牡丹江形變觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量分析

劉彥彬，秦麗巖，趙建通，馬龍辰，劉長(zhǎng)生（.加格達(dá)奇地震臺(tái)，黑龍江 加格達(dá)奇 6500；.哈爾濱市防震減災(zāi)中心，黑龍江 哈爾濱 500；.牡丹江地震臺(tái)，黑龍江 牡丹江 57009；.黑龍江省地震分析預(yù)報(bào)與火山研究中心，黑龍江 哈爾濱 50090）

牡丹江形變觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量分析

劉彥彬1，秦麗巖2，趙建通3，馬龍辰4，劉長(zhǎng)生4
（1.加格達(dá)奇地震臺(tái)，黑龍江 加格達(dá)奇 165100；2.哈爾濱市防震減災(zāi)中心，黑龍江 哈爾濱 150021；3.牡丹江地震臺(tái)，黑龍江 牡丹江 157009；4.黑龍江省地震分析預(yù)報(bào)與火山研究中心，黑龍江 哈爾濱 150090）

對(duì)牡丹江地震臺(tái)VS垂直擺和硐體應(yīng)變2009—2015年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括儀器連續(xù)性、固體潮效應(yīng)、調(diào)和分析、同震效應(yīng)及干擾分析等。結(jié)果表明，牡丹江地震臺(tái)VS垂直擺儀器運(yùn)行正常且對(duì)地震及外界因素反應(yīng)靈敏，硐體應(yīng)變對(duì)近震幾乎無(wú)同震效應(yīng)，對(duì)外界因素反應(yīng)靈敏。

VS垂直擺；硐體應(yīng)變；分析處理；同震效應(yīng)；牡丹江地震臺(tái)

0 引言

VS型垂直擺傾斜儀為我國(guó)自行研制的一種高精度傾斜儀，是研究固體潮和地震前兆的一種重要手段。該儀器體積小，精度高，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，可進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)，具有模擬輸出接電子電位差計(jì)和模擬連續(xù)直流±2V輸出供數(shù)字化數(shù)據(jù)采集器采集的雙重功能，它能精確地測(cè)量出地面傾斜的微小變化，是研究固體潮地震前兆的一種重要手段。

硐體應(yīng)變儀是精密測(cè)量地殼巖體兩點(diǎn)間水平距離相對(duì)變化的儀器，適用于觀測(cè)地殼應(yīng)變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，為研究地震孕育過(guò)程中水平應(yīng)變變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)，也為地球彈性研究提供重要數(shù)據(jù)。

本文通過(guò)對(duì)牡丹江垂直擺傾斜儀和硐體應(yīng)變儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)其觀測(cè)的內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而為分析觀測(cè)資料的異常變化的是否可靠提供依據(jù)。

1 臺(tái)站概況

牡丹江地震臺(tái)地處牡丹江市八達(dá)溝[1]，始建于1971年，屬?lài)?guó)家基本臺(tái)，形變觀測(cè)場(chǎng)地位于黑龍江亞板塊的次一級(jí)構(gòu)造長(zhǎng)白塊體之北部，敦密斷裂與牡丹江斷裂交匯處，是俯沖帶動(dòng)力學(xué)及深震的觀測(cè)與研究理想的地理與構(gòu)造位置。臺(tái)基選在完整的大面積出露的元古代混合花崗巖（γ2）之上，巖石質(zhì)堅(jiān)、致密、基本無(wú)風(fēng)化、節(jié)理不太發(fā)育、整體性好（圖1）。

圖1 牡丹江地震臺(tái)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 The geological and structural map of Mudanjiang Seismic Station

牡丹江地震臺(tái)現(xiàn)有形變觀測(cè)手段包括：長(zhǎng)水管傾斜儀、硐體應(yīng)變儀、體積式應(yīng)變儀、重力、垂直擺傾斜儀（表1）[2]。在“十五”的初期已經(jīng)在測(cè)震山洞的旁邊購(gòu)買(mǎi)了一個(gè)山洞，該山洞山體頂部地形較平緩、對(duì)稱(chēng)，有植被覆蓋，是較理想的形變山洞。形變觀測(cè)選在該山洞支洞（未被覆），距洞口≥28m，山體覆蓋厚度≥30m。該山洞進(jìn)深74.8m，覆蓋厚度≥30m。從山洞入口至42m處進(jìn)行了被覆，洞內(nèi)地面平坦。42m往里沒(méi)有被覆。山洞內(nèi)年溫度7.5℃左右，濕度為80%左右（圖2）。

