鄂爾多斯塊體北緣臺(tái)站水管儀觀(guān)測(cè)質(zhì)量及同震響應(yīng)對(duì)比分析

郭偉 陳立峰 蘇亞梅 胡瑋 賈昊東

1）烏加河地震臺(tái)，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015331

2）內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010

0 引言

地傾斜觀(guān)測(cè)是地震前兆監(jiān)測(cè)的主要手段，其觀(guān)測(cè)的對(duì)象是瞬時(shí)地平面相對(duì)大地水準(zhǔn)面之間角度隨時(shí)間的變化（熊先保等，2013）。借助數(shù)字化地傾斜觀(guān)測(cè)儀可觀(guān)測(cè)到地震時(shí)的震時(shí)形變波（狄樑等，2013a）。連續(xù)形變儀器記錄能夠反映地球巖石性質(zhì)變化和地殼應(yīng)力、應(yīng)變引起的傾斜及潮汐動(dòng)態(tài)變化，水管傾斜儀作為觀(guān)測(cè)地殼形變的儀器可為監(jiān)測(cè)地殼年變規(guī)律演變、傾斜速率及動(dòng)態(tài)變化提供優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)（陳德福，1993）。DSQ水管傾斜儀是我國(guó)自行研制的一種高精度固體潮觀(guān)測(cè)儀器，可用于自動(dòng)測(cè)量地殼的傾斜變化。該儀器靈敏度較高，抗干擾性能相對(duì)較弱，因此對(duì)觀(guān)測(cè)條件要求較高（張榮挺等，2002）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究者開(kāi)展了相關(guān)方面的研究，趙長(zhǎng)紅等（2009）認(rèn)為DSQ水管儀的精度主要受臺(tái)站所在地的地質(zhì)條件、觀(guān)測(cè)場(chǎng)地形地貌、洞室條件等的影響；徐寧（2006）通過(guò)研究廣西地區(qū)地質(zhì)環(huán)境和巖性，得出基巖種類(lèi)、硬度和塊體大小決定噪聲水平的結(jié)果；盧雙苓等（2012）研究發(fā)現(xiàn)基巖的選擇直接關(guān)系到儀器的內(nèi)在精度，如泰安臺(tái)水管儀經(jīng)“九五”“十五”改造及硐室環(huán)境、基線(xiàn)墩密封改造后，精度有一定的提高，但沒(méi)有更大幅度的根本性提高，這說(shuō)明在選定臺(tái)址后一般對(duì)基巖的選擇余地不大。

同震響應(yīng)主要指地震發(fā)生后數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘在臺(tái)站觀(guān)測(cè)到的顯著波動(dòng)和階躍變化（姚菲菲等，2016；胡瑋等，2017）。牛安福等（2005）研究了強(qiáng)地震引起的同震形變響應(yīng)；楊躍文等（2010）對(duì)麗江臺(tái)水管儀進(jìn)行了頻譜分析及同震震后效應(yīng)研究；陳順云等（2013）利用Terra、Aqua衛(wèi)星地表溫度探索汶川地震同震熱響應(yīng)；方宏芳等（2010）、楊婕等（2011）、馬棟等（2011）、張創(chuàng)軍等（2012）、方燕勛等（2014）、袁媛等（2014）、周江林等（2015）、鐘天任等（2016）分別研究了福建漳州、臺(tái)灣、河北、陜西乾陵、浙江湖州、上海、北京、廣東等地區(qū)數(shù)字形變資料的同震響應(yīng)特征。

Venedikov調(diào)和分析方法是基于最小二乘法的一種固體潮分析方法（劉序儼等，1989），很多研究者將Venedikov調(diào)和分析方法用于水管儀效能分析。張遠(yuǎn)城等（2003）、狄樑等（2013a）、薛生瑞等（2013）、趙小賀等（2014）分別運(yùn)用Venedikov調(diào)和分析方法計(jì)算了常熟臺(tái)、離石臺(tái)、廈門(mén)臺(tái)、馬陵山臺(tái)水管儀的傾斜潮汐M2波潮汐因子γ值均方差，并進(jìn)行了質(zhì)量跟蹤。

