代縣臺寬頻帶傾斜儀觀測效能評價

張青玄，馬金平，祁振東，賈海玉，靳玉科，楊 甜

(1.山西省地震局代縣中心地震臺，山西 代縣 034200；2.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

代縣中心地震臺(以下簡稱代縣臺)位于山西省代縣峪口鄉(xiāng)峪里村，構(gòu)造上位于五臺山邊緣，滹沱河支流峪河北岸的二級階地上，海拔高度948 m。臺站所處的忻定盆地，屬于鄂爾多斯地塊東緣的山西裂谷帶，北部以恒山斷塊隆起與大同盆地相隔，南部以石嶺關(guān)橫向隆起與太原盆地分開。

代縣臺形變觀測山洞距臺站約1 000 m，洞體主覆蓋厚度約45 m，山洞巖性為花崗片麻巖、角閃片麻巖，洞深128 m，洞內(nèi)6道船艙門密封，日溫差小于0.1 ℃，年溫差小于0.3 ℃，洞內(nèi)儀器觀測基墩為完整基巖，穩(wěn)定可靠，干擾較小。臺站VP垂直擺傾斜儀(以下簡稱寬頻帶傾斜儀)于2012年安裝并投入運行，放置在觀測山洞內(nèi)(見圖1)。

圖1 垂直擺傾斜儀布設(shè)位置圖Fig.1 Layout position diagram of vertical pendulum tiltmeter

1 正常固體潮曲線特征

代縣寬頻帶傾斜儀記錄的正常固體潮曲線為正、余弦波，均勻而光滑，具有周期性。寬頻帶傾斜儀為秒采樣數(shù)據(jù)，信息量較大。

2 主要干擾因素分析

2.1 人為干擾

人為干擾主要指人員進(jìn)洞造成的干擾。由于工作人員進(jìn)洞的情況不同，如人數(shù)、時間長短及進(jìn)行的操作等，儀器受干擾的程度也不同。此類干擾較易識別。人員進(jìn)洞進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)零、檢修、調(diào)試、換水、排濕等工作會造成干擾。圖2為進(jìn)洞排查伸縮儀曲線畸變引起寬頻帶傾斜儀固體潮曲線短時畸變。

圖2 垂直擺傾斜儀受人為干擾曲線Fig.2 Man-made interference curve of vertical pendulum tiltmeter

2.2 自然環(huán)境干擾

代縣臺地處山區(qū)，夏季雷雨較多，春秋季刮風(fēng)時間較長，垂直擺傾斜儀記錄到的曲線形態(tài)也不同。

2.2.1 雷雨干擾

臺站降雨主要集中在6-9月,降雨影響與降雨時間長短、降雨量密切相關(guān)，長時間持續(xù)性降雨通常會導(dǎo)致固體潮汐曲線的趨勢性連續(xù)緩慢變化或突發(fā)性轉(zhuǎn)折變化。2016年6月13日17:20-20:50有強(qiáng)雷雨天氣，累計降雨量10 mm,受降雨影響，觀測曲線發(fā)生趨勢性轉(zhuǎn)折，方向改變，且速率加快。當(dāng)時降雨量筒損毀，無降雨量記錄(見圖3)。

2.2.2 大風(fēng)干擾

代縣臺春秋季刮風(fēng)時間較長，垂直擺傾斜儀受大風(fēng)影響較明顯。2014年5月3日垂直擺傾斜儀在大風(fēng)時段的觀測曲線出現(xiàn)非正常形態(tài)的波動，大風(fēng)過后逐漸恢復(fù)正常(見圖4)。

2.3 其他因素引起的干擾

對垂直擺傾斜儀觀測造成干擾的因素較多，如2017年5月7日因洞內(nèi)電源不穩(wěn)引起觀測曲線固體潮突跳(見圖5)。此類干擾容易和人為干擾混淆[1]，需要對儀器的運行情況、觀測日志逐項排查來確定。

3 寬頻帶傾斜儀觀測震例

3.1 近震分析

近5年來代縣臺垂直擺傾斜儀記錄到忻州及周邊地區(qū)地震較多，大部分為3.0級左右，中強(qiáng)及以上地震較少。

2013到2018年，忻州地區(qū)發(fā)生的最大地震為2016年4月7日04時49分原平ML4.1地震。從記錄的觀測曲線來看，地震前固體潮曲線光滑、平穩(wěn)，無較大的突跳、臺階(見第52頁圖6)。

圖3 垂直擺傾斜儀雷雨干擾曲線圖Fig.3 Thunderstorm interference curve of vertical pendulum tiltmeter

圖4 垂直擺傾斜儀大風(fēng)干擾曲線圖Fig.4 Wind interference curve of vertical pendulum tiltmeter

圖5 垂直擺傾斜儀電源不穩(wěn)曲線圖Fig.5 Power instability curve of vertical pendulum tiltmeter

第52頁圖7為垂直擺記錄到2016年3月12日11時14分運城鹽湖區(qū)發(fā)生的ML4.4地震。從記錄曲線來看，震前儀器固體潮曲線光滑、平穩(wěn)，無突跳、臺階，震后短時間內(nèi)恢復(fù)正常。

圖6 原平ML4.1地震垂直擺傾斜儀記錄曲線圖Fig.6 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Yuanping ML4.1 earthquake

