易縣地震臺形變資料的一致性及差異性分析

趙慧琴，張 肖

(河北省地震局保定中心地震臺，河北 保定 071000)

易縣地震臺形變資料的一致性及差異性分析

趙慧琴，張 肖

(河北省地震局保定中心地震臺，河北 保定 071000)

文章選取易縣地震臺DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、SS-Y型伸縮儀、TJ-2型體積應變儀多年的觀測資料，采用形態(tài)對比法及Venedikov調(diào)和分析法討論潮汐因子、相位滯后等參數(shù)，對統(tǒng)計結(jié)果進行一致性和差異性分析。結(jié)果表明，同一觀測環(huán)境下，不同儀器相同物理量觀測不一致，同物理量觀測的潮汐因子幅度、精度不一致。

潮汐因子；形態(tài)對比；差分分析；Venedikov調(diào)和分析

0 引言

地傾斜觀測是地震前兆觀測中的重要項目，其震兆異常已為多個地震驗證。地傾斜觀測項目中，VS型垂直擺傾斜儀的基線長度為40 cm，其高靈敏的傳感器技術實現(xiàn)了觀測固體潮的要求；DSQ型水管儀基線長度在10 m至數(shù)十米之間，長基線和良好的工作環(huán)境使其實現(xiàn)了高精度固體潮觀測；SS-Y型短基線伸縮儀選用含鈮特種因瓦棒(Nb-Invar)為基線，膨脹系數(shù)比石英小，性能穩(wěn)定，儀器精度的分辨率優(yōu)于10-9；TJ-2鉆孔體應變儀器為數(shù)字化記錄儀，靈敏度優(yōu)于10-9[1]。

VS型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管儀與SS-Y型伸縮儀、TJ-2鉆孔體應變儀均屬相同物理量的地傾斜觀測儀與地應變觀測儀。在同一觀測環(huán)境下，具有相同物理量的不同儀器所得觀測資料的相關性，將極大提高形變觀測資料的使用效果。我國開展地震前兆觀測30多年以來，積累了大量的觀測數(shù)據(jù)，但在同一觀測環(huán)境下，不同儀器相同物理量觀測的年變形態(tài)、日變幅變化是否一致，閉合觀測是否閉合等情況，仍是困惑地震預報的一個問題[2]。

文章選取易縣地震臺(以下簡稱易縣臺)DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、SS-Y型伸縮儀、TJ-2型體積應變儀多年的觀測資料，采用形態(tài)對比法(原始月均值和差分分析)和Venedikov調(diào)和分析法討論潮汐因子、相位滯后等參數(shù)，對不同儀器具有相同物理量的觀測資料進行一致性和差異性分析。

1 臺站概述

易縣臺建于20世紀70年代，位于河北省保定市易縣西陵鎮(zhèn)龍里華村，清西陵以南，隸屬河北省地震局。地處太行山北段低山丘陵地區(qū)，紫荊關斷裂帶東側(cè)，屬太行山隆起帶與華北平原拗陷區(qū)的分界部位。

易縣臺形變觀測手段有YRY四分量鉆孔應變觀測、TJ-2鉆孔體應變觀測、SS-Y型伸縮儀觀測、DSQ型水管傾斜儀觀測、VS型垂直擺傾斜儀觀測、跨斷層短水準測量等。形變觀測山洞進深200 m，洞體覆蓋厚度大于40 m，洞體巖石為震旦系沉積巖。山洞年溫度變化幅度小于0.5 ℃，日變幅度小于0.03 ℃，山洞周圍無明顯干擾因素。易縣臺TJ-2鉆孔體應變觀測儀于2001年3月20日安裝運行，鉆孔深70.30 m，鉆孔巖性分3個層位：0～2 m為第四系黃土；2～9 m為震旦系沉積頁巖；9～70.30 m為中生代侵入閃長巖[3]。