本文選取位于鄂爾多斯塊體北緣的烏加河臺(tái)、包頭臺(tái)、烏海臺(tái)的觀(guān)測(cè)資料研究?jī)x器特征參數(shù)，并進(jìn)行Venedikov調(diào)和分析和同震響應(yīng)分析，以期為提高儀器觀(guān)測(cè)精度提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 地震地質(zhì)構(gòu)造背景及臺(tái)站概況

鄂爾多斯塊體北緣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)，主要包括河套斷陷系和山西斷陷系北部（高立新等，2017），是鄂爾多斯塊體與陰山隆起之間的活動(dòng)構(gòu)造邊界帶，也是華北地區(qū)西北部的一條以拉張作用為主的地震構(gòu)造帶（韓曉明等，2018）。20世紀(jì)70年代以來(lái)，鄂爾多斯塊體北緣發(fā)生了多次中強(qiáng)地震，如1976年和林格爾6.3級(jí)、八音木仁6.2級(jí)地震，1979年五原6.0級(jí)、5.2級(jí)地震，及1981年豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震、1983年磴口5.2級(jí)地震等（孫加林，1985）。

烏加河地震臺(tái)地處陰山緯向構(gòu)造帶的中西段與狼山弧型構(gòu)造帶的復(fù)合部位，臺(tái)址位于狼山山前第四紀(jì)活動(dòng)斷裂附近，地理位置為內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮(zhèn)北，觀(guān)測(cè)專(zhuān)用洞室山體為花崗巖體，山洞海拔1052m，進(jìn)深250m，整個(gè)山洞全部被覆，洞頂覆蓋厚度130m，側(cè)面厚度大于70m，洞口方位為SW40°；包頭地震臺(tái)地處華北地臺(tái)北部的陰山隆起帶與河套斷陷交匯區(qū)，位于包頭市九原區(qū)興勝鎮(zhèn)色氣灣村原駐軍100號(hào)坑道，山洞為軍事工程，山洞海拔1330m，巖石覆蓋厚度大于50m，基巖屬黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，洞內(nèi)日溫差小于0.03℃，年溫差小于0.10℃，相對(duì)濕度大于80%，背景干擾較小，觀(guān)測(cè)條件優(yōu)越；烏海地震臺(tái)位于華北地臺(tái)、西北地臺(tái)、天山-興蒙斷褶系交匯區(qū)，該區(qū)域?qū)俣鯛柖嗨刮鞅本?、卓資山斷裂的西側(cè)，形變觀(guān)測(cè)洞室海拔1128m，巖性為片麻巖，伴有花崗巖巖脈，巖性較為完整，山洞進(jìn)深200多m，為防止氣流干擾，在洞內(nèi)安裝3道船艙門(mén)，1道塑鋼門(mén)（包東健，2016）。

2 資料選取

本文共選取了2類(lèi)數(shù)據(jù)，一類(lèi)是位于鄂爾多斯塊體北緣的烏加河臺(tái)、包頭臺(tái)、烏海臺(tái)的DSQ水管儀2015～2017年觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的日均值，另一類(lèi)是3個(gè)臺(tái)站記錄到的8次具有代表性的地震的資料，分別對(duì)其進(jìn)行觀(guān)測(cè)資料對(duì)比及同震響應(yīng)分析（圖1、表2）。

圖1 臺(tái)站分布

3 原理方法

DSQ水管儀利用的是連通管原理，即當(dāng)臺(tái)基發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，水管儀兩端點(diǎn)缽體內(nèi)液面會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)浮子、位移傳感器等將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，然后將位移變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的地傾斜角（劉序儼等，1989）。參照地殼形變學(xué)科陳德福研究員等擬定的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，用剔除每年人為調(diào)零的連續(xù)數(shù)據(jù)的日均值計(jì)算得到年零漂。

