北武當(dāng)觀測站水平擺和水管儀觀測資料對比分析

王曉霞，高翠珍，安凱杰，薛錦明，薛生瑞

(1.山西省地震局離石中心地震臺，山西 離石 033000；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

定點地傾斜觀測是測定地殼(地面)傾斜變化的一種觀測方法，我國主要采用石英水平擺傾斜儀(SSQ-2I型)、水管傾斜儀(DSQ型)、垂直擺傾斜儀和鉆孔傾斜儀器等進行地傾斜觀測，這些儀器測量靈敏度可達(dá)10-3角秒，其產(chǎn)出的地傾斜連續(xù)觀測資料可用于地震預(yù)測研究、地球動力學(xué)和地震工程等研究中[1]。研究采用北武當(dāng)觀測站水平擺和水管儀2012-2017年觀測資料，通過對儀器穩(wěn)定性、觀測資料同震響應(yīng)、地震趨勢、觀測資料潮汐因子等方面進行對比分析，為做好地震監(jiān)測預(yù)報提供更好的參考資料[2]。

1 北武當(dāng)觀測站環(huán)境及山洞基本情況

北武當(dāng)觀測站位于呂梁市方山縣北武當(dāng)山山腳下，觀測站2011年正式投入使用，海拔高程1 475 m。儀器洞室位于呂梁山花崗巖體中，該花崗巖巖性為淺紅色細(xì)粒-中粗粒黑云二長花崗巖，巖石有輕微的混合巖化，屬極硬巖石，微風(fēng)化，巖體屬堅硬巖。山洞洞深31 m，洞體覆蓋厚度43 m，山洞溫度年變化為0.5 ℃，日變化<0.03 ℃，洞前有引洞，門上加塑料泡沫密封，可防止空氣對流影響儀器室溫的變化，基本達(dá)到恒溫條件。測項空間分布如圖1所示。

2 觀測資料對比分析

北武當(dāng)觀測站水平擺和水管儀自2012年安裝運行以來，取得了較為準(zhǔn)確可靠的觀測數(shù)據(jù)。目前，對形變觀測資料攜帶的各類微動態(tài)信息以及響應(yīng)能力大小的研究工作尚未開展，制約了觀測資料在震情工作中發(fā)揮預(yù)報指標(biāo)體系的作用，影響了離石臺日常分析預(yù)報和年度會商工作更深入地開展。

2.1 水平擺和水管儀觀測數(shù)據(jù)日變動態(tài)對比

在正常情況下，兩儀器日變固體潮清晰，曲線比較光滑，波動小，觀測曲線一般每天有2個波峰和2個波谷，因儀器不同其峰谷出現(xiàn)的時間略有偏差[3]。如，2014年9月8日至10日大潮期(農(nóng)歷八月十五至十七)三天的分鐘值觀測數(shù)據(jù)曲線顯示(見第19頁圖2)，水平擺和水管儀記錄到的固體潮基本形態(tài)與理論固體潮基本相符。從日變形態(tài)上看，兩套儀器具有較好的同步性；從時間上看，NS向和EW向波峰、波谷都基本吻合，波峰出現(xiàn)在9點、15點，波谷出現(xiàn)在0點、12點。

2.2 年變形態(tài)對比

選取北武當(dāng)觀測站2012年1月1日—2017年12月31日SSQ-2I型石英水平擺和DSQ水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)進行長趨勢分析，分別繪制水平擺和水管儀NS向和EW向同軸日均值曲線(見圖3)。兩套儀器同一分量記錄的年變形態(tài)清晰，一致性較好，年動態(tài)表現(xiàn)為正弦波曲線，兩套儀器均具有較穩(wěn)定的年變動態(tài)。

圖3 水平擺和水管傾斜儀NS、EW分量同軸日值曲線Fig.3 Coaxial daily value curve of NS and EW components of horizontal pendulum and water pipe tiltmeter

2.3 干擾形態(tài)對比

(1) 雷雨干擾。

小的雷電對固體潮的影響主要表現(xiàn)為曲線畸變，但不會影響日變形態(tài)；大的雷電可能導(dǎo)致數(shù)采不能正常工作，造成數(shù)據(jù)缺測，甚至損壞主機[4]。從圖4看出，受雷雨干擾，水平擺NS向造成數(shù)據(jù)階變、EW向數(shù)據(jù)大幅突跳，而水管儀直接損壞儀器，可見水管儀較水平擺抗雷雨干擾能力弱。