表1 牡丹江地震臺(tái)形變觀測(cè)儀器設(shè)備

圖2 牡丹江山洞示意圖Fig.2 The cave schematic of Mudanjiang Seismic Station

2 觀測(cè)質(zhì)量分析

2.1 資料的連續(xù)性

觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)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[3]，應(yīng)用原始觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)統(tǒng)計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率。計(jì)算公式如下：

應(yīng)用公式（1），計(jì)算了2009—2015年牡丹江硐體應(yīng)變和垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 牡丹江硐體應(yīng)變連續(xù)率統(tǒng)計(jì)表

表3 牡丹江垂直擺連續(xù)率統(tǒng)計(jì)表

由于2012年4月30日伸縮儀遭雷擊損壞，數(shù)采返廠維修，造成斷記。5月2日省局備用數(shù)采送到臺(tái)站，數(shù)據(jù)恢復(fù)。6月25日，伸縮儀無(wú)法標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)步進(jìn)電機(jī)不動(dòng)，經(jīng)多次測(cè)量主機(jī)端口針腳輸出電壓為幾個(gè)毫伏，近乎為零，主機(jī)標(biāo)定器電路板在雷擊中損壞。5—8月期間伸縮儀數(shù)據(jù)不正常，期間多次更換前置盒，對(duì)儀器標(biāo)定調(diào)試。2015年5月25日23時(shí)雷擊導(dǎo)致伸縮儀損壞，6月無(wú)法標(biāo)定。6—12月儀器故障，一直在斷斷續(xù)續(xù)的維修中，多次更換主機(jī)數(shù)采，造成數(shù)據(jù)不連續(xù)。

2.2 固體潮效應(yīng)

伸縮儀、垂直擺傾斜儀觀測(cè)到的信號(hào)是多成分的，當(dāng)觀測(cè)環(huán)境較好、儀器工作也良好時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要成分是固體潮，因此儀器記錄到固體潮的質(zhì)量可以很好的反應(yīng)儀器的工作狀態(tài)是否正常。以牡丹江臺(tái)形變固體潮理論值作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，選取觀測(cè)數(shù)據(jù)完整的大小潮時(shí)段的垂直擺傾斜儀與硐體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)，與理論固體潮做對(duì)比分析（圖3、4）。

圖3 牡丹江垂直擺傾斜儀理論固體潮與實(shí)際觀測(cè)同軸曲線圖Fig.3 Centered curves of theoretical earth tide and the actual observation of the VS vertical pendulum tiltmeter

圖4 牡丹江硐體應(yīng)變儀理論固體潮與實(shí)際觀測(cè)同軸曲線圖Fig.4 Tidal theory and the actual observation coaxial diagram of SSY-extensometer

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，牡丹江垂直擺傾斜儀能清晰的記錄到傾斜固體潮，北南向固體潮漂移較大，東西向固體潮跟理論值較一致。硐體應(yīng)變儀能清晰的記錄到應(yīng)變固體潮，北南向固體潮優(yōu)于東西向固體潮。

2.3 調(diào)和分析

儀器記錄到的數(shù)據(jù)是來(lái)自地球內(nèi)部、外部以及儀器本身漂移的總和，其中地球內(nèi)部信息是由于天體對(duì)地球的作用力引起的地形變，即潮汐變化以及周?chē)鷺?gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。外部影響即大氣壓、地溫（熱形變）、降雨、地表負(fù)荷等；儀器本身也會(huì)有規(guī)則和不規(guī)則的漂移。諸多因素中唯有地球潮汐變化部分是可計(jì)算的。國(guó)內(nèi)外常用固體潮內(nèi)符合精度來(lái)評(píng)價(jià)儀器的內(nèi)在質(zhì)量（陳德福，1995）。應(yīng)用陸遠(yuǎn)忠等（2005）基于GIS的地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)Mapsis軟件，使用維尼狄可夫（Venedikov）調(diào)和分析方法對(duì)正常時(shí)段牡丹江垂直擺和硐體應(yīng)變整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析計(jì)算，結(jié)果如表4、5所示。