相對(duì)噪聲水平M1是衡量觀(guān)測(cè)資料長(zhǎng)期穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，M1是用契比雪夫多項(xiàng)式與一個(gè)年度觀(guān)測(cè)資料的5日均值作30階擬合得到的（趙小賀等，2014），公式為

其中，n＝0，1，2，…，m。

Venedikov調(diào)和分析方法（VHAM）是在頻率域內(nèi)由隱含在觀(guān)測(cè)值中各波群的觀(guān)測(cè)振幅與理論振幅之比以及觀(guān)測(cè)相位與理論相位之差計(jì)算出來(lái)的（呂品姬等，2010）。VHAM的要點(diǎn)是：對(duì)連續(xù)48h的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)使用Venedikov數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，濾去觀(guān)測(cè)值中的漂移和長(zhǎng)周期成分并將日波、半日波和1／3日波分離開(kāi)，然后基于最小二乘法獨(dú)立求解日波、半日波和1／3日波的潮汐參數(shù)。該法的優(yōu)點(diǎn)主要有：①不要求整個(gè)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)序列連續(xù)，只要求48h內(nèi)數(shù)據(jù)連續(xù)；②日波、半日波和1／3日波的潮汐參數(shù)獨(dú)立求解，使方程組的尺度大為減小，有利于內(nèi)存小、速度慢的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。由于固體潮的數(shù)學(xué)表達(dá)式是調(diào)和函數(shù)，任意時(shí)刻的值都可以表示成無(wú)數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單諧波之和，因此從理論上講，只要觀(guān)測(cè)序列的長(zhǎng)度和精度足夠，直接使用基于最小二乘法的調(diào)和分析方法，即可分離出整個(gè)頻段的任何一個(gè)分波（周摯等，2005；唐九安等，1997；段華琛，1991；陳德福，1993）。

4 結(jié)果及分析

4.1 觀(guān)測(cè)資料分析

本文選用2015～2017年位于鄂爾多斯塊體北緣的3個(gè)臺(tái)站（烏加河臺(tái)、包頭臺(tái)、烏海臺(tái)）的觀(guān)測(cè)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)年零漂、相對(duì)噪聲水平M1、M2波潮汐因子γ值均方差等特征參數(shù)的對(duì)比研究，衡量?jī)x器的穩(wěn)定性、靈敏度等性能，評(píng)估儀器工作狀況，并且進(jìn)一步分析得出影響觀(guān)測(cè)資料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以期使觀(guān)測(cè)質(zhì)量不斷提高。

儀器零漂是衡量觀(guān)測(cè)儀器和基墩穩(wěn)定程度的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算2015～2017年烏加河臺(tái)、包頭臺(tái)、烏海臺(tái)的年零漂，得到如表1所示的結(jié)果。由表1可見(jiàn)，包頭臺(tái)年零漂波動(dòng)較??；烏加河臺(tái)次之；烏海臺(tái)2017年NS向漂移較嚴(yán)重，其原因是洞室密封不好，氣流流動(dòng)引起水分蒸發(fā)較快導(dǎo)致洞體干燥、濕度過(guò)低，經(jīng)常需要加水和調(diào)零，2017年全年共加水9次，每次加水20～40mL，6～7天調(diào)零1次。

表1 2015～2017年3個(gè)臺(tái)年零漂對(duì)比分析

對(duì)水管儀2015～2017年觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的日均值作相對(duì)噪聲水平分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，烏加河臺(tái)水管儀NS向相對(duì)噪聲水平從2015年起逐漸上升；EW向2016年與2015年基本持平，但2017年也大幅上升，說(shuō)明烏加河臺(tái)水管儀的穩(wěn)定性在下降。烏海臺(tái)水管儀的相對(duì)噪聲水平也在增加，且NS向變化較EW向更加明顯?？傮w來(lái)看，包頭臺(tái)相對(duì)噪聲水平除2015年EW向?yàn)?.0002以外，其他均穩(wěn)定在0.0001；烏加河臺(tái)相對(duì)噪聲水平為0.0001～0.0005，烏海臺(tái)相對(duì)噪聲水平為0.0002～0.0007，均符合優(yōu)秀臺(tái)站所要求的0.02″的指標(biāo)。由相對(duì)噪聲水平越小則穩(wěn)定性越好可知，包頭臺(tái)的儀器穩(wěn)定性最好，烏加河臺(tái)次之，烏海臺(tái)最差。

