲大。呂品姬等（2011）、張燕等（2011）利用超寬頻帶地震儀觀測(cè)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)受臺(tái)風(fēng)與地震影響明顯，且影響頻段不同。

（3）場(chǎng)地環(huán)境影響。以宜昌臺(tái)水管傾斜儀為例，2014年5—6月受距離臺(tái)站200—500 m的森林公園施工影響，觀測(cè)曲線形態(tài)出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，經(jīng)一階差分、移動(dòng)斜率等方法處理，發(fā)現(xiàn)噪聲水平明顯增大，變幅超出日變1.1—5.2倍（圖6）。

2.5 疑似震前異常

2.5.1 秭歸縣屈原鎮(zhèn)4.6級(jí)地震前宜昌臺(tái)水管儀觀測(cè)曲線出現(xiàn)階躍下降現(xiàn)象。2008年11月22日16時(shí)01分宜昌秭歸屈原鎮(zhèn)發(fā)生4.6級(jí)地震，地震前約4小時(shí)，距震中56 km的宜昌臺(tái)水管儀N、S單端值于當(dāng)日12時(shí)40分同時(shí)下降，下降量為23×10-3″和10×10-3″，NS分量階躍量達(dá)-10×10-3″（圖7）。

調(diào)查排除觀測(cè)系統(tǒng)故障等原因，且此時(shí)段內(nèi)無(wú)環(huán)境變化與人為干擾。水管儀NS分量數(shù)據(jù)畸變與宜都、興山臺(tái)地震波形記錄振動(dòng)時(shí)間一致，表明該時(shí)段水管儀觀測(cè)記錄真實(shí)，確實(shí)存在地振動(dòng)現(xiàn)象。分析認(rèn)為，宜昌臺(tái)水管儀NS分量下降階躍現(xiàn)象與臺(tái)站南端仙女山、天陽(yáng)坪斷裂活動(dòng)有關(guān)。

圖7　2008年秭歸4.6級(jí)地震前后宜昌臺(tái)形變觀測(cè)曲線（a）水管儀；（b）伸縮儀Fig.7 Deformation observation curves of Yichang Seismic Station before and after Zigui M 4.6 earthquake，2008

2.5.2 水庫(kù)地區(qū)地震前宜昌臺(tái)水管儀潮汐相位滯后、日變速率表現(xiàn)異常。以2001年秭歸4.1級(jí)、2008年秭歸4.6級(jí)、2013年巴東5.2級(jí)地震為例，發(fā)現(xiàn)宜昌臺(tái)水管傾斜觀測(cè)潮汐因子值在2次地震前變化較為穩(wěn)定（圖8），但潮汐相位滯后具有下降后緩慢抬升的發(fā)震特征；潮汐日變速率具有較明顯差異，NS、EW分量出現(xiàn)明顯負(fù)向差異變化（圖9）。

圖9　三峽水庫(kù)地區(qū)地震前宜昌臺(tái)水管傾斜觀測(cè)參數(shù)指標(biāo)對(duì)比Fig.9 Contrast of parameter of titl meter observation of Yichang Seismic Station before the earthquake at the three gorges reservoir area

2.5.3 汶川8.0級(jí)地震前十堰臺(tái)水管儀非潮汐特征加卸載響應(yīng)比值表現(xiàn)異常。2008年5月12日四川汶川發(fā)生M 8.0地震，十堰臺(tái)距震中500 km以上，是湖北省西北部距發(fā)震地點(diǎn)最近的形變臺(tái)站。地震發(fā)生后，利用調(diào)和分析、Nakai檢驗(yàn)、去潮汐及潮汐分析、加卸載響應(yīng)比等方法（蔣駿等，2002；陸遠(yuǎn)忠等，2002），對(duì)2008—2009年該臺(tái)水管儀整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常篩查發(fā)現(xiàn)：①NS分量加載響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果顯示異常，在地震發(fā)生前2個(gè)月呈現(xiàn)系統(tǒng)偏離現(xiàn)象，且波動(dòng)頻度與強(qiáng)度均較大，臨震前期急劇下降，震后2—4月緩慢恢復(fù)；②潮汐因子震前未見(jiàn)明顯異常。十堰臺(tái)水管傾斜儀非潮汐特征加卸載響應(yīng)比值變化曲線見(jiàn)圖10。

圖10　2008年2月—2009年12月十堰臺(tái)水管儀非潮汐加卸載響應(yīng)比Fig.10 Load/unload response ratio on removing tide of tube tilt meter at Shiyang Seismic Station

2.5.4 江西九江—瑞昌5.7級(jí)地震和汶川8.0級(jí)前麻城臺(tái)水管儀潮汐因子出現(xiàn)偏離。2005年11月26日江西九江—瑞昌5.7級(jí)地震和2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)地震前，麻城臺(tái)水管儀潮汐因子γ值出現(xiàn)異常變化（鄧建剛等，2009）。

（1）九江—瑞昌地震發(fā)生前4—6個(gè)月，距震中180 km的麻城臺(tái)水管儀傾斜潮汐因子γ值曲線出現(xiàn)明顯系統(tǒng)偏離現(xiàn)象，異常特征表現(xiàn)為偏離值持續(xù)下降（圖11）。EW、NS分量偏離值分別達(dá)21%、34%，與1996年2月3日云南麗江7.0級(jí)地震前永勝臺(tái)（震中距76 km）γ值異常類似。