圖7 運城鹽湖ML4.4級地震垂直擺傾斜儀記錄曲線圖Fig.7 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Yuncheng Salt Lake ML 4.4 earthquake

3.2 遠(yuǎn)震分析

3.2.1 國內(nèi)典型地震

2017年8月8日21時19分四川阿壩州九寨溝發(fā)生ML7.0地震，震源深度20 km，震中距1 053 km。2017年8月9日7時27分新疆博爾塔拉州精河縣發(fā)生6.6級地震，震源深度11 km，震中距2 557 km，從垂直擺傾斜儀當(dāng)天的記錄曲線來看，震前固體潮光滑平穩(wěn)，無畸變(見圖8)。

3.2.2 國外典型地震

2017年9月8日12時秘魯發(fā)生ML8.2地震，震源深度20 km，震中距13 379 km。代縣臺垂直擺傾斜儀也有較好的記錄。從記錄曲線來看，震前觀測曲線無明顯波動，也無毛刺出現(xiàn)(見圖9)。

3.3 一階差分分析

為進(jìn)一步研究近震和遠(yuǎn)震發(fā)生前垂直擺觀測數(shù)據(jù)是否存在趨勢性數(shù)據(jù)變化或短周期數(shù)據(jù)變化，以及震前曲線形態(tài)有無改變，現(xiàn)用一階差分分析方法對2016年1月1日到2018年6月30日垂直擺觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從第53頁圖10可以看出，2016年4月7日原平ML4.1地震發(fā)生在年變曲線的轉(zhuǎn)折期，應(yīng)該緩慢轉(zhuǎn)折變化的曲線突然速率加快，出現(xiàn)一個凹兜，固體潮出現(xiàn)小范圍年變。同樣，2017年8月8日四川九寨溝ML7.0地震也發(fā)生在年變曲線的轉(zhuǎn)折期附近，使應(yīng)該下降的曲線出現(xiàn)較短時間的上升變化。

圖8 四川九寨溝ML7.0地震垂直擺傾斜儀記錄曲線圖Fig.8 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Jiuzhaigou ML7.0 earthquake, Sichuan

圖9 秘魯7.2級地震垂直擺傾斜儀記錄曲線圖Fig.9 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Peru ML 7.2 earthquake

圖10a，垂直擺對鄰近及距離較近地區(qū)的地震，記錄形態(tài)主要表現(xiàn)為正常固體潮背景下突然出現(xiàn)脈沖狀、向上的階躍及階躍后的短期恢復(fù)變化[2]，且震級越大、震中距越近，記錄到的變化幅度就越大；圖10b中，對于距離較遠(yuǎn)、震級較大的地震，代縣臺垂直擺傾斜儀記錄的曲線多為緩慢的固體潮畸變，且幅度與距離、震級成正比，距離越近、震級越大，幅度就越大。反之，幅度較小，震后恢復(fù)時間較長;圖10c中，國內(nèi)發(fā)生中小地震時，年變形態(tài)有所改變，出現(xiàn)小范圍的畸變[3]，且地震發(fā)生在年變曲線的轉(zhuǎn)折期或轉(zhuǎn)折期附近。

圖10 代縣臺垂直擺傾斜儀一階差分曲線Fig.10 First-order difference curve of Daixian vertical pendulum tiltmeter

4 觀測資料內(nèi)精度

代縣臺垂直擺傾斜儀2012年底安裝并投入運行，2013年因擺體掉落，兩次送廠維修，2014和2015年儀器多次出現(xiàn)故障。因此，儀器缺測時間較長，計算出的內(nèi)精度不理想。2016年開始，儀器運行逐漸穩(wěn)定，觀測資料質(zhì)量逐步提高，計算出的精度較高。2016年1月至2018年6月儀器的內(nèi)精度如表1所示。

從表1可以看出，EW分量精度優(yōu)于NS分量，且相鄰兩個月間的精度值相差不大，變化范圍較小。根據(jù)日志記錄分析，垂直擺傾斜儀在出現(xiàn)故障時的內(nèi)精度存在明顯變化，且變化值較大。

5 結(jié)論與討論

(1) 代縣臺寬頻帶傾斜儀固體潮受諸多因素的影響，包括人為干擾、自然環(huán)境變化、儀器工作狀態(tài)等。

(2) 代縣臺寬頻帶傾斜儀能記錄到不同距離、不同震級的地震，對鄰近及距離較近地區(qū)的地震，記錄形態(tài)主要表現(xiàn)為正常固體潮背景下突然出現(xiàn)脈沖狀、向上的階躍及階躍后的短時恢復(fù)變化；對于距離較遠(yuǎn)、震級較大的地震，記錄曲線多為緩慢的固體潮畸變，震后恢復(fù)時間較長。

表1 代縣臺寬頻帶傾斜儀內(nèi)精度統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of internal accuracy of broadband tiltmeter for Daixian station

(3) 國內(nèi)發(fā)生中小地震時，垂直擺傾斜儀觀測曲線年變形態(tài)會有所改變，出現(xiàn)小范圍的畸變，且地震發(fā)生在年變曲線的轉(zhuǎn)折期或轉(zhuǎn)折期附近。

(4) 代縣臺垂直擺傾斜儀觀測資料內(nèi)精度較高，儀器出現(xiàn)故障時內(nèi)精度有明顯變化，且變化值較大。