易縣臺形變觀測資料連續(xù)率、可信度較高，數(shù)據(jù)內(nèi)精度和連續(xù)率均達到重點形變綜合臺的精度要求，符合形變觀測規(guī)范。

2 形態(tài)對比分析

文章對易縣臺傾斜、應變資料做出整理，并對其進行基本的形態(tài)對比。其中，水管儀與垂直擺NS向選取2008年1月至2010年9月、2011年9月至2014年6月的觀測數(shù)據(jù)，2010年10月至2011年7月，臺站儀器因雷擊出現(xiàn)前置放大器等故障，產(chǎn)出錯誤數(shù)據(jù)，所以未選用該時段的數(shù)據(jù)(見第18頁圖1)；EW向選取2011年12月至2014年9月的觀測數(shù)據(jù)(見第18頁圖2)。伸縮儀與體應變選用2008年1月至2010年4月、2012年10月至2014年9月的數(shù)據(jù)資料(見第18頁圖3)。

2.1 月均值曲線圖

(1) 水管儀與垂直擺NS向?qū)Ρ惹€。

圖1 水管儀與垂直擺NS向?qū)Ρ惹€Fig.1 Data of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in NS direction

(2) 水管儀與垂直擺EW向?qū)Ρ惹€。

圖2 水管儀與垂直擺EW向?qū)Ρ惹€Fig.2 Data of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in EW direction

(3) 伸縮儀與體應變的對比曲線。

圖3 伸縮儀與體應變的對比曲線Fig.3 Data of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in EW direction

2.2 差分分析

第19頁圖4所示為2008年1月至2010年9月、2011年9月至2014年6月水管儀與垂直擺NS向差分曲線；第19頁圖5為2011年12月至2014年9月水管儀與垂直擺EW向差分曲線；第20頁圖6為2012年10月至2014年9月伸縮儀與體應變的差分曲線。

2.3 形態(tài)對比分析結(jié)論

直觀上看，水管儀與垂直擺、伸縮儀與體應變的月均值曲線圖、差分分析曲線圖不相關，存在變化形態(tài)不一致現(xiàn)象。這與王長江等[3]提到的在同一觀測環(huán)境下，不同儀器同物理量觀測不一致的結(jié)論相同。

圖4 水管儀與垂直擺NS向差分曲線Fig.4 The differential curve of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in NS direction

圖5 水管儀與垂直擺EW向差分曲線Fig.5 The differential curve of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in EW direction

3 Venedikov調(diào)和分析

地傾斜觀測固體潮潮汐因子理論上應為0.666 7左右。而實際觀測中，儀器數(shù)值存在偏差。

為更直觀地對易縣臺地傾斜觀測資料進行一致性的相關分析，繪制水管儀與垂直擺潮汐因子和相對誤差的同軸對比曲線(見第20頁圖7～圖10)。

由圖7、圖8可以看出，在易縣臺地傾斜儀器的實際觀測中，垂直擺與水管儀NS向的潮汐因子較接近理論潮汐因子，但垂直擺EW向潮汐因子偏大，水管儀EW向潮汐因子略偏小，反映了垂直擺EW向的格值比真值偏大，水管儀EW向的格值比真值略偏小[4]。由圖9、圖10可知，易縣臺垂直擺與水管儀的潮汐因子相對誤差基本一致(除個別突跳點外)，但水管儀的基線長度比垂直擺大兩個數(shù)量級，其基線長度的優(yōu)勢沒有得到發(fā)揮[5]。

圖6 伸縮儀與體應變的差分曲線Fig.6 The differential curve of extensometer and strain meter

圖7 垂直擺與水管儀NS向潮汐因子對比曲線Fig.7 The tidal factor comparison curve of vertical pendulum tiltmeter and water tube tiltmeter in NS direction

圖8 垂直擺與水管儀EW向潮汐因子對比曲線Fig.8 The tidal factor comparison curve of vertical pendulum tiltmeter and water tube tiltmeter in EW direction

圖10 垂直擺與水管儀EW向潮汐因子相對誤差對比曲線Fig.10 The tidal factor relative error comparison curve of vertical pendulum tiltmeter and water tube tiltmeter in EW direction

綜上所述，易縣臺地傾斜觀測手段，同物理量觀測的潮汐因子幅度不一致，潮汐因子的精度不一致。其原因可能有以下幾方面：

(1) 儀器自身存在缺陷。少數(shù)儀器在出廠時存在線性和非線性漂移，又可能與儀器山洞內(nèi)的防潮設施不到位有關。在山洞內(nèi)長期運行，使地盤儀器老化，造成數(shù)據(jù)隨機漂移。為避免上述問題，臺站應對儀器進行嚴格的防潮密封，通過改造，觀察能否減小儀器的漂移[6]。