剔除外界影響因素，應(yīng)用VenediKov調(diào)和分析方法，按月對(duì)水管儀整點(diǎn)值數(shù)據(jù)作調(diào)和分析，求取表征觀(guān)測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量的M2波潮汐因子 γ值均方差值，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，包頭臺(tái)水管儀NS向M2波潮汐因子γ值均方差mγ從2015年起逐漸上升，EW向基本持平；烏加河臺(tái)水管儀NS向2015、2017年的mγ均較大，EW向也基本持平；烏海臺(tái)水管儀2017年mγ顯著增加，且NS向變化較EW向更加明顯。總體來(lái)看，包頭臺(tái)mγ為0.002940～0.016263，烏海臺(tái)為0.004944～0.028126，烏加河臺(tái)為0.004447～0.014914，均符合形變觀(guān)測(cè)規(guī)范中mγ＜0.02的要求。

4.2 同震響應(yīng)分析

圖3 2015～2017年3個(gè)臺(tái)M2波潮汐因子γ值均方差mγ

本文選取2015～2017年記錄到的8個(gè)地震為研究對(duì)象，其震級(jí)4.0≤ML≤7.0，既有國(guó)內(nèi)地震又有國(guó)外地震，因選取地震的震中與烏加河臺(tái)、包頭臺(tái)、烏海臺(tái)之間的距離相近，故主要從水管儀的響應(yīng)延遲時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和最大振幅等3個(gè)方面進(jìn)行同震響應(yīng)分析。8次地震包括僅烏加河臺(tái)水管儀NS向記錄到的蒙古國(guó)4.0級(jí)地震，震級(jí)相近震中距不同的中國(guó)四川九寨溝7.0級(jí)和俄羅斯7.0級(jí)地震，震中距相近震級(jí)不同的尼科巴群島5.9級(jí)、俄羅斯6.7級(jí)地震、中國(guó)新疆6.2級(jí)及6.6級(jí)地震、俄羅斯6.7級(jí)地震等（表2）。

由表2可見(jiàn)，隨著震中距的增加，響應(yīng)延遲時(shí)間整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但不是嚴(yán)格的線(xiàn)性增加，這與地震波在地下介質(zhì)中的傳播速度有關(guān)。如震中距為1759～2239km時(shí)（中國(guó)新疆昌吉州呼圖壁縣6.2級(jí)、6.6級(jí)地震）的響應(yīng)延遲時(shí)間明顯大于震中距為3866～4142km時(shí)（俄羅斯7.0級(jí)地震），這是由于地震波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同而導(dǎo)致的響應(yīng)延遲時(shí)間的差異。

由表2還可見(jiàn)，包頭臺(tái)給出的結(jié)果較為穩(wěn)定，隨著震級(jí)的增加，水管儀同震響應(yīng)的最大振幅也相應(yīng)的增加，即最大振幅與震級(jí)間呈正相關(guān)；烏加河臺(tái)和烏海臺(tái)除個(gè)別地震外，水管儀最大振幅與震級(jí)間也基本呈正相關(guān)。如2016年1月21日01：13：13中國(guó)青海海門(mén)州門(mén)源縣6.4級(jí)地震，烏加河臺(tái)、烏海臺(tái)水管儀的最大振幅分別為42.67″、37.74″，遠(yuǎn)大于2017年8月9日07：27：52中國(guó)新疆博爾塔拉州精河6.6級(jí)地震時(shí)的最大振幅9.75″、19.14″及2017年3月29日12：09：23俄羅斯6.7級(jí)地震時(shí)的17.14″、23.73″。烏海臺(tái)2017年8月8日21：19：46中國(guó)四川九寨溝7.0級(jí)地震時(shí)的最大振幅為37.35″，遠(yuǎn)小于2016年1月30日11：25：10俄羅斯7.0級(jí)地震時(shí)的60.65″。由此可見(jiàn)，烏加河臺(tái)和烏海臺(tái)最大振幅與震級(jí)間的關(guān)系相對(duì)來(lái)說(shuō)不如包頭臺(tái)體現(xiàn)的好。