圖4 受雷雨干擾的原始分鐘值曲線Fig.4 Original minute value curve disturbed by thunderstorm

(2) 大風(fēng)干擾。

從圖5看出，水平擺比水管儀受刮風(fēng)干擾影響明顯，具體形態(tài)為數(shù)據(jù)加粗?jǐn)_動，不影響曲線整體形態(tài)。

圖5 受大風(fēng)干擾的分鐘值曲線Fig.5 Minute value curve disturbed by strong wind

(3) 標(biāo)定干擾。

水平擺標(biāo)定采用遠(yuǎn)程自動標(biāo)定，如圖6所示，2016年2月1日水平擺標(biāo)定僅對15:35-15:43數(shù)據(jù)干擾9 min；水管儀標(biāo)定需要先進行調(diào)零且每次標(biāo)定需要20 min?？梢?，水平擺儀器穩(wěn)定性優(yōu)于水管儀。

圖6 受調(diào)零標(biāo)定干擾的原始分鐘值曲線Fig.6 Original minute value curve disturbed by zero adjustment calibration

雷電、刮風(fēng)、標(biāo)定都會影響北武當(dāng)觀測站水平擺和水管儀器的固體潮觀測，綜合對比，水平擺的抗干擾能力優(yōu)于水管儀。

2.4 潮汐因子對比

通過EIS2000軟件，使用Venedicov調(diào)和分析方法對2012年1月-2017年12月的年傾斜觀測資料整時值進行調(diào)和分析，得出潮汐因子和中誤差如表1所示。

表1 2012-2017年潮汐因子及其相對誤差Table 1 Tidal factors and their relative errors in 2012-2017

在同一地震臺站，同一傾斜儀反映當(dāng)?shù)亟橘|(zhì)狀況的潮汐因子應(yīng)在同一基值上下波動。固體潮的潮汐因子為實測固體潮與理論固體潮之比[5]。潮汐因子過大，儀器格值穩(wěn)定性及重復(fù)性不佳，潮汐因子相對誤差可以反映儀器觀測精度及穩(wěn)定性。從表1計算結(jié)果看出，水平擺比水管儀運行質(zhì)量好。

2.5 同震響應(yīng)對比分析

實際觀測表明，水平擺和水管儀對5級以下的地方震同震響應(yīng)弱，能清晰地記錄到較大地震的波動響應(yīng)?；诖?，對大陸5級以上和國外7級以上地震的兩套儀器同震響應(yīng)進行對比(見表2、第21頁表3)。

表2 2012-2017年大陸5級以上典型地震事件統(tǒng)計表Table 2 Statistics of typical earthquake events with M≥ 5 in the mainland from 2012 to 2017

表3 2012-2017年國外7級以上典型地震事件統(tǒng)計表Table 3 Statistics of typical earthquake events with M ≥ 7 in foreign countries from 2012 to 2017

從表中可以看出，在初動到時上，水平擺略早于水管儀；在最大雙振幅上，水平擺明顯大于水管儀；從持續(xù)時間上看，水平擺兩分量均長于水管儀。在同震級情況下，震中距越遠(yuǎn)同震響應(yīng)越弱；在相同震中距時，震級越大同震響應(yīng)越明顯。綜合表明，水平擺對強遠(yuǎn)震的同震響應(yīng)在初動時刻、持續(xù)時間、最大雙振幅上響應(yīng)均優(yōu)于水管儀。

3 結(jié)論與討論

通過對山西離石臺北武當(dāng)水平擺傾斜儀和水管傾斜儀觀測資料對比分析，可得出如下認(rèn)識。

(1) 水平擺的抗干擾能力優(yōu)于水管儀。

(2) 年變趨勢動態(tài)、日變形態(tài)方面，兩套儀器觀測數(shù)據(jù)日變和年變形態(tài)較清晰、一致性較好。

(3) 從潮汐因子計算結(jié)果看，兩種儀器比較接近，相同臺站的同等條件下，水平擺儀觀測精度略高于水管儀。

(4) 從同震響應(yīng)看，二者形態(tài)與幅度基本相同。在時間上，水管儀滯后于水平擺。