表4 牡丹江垂直擺調(diào)和分析結(jié)果

表5 牡丹江硐體應(yīng)變調(diào)和分析結(jié)果

2.4 同震效應(yīng)

對(duì)牡丹江垂直擺和硐體應(yīng)變2009年至今的分鐘值曲線圖進(jìn)行了分析，落實(shí)了觀測(cè)至今的地震（據(jù)中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)地震目錄），初步統(tǒng)計(jì)了不同震中距時(shí)，垂直擺和硐體應(yīng)變記錄地震波動(dòng)能力的震級(jí)下限，如表6、7所示。該跟近震強(qiáng)度有關(guān)，但對(duì)于遠(yuǎn)震有很好的同震響應(yīng)，圖9給出了洞體應(yīng)變記錄到的2016年01月30日11時(shí)25分勘察加半島M 7.0級(jí)地震的同震效應(yīng)。

表6 牡丹江垂直擺記錄地震波動(dòng)能力

表7 牡丹江硐體應(yīng)變記錄地震波動(dòng)能力

圖5 2016.01.02林口M 6.4級(jí)地震Fig.5 Lin kou M 6.4 earthquake on Jan.2，2016

圖6 2016.01.12日本北海道M 6.5級(jí)地震Fig.6 Hokkaido M 6.5 earthquake in Japan on Jan.12，2016

圖7 2013.10.26 日本本州M 7.1級(jí)地震Fig.7 Honshu M 7.1 earthquake in Japan on Oct.26，2013

從表中可以看出，牡丹江垂直擺對(duì)于近震和遠(yuǎn)震都有很好的同震效應(yīng)，如圖5給出了垂直擺記錄到的2016年01月02日12時(shí)22分黑龍江林口M 6.4級(jí)地震的同震效應(yīng)和圖6給出了2016年01月12日01時(shí)08分日本北海道M 6.5級(jí)地震的同震效應(yīng)；圖7給出了垂直擺記錄到的2013年10月26日01時(shí)10分日本本州M 7.1級(jí)地震的同震效應(yīng)；圖8給出了2012年04月11日16時(shí)38分蘇門(mén)答臘M 8.6和18時(shí)43分蘇門(mén)答臘M 8.2級(jí)地震的同震效應(yīng)。

洞體應(yīng)變對(duì)于近震幾乎沒(méi)有同震效應(yīng)，應(yīng)

圖8 2012.04.11 蘇門(mén)答臘M 8.6和M 8.2級(jí)地震Fig.8 Sumatra M 8.6 and M 8.2 earthquake on Apr.11，2012

圖9 2016.01.30勘察加半島M 7.0級(jí)地震Fig.9 Kamchatka peninsula M 7.0 earthquake on Jan.30，2016

3 干擾分析

3.1 儀器調(diào)修干擾

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查閱觀測(cè)日志，發(fā)現(xiàn)牡丹江臺(tái)硐體應(yīng)變2010年12月更換數(shù)采，2012年5月更換主機(jī)數(shù)采，2013年4月防潮改造，2014年10月雷擊更換數(shù)采，2015年6月開(kāi)始儀器故障，觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，這些儀器故障不同程度的影響了儀器的觀測(cè)質(zhì)量，給數(shù)據(jù)分析帶來(lái)了難度。而且由于觀測(cè)儀器的高靈敏度，雖然不同的儀器被安放在不同的觀測(cè)室，但是人為干擾不可避免，均會(huì)造成固體潮曲線出現(xiàn)畸變。

3.2 氣壓干擾

氣壓變化對(duì)硐室形變觀測(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)較明顯的固體潮畸變。根據(jù)牡丹江臺(tái)觀測(cè)日志記錄，當(dāng)氣壓出現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)時(shí)，硐體應(yīng)變EW分鐘值數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)畸變現(xiàn)象（圖10）。

圖10 牡丹江硐體應(yīng)變EW受氣壓變化影響的曲線Fig.10 The curve of SSY-extemeter EW influenced by air pressure change