圖11　九江—瑞昌5.7級(jí)地震前后麻城臺(tái)水管傾斜儀γ值異常變化Fig.11 Anomalous change of tidal factor observed with the water tube tilt meter at Macheng Seismic Station before and after Jiujiang-Ruichang MS5.7 earthquake

（2）2008年汶川發(fā)生M 8.0地震，水管傾斜儀（距震中1 000 km）NS分量在發(fā)震前2個(gè)月出現(xiàn)異常，同年3月開始偏離正常值變小，至5月γ值曲線開始回升過(guò)程中發(fā)生汶川地震。麻城臺(tái)水管傾斜儀在汶川8.0級(jí)地震前后的γ值異常變化曲線見(jiàn)圖12。

圖12　汶川8.0級(jí)地震前后麻城臺(tái)水管傾斜儀γ值變化Fig.12 Anomalous change of tidal factor observed with the water tube tilt meter at Macheng Seismic Station before and after Wenchuan MS8.0 earthquake

2.6 目前持續(xù)異常

麻城水管傾斜儀NS分量觀測(cè)曲線于2015年6月5日開始出現(xiàn)加速上升變化和反向破年變轉(zhuǎn)折異常，現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后發(fā)現(xiàn)缽體、標(biāo)定器、水管各處接頭未發(fā)現(xiàn)漏水或溢水現(xiàn)象。截至2015年7月7日，N、S單端曲線持續(xù)加速下降，N端下降630.5 mV，S端下降1 115.0 mV，高差數(shù)據(jù)為正向北傾170×10-3″，上升幅度大，異?，F(xiàn)象明顯（圖13）。

圖13　2015年5月1日—7月7日麻城臺(tái)水管儀觀測(cè)曲線轉(zhuǎn)折變化趨勢(shì)Fig.13 Anomalous change of observation curve trend of water tube tilt meter at Macheng Seismic Station in the year 2015

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)工作后確定，麻城臺(tái)水管傾斜儀NS分量2015年6月開始出現(xiàn)破年變加速北傾的上升變化與觀測(cè)系統(tǒng)、自然環(huán)境與場(chǎng)地環(huán)境影響關(guān)系不大，綜合分析認(rèn)為，麻城臺(tái)水管異常情況可能是受鄂豫皖、郯廬斷裂帶南段區(qū)域應(yīng)力影響導(dǎo)致。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2003—2015年度湖北省定點(diǎn)形變水管傾斜觀測(cè)資料對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

（1）湖北省各地震臺(tái)水管傾斜儀長(zhǎng)趨勢(shì)固體潮曲線具有以下年變特征：①長(zhǎng)周期年變規(guī)律背景上疊加較明顯的季節(jié)性變化；②無(wú)明顯變化規(guī)律、不含固定周期波動(dòng)成分。

（2）水管傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)背景變化穩(wěn)定，各指標(biāo)均達(dá)國(guó)內(nèi)優(yōu)秀地震臺(tái)站觀測(cè)水平。

（3）水管傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)典型變化主要影響因素包括觀測(cè)系統(tǒng)故障、自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、人為干擾等。

（4）湖北省水管傾斜儀觀測(cè)出現(xiàn)疑似地震異常事件。如：宜昌臺(tái)水管儀在汶川8.0級(jí)地震和區(qū)域近震前，出現(xiàn)數(shù)據(jù)暫態(tài)短時(shí)階躍、潮汐相位滯后差異性異常變化；麻城臺(tái)水管儀潮汐因子在江西九江—瑞昌5.7級(jí)和汶川8.0級(jí)地震前出現(xiàn)偏離。

（5）麻城臺(tái)水管傾斜儀NS分量2015年6月開始出現(xiàn)破年變加速北傾上升變化，與觀測(cè)系統(tǒng)、自然環(huán)境與場(chǎng)地環(huán)境影響關(guān)系不大，區(qū)域地震前兆異常信度較高。

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Abstract

Tilt tidal data with minute sampling in Hubei Province from the year 2003 to 2015 are applied to analyze the response rule of the crustal deformation by factor variations.Tidal and no-tidal analysis methods are used to obtain the variation rule with different frequencies.Research results show that changes of tilt tidal observation data for many years are relatively stable.The daily average change，mean square error of M2tidal wave factor and noise level of long period have achieved the same advanced level with the other excellent stations.The results have shown that typical changes of water tube tilt meter observation data were mainly influenced by the observing system，natural environment and site environmental factors.

Analysis of change characteristics of deformation observation on water tube tiltmeters in Hubei Province

Sun Lingli1），2），Jiang Lingxia1），2），Ding Wenxiu1），2），Wang Hui2），Zhou Yang2），Yang Yanfang2），Li Ming1），2）and Deng Jiangang2）
1） Key Laboratory of Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China
2） Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071，China

water tube tilt observation，change characteristics，suspected earthquake anomalies，tracking analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.018

孫伶俐（1977-11—），女，碩士，工程師，2006年6月畢業(yè)于武漢理工大學(xué)環(huán)境工程，從事地殼形變觀測(cè)技術(shù)、地震預(yù)測(cè)研究工作。E-mail： sunll777@sina.com

2015年中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金（IS201546227）、2015年中國(guó)地震局三結(jié)合課題（1804-09）、中國(guó)地震局前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析2015年定向工作任務(wù)（201522004041804-11）聯(lián)合資助