表2 同震響應(yīng)參數(shù)

此外，由表2還可見(jiàn)，隨著震級(jí)的增加響應(yīng)持續(xù)時(shí)間整體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但不是嚴(yán)格的線(xiàn)性增加，這是因?yàn)轫憫?yīng)延遲時(shí)間除了與震級(jí)有關(guān)之外，還與震中距和儀器阻尼有關(guān)。

通過(guò)對(duì)上述震例進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出：水管儀對(duì)5級(jí)以下地震響應(yīng)幅度較小，如蒙古國(guó)4.0級(jí)地震，僅烏加河臺(tái)水管儀NS向有記錄，但幅度較??；通過(guò)對(duì)比中國(guó)新疆6.2級(jí)與6.6級(jí)、尼科巴群島5.9級(jí)與俄羅斯6.7級(jí)、俄羅斯6.7級(jí)與俄羅斯7.0級(jí)地震可以發(fā)現(xiàn)，震級(jí)越大，響應(yīng)延遲時(shí)間越短，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，最大振幅越大。研究表明，響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距間呈正相關(guān)，即震中距越大，響應(yīng)延遲時(shí)間越長(zhǎng)；最大振幅與震級(jí)間呈正相關(guān)，即震級(jí)越大，最大振幅越大；響應(yīng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短依賴(lài)于震級(jí)、震中距和儀器阻尼等的大小。

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)2015～2017年烏加河臺(tái)、包頭臺(tái)、烏海臺(tái)DSQ水管傾斜儀觀(guān)測(cè)資料的對(duì)比分析和同震響應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：

（1）在儀器運(yùn)行方面，包頭臺(tái)水管儀運(yùn)行平穩(wěn)，故障率低；烏加河臺(tái)水管儀受傳感器故障和人為干擾影響較大；烏海臺(tái)水管儀由于密封門(mén)無(wú)法關(guān)嚴(yán)，長(zhǎng)期受到氣流影響，洞體干燥，水分蒸發(fā)較快，水管儀NS向漂移嚴(yán)重，從2016年1月2日起頻繁調(diào)零、加水。

（2）在儀器內(nèi)精度方面，排除儀器故障和人為干擾對(duì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，通過(guò)計(jì)算年零漂、相對(duì)噪聲水平M1和M2波潮汐因子γ值均方差發(fā)現(xiàn)，包頭臺(tái)水管儀的精度和穩(wěn)定性都比其他臺(tái)站要好，這主要得益于包頭臺(tái)背景干擾較少，觀(guān)測(cè)條件優(yōu)越，儀器運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）在同震響應(yīng)方面，水管儀記錄到的同震響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距間呈正相關(guān)，這是由地震波的傳輸時(shí)間直接決定的；最大振幅與震級(jí)間呈正相關(guān)，主要是由震源及衰減特性所決定的；響應(yīng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短依賴(lài)于震級(jí)、震中距離和儀器阻尼等的大小。

本文在計(jì)算年零漂的時(shí)，假設(shè)了觀(guān)測(cè)資料的趨勢(shì)性變化完全由儀器零漂所引起，并且采用了0階模型描述（即僅考慮平均值，不考慮線(xiàn)性項(xiàng)及高階項(xiàng)）。實(shí)際上每個(gè)臺(tái)站的零漂規(guī)律十分復(fù)雜，在今后的研究中將重點(diǎn)關(guān)注年零漂的影響因素，從而區(qū)分出趨勢(shì)性變化是由儀器零漂所引起的還是由地殼形變所致，解決線(xiàn)性及高階項(xiàng)在零漂中所占比例等問(wèn)題。