(2) 儀器生產(chǎn)工藝缺陷。儀器出廠到使用的周期有限，缺少老化程序，材料的變化程度未得到充分釋放，造成儀器出現(xiàn)隨機漂移。

(3) 耦合問題。“四耦合”是指傳感器與儀器地盤的耦合、儀器地盤與儀器地腳墊塊的耦合、儀器地腳墊塊與儀器墩的耦合、儀器墩與地殼的耦合[7]。其中，儀器墩與地殼的耦合隨著觀測山洞使用時間的增長逐漸穩(wěn)定；傳感器與儀器地盤的耦合、儀器地盤與儀器地腳墊塊的耦合、儀器地腳墊塊與儀器墩的耦合，會隨山洞觀測儀器使用時間的增長氧化生銹，出現(xiàn)隨機變化和長期漂移。易縣臺水管儀與垂直傾斜儀至2014年已投入觀測13年，長時間的使用使其出現(xiàn)數(shù)據(jù)的隨機變化和長期漂移，導致相同物理量觀測結(jié)果不一致的情況出現(xiàn)。

4 結(jié)論與討論

對易縣臺水管儀、垂直擺、伸縮儀和體應變的觀測資料通過形態(tài)對比法(日均值和差分法)和調(diào)和分析法進行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 直觀上看，水管儀與垂直擺、伸縮儀與體應變的月均值曲線圖、差分分析曲線圖不存在相關性，即兩組曲線不相關，存在變化形態(tài)不一致現(xiàn)象。與王長江等[3]得出的，在同一觀測環(huán)境下，不同儀器同物理量觀測不一致的結(jié)論相同。

(2) 對于易縣臺地傾斜觀測手段，同物理量觀測的潮汐因子幅度不一致、精度不一致。其原因可能與儀器自身設計、生產(chǎn)工藝缺陷、耦合問題及工作人員業(yè)務技能等有關，有待今后的進一步探索與完善。

[1] 蘇愷之，張 鈞，李秀環(huán)，等.鉆孔環(huán)境在鉆孔地形變觀測中的作用[J].地震地磁觀測與研究，2005，26(6)：46-55.

[2] 趙慧琴，李俊良，張 肖，等.唐山4.8級地震前易縣臺地應變異常特征[J].地震地磁觀測與研究，2015,36(6)：73-79.

[3] 王長江，康有明，宋曉冰，等.困惑地震預報的一個問題——對于同物理量觀測不一致問題的討論[J].地震地磁觀測與研究，2005，26(6):62-67.

[4] 張紅秀.山西臨汾中心地震臺地傾斜震前異常變化特征[J].山西地震，2004,118(3):19-21.

[5] 朱 航.地下水位與應變的相關性分析[J].內(nèi)陸地震，2001，15(3)：247-251.

[6] 蘇愷之，李海亮，張 鈞，等.鉆孔地應變觀測新進展[M].北京：地震出版社,2003.

[7] 李占錄，蘇樹朋，支樹明，等.昆侖山口西8.1級地震易縣臺潮汐形變圖像淺析[J].大地測量與地球動力學,2004,24(4):82-84.

The Consistency and Difference Analysis of Crustal DeformationData in Yixian Seismic Station

ZHAO Hui-qin, ZHANG Xiao

(Baoding Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei province, Baoding, Hebei 071000, China)

In this paper, years of observation data of DSQ water tube tiltmeter, VS vertical pendulum tiltmeter, SS-Y extensometer and TJ-2 strain meter in Yixian Seismic station are selected. The tidal factor, phase lag and other parameters are researched by using morphological comparison method and Venedikov harmonic analysis method. Then, consistency and difference analysis is carried out on the statistical results. The results show that, in the same observation environment, the same physical quantity observation of different instruments are inconsistent, and the tidal factor amplitude and accuracy of the same physical quantity observation are also inconsistent.

Tidal factor; Morphological comparison; Differential cryptanalysis; Venedikov harmonic analysis

1000-6265(2017)01-0017-05

2016-06-02

河北省地震局三結(jié)合課題(2015-10-31-06)。

趙慧琴(1982— )，女，河北省張家口人。2010年畢業(yè)于河北大學，碩士研究生，工程師。

P315.73

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