3.3 大風(fēng)的干擾

短時(shí)驟風(fēng)對(duì)于硐室內(nèi)形變的觀測(cè)也有一定的干擾，根據(jù)牡丹江臺(tái)觀測(cè)日志記錄，短時(shí)大風(fēng)天氣情況下，硐體應(yīng)變EW分鐘值數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象（圖11）。

圖11 牡丹江硐體應(yīng)變EW受大風(fēng)變化影響的數(shù)據(jù)曲線Fig.11 The curve of SSY-extemeter EW influenced by gale

3.4 降雨的干擾

降雨對(duì)硐室形變的影響主要表現(xiàn)在，雨水滲入硐體巖石裂隙，巖體膨脹，造成地表傾斜或伸縮變化，會(huì)在固體潮觀測(cè)曲線上得以體現(xiàn)。根據(jù)查閱牡丹江地震臺(tái)觀測(cè)日志，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣現(xiàn)象時(shí)，觀察到硐體應(yīng)變EW分鐘值數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)短時(shí)脈沖現(xiàn)象（圖12）。

圖12 牡丹江硐體應(yīng)變EW受降雨變化影響的數(shù)據(jù)曲線Fig.12 The curve of SSY-extemeter EW influenced by rainfall

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)牡丹江地震臺(tái)硐體應(yīng)變和垂直擺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)硐體應(yīng)變?cè)?009—2014年期間觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率高，2015年受儀器故障的影響連續(xù)率較低，數(shù)據(jù)的可靠性不高，垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)在2009—2015年的連續(xù)率較高，儀器穩(wěn)定性較好，能夠較好的為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)。

（2）牡丹江地震臺(tái)硐體應(yīng)變和垂直擺傾斜儀能夠清晰的記錄到固體潮現(xiàn)象，且調(diào)和分析結(jié)果均處在正常值范圍內(nèi)，垂直擺傾斜儀對(duì)于近震和遠(yuǎn)震都有很好的同震響應(yīng)，硐體應(yīng)變儀對(duì)于近震幾乎無(wú)同震響應(yīng)，但能夠清晰的記錄到遠(yuǎn)震的同震變化。

（3）在日常的觀測(cè)中，牡丹江硐體應(yīng)變觀測(cè)主要受到儀器故障、氣壓、大風(fēng)、降雨等因素的影響，因此能夠正確的識(shí)別干擾源，排除各種干擾，獲得真實(shí)的信息，對(duì)于提取地震前兆信息有很大的幫助。

[1]馬寶君,高雙玲. 中國(guó)東北及鄰近地區(qū)未來(lái)地震趨勢(shì)分析[J]. 地震地磁觀測(cè)與研究，2015，36（1）：14-18.

[2]馬寶君，高雙玲. 水管傾斜儀的快速標(biāo)定方法[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2009，30（4）：83-86.

[3]高雙玲，馬寶君. 牡丹江臺(tái)形變數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)換軟件[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2013，34（3/4）：228-231.

The Internal Quality Analysis of
Deformation Observation at Mudanjiang Seismic Station

LIU Yan-bin1，QIN Li-yan2，ZHAO Jian-tong3，MA Long-chen4，LIU Chang-sheng4
（1. Jiagedaqi Seismic Station，Heilongjiang Jiagedaqi 165100，China; 2. Harbin Earthquake Prevention and Disaster Reduction Center，Heilongjiang Harbin 150021，China; 3. Mudanjiang Seismic Station，Heilongjiang Mudanjiang 157009，China; 4. The Earthquake Analysis Prediction and Volcano Research Center of Heilongjiang Province, Heilongjiang Harbin 150090，China）

This article analyses the VS vertical pendulum tiltmeter and SSY-extensometer data of Munanjiang Seismic Station from 2009 to 2015，including instrument continuity，tidal effects，harmonic analysis，coseismic effects and interference analysis. The result shows that the VS vertical pendulum instrument operates normally and are sensitive to earthquakes and external factors，while SSY-extensometer does not have coseismic effects on near-field earthquakes and are sensitive to external factors.

VS vertical pendulum; SSY-extemeter; data processing; coseismic effects；Mudanjiang Seismic Station

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.005

1674-8565（2017）02-0027-06

中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH16012）資助

2017-01-21

2017-03-05

劉彥彬（1969-），男，山東省武城縣人，畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)，大專(zhuān)，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)方面的工作。E-mail：375899512@qq.com