昭通地震臺洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度淺析

楊祺，楊玲英，曾寧

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引 言

洞體應(yīng)變儀是精密測量地殼巖體兩點(diǎn)間水平距離相對變化的儀器，適用于觀測地殼應(yīng)變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，可為地震孕育過程中水平應(yīng)變變化規(guī)律和地球彈性研究提供重要數(shù)據(jù)[1]。昭通地震臺(以下簡稱“昭通臺”)形變觀測始于20世紀(jì)70年代，觀測資料具有連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，為區(qū)域地殼應(yīng)力變化和地震預(yù)報(bào)研究提供了大量的觀測數(shù)據(jù)。以往研究洞體應(yīng)變觀測資料質(zhì)量或者洞體應(yīng)變觀測干擾因素，多從儀器整體運(yùn)行情況綜合分析得出結(jié)論[2-3]，或者具體某類干擾因素對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的實(shí)際影響[4-5]。本文則以M2波月潮汐因子精度為切入點(diǎn)，探究昭通地震臺洞體應(yīng)變觀測資料內(nèi)在質(zhì)量及其干擾因素。

1 臺站地震地質(zhì)背景

昭通臺屬于國家基本二類臺，地處云、貴、川三省相鄰的滇東北地區(qū)，昭通位于南北地震帶東翼，境內(nèi)地質(zhì)斷裂帶構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，有小江斷裂帶、峨嵋—金陽斷裂帶、漢源—甘洛斷裂帶、威寧—大關(guān)馬邊斷裂帶、巧家—五蓮峰斷裂帶、灑漁河斷裂帶、迤車斷裂帶等，地震活動強(qiáng)烈[6]。自2003年以來，該地區(qū)共發(fā)生過M≥5.0級地震已達(dá)十多次。昭通臺形變觀測山洞建于1978年，臺基巖性為晚古生代二疊紀(jì)玄武巖，山洞長110 ，寬1.5 m，高2.0 m，覆蓋層約為40 m ，覆蓋植被為灌木和雜木，洞內(nèi)儀器墩穩(wěn)定，峒室恒溫性好，洞溫日變幅小于0.03 ℃，年變幅小于0.5 ℃。

2 M2波精度統(tǒng)計(jì)分析

M2波月潮汐因子精度是評定應(yīng)變固體潮觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量的數(shù)據(jù)指標(biāo)，M2波月潮汐因子精度越小，則應(yīng)變固體潮觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量越高，用當(dāng)月洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)時(shí)均值進(jìn)行Venedikov調(diào)和分析計(jì)算得到的M2波月潮汐因子相對中誤差為其數(shù)值，地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定洞體應(yīng)變觀測資料固體潮M2波月潮汐因子相對中誤差應(yīng)不大于0.050 0[7]，定義0.050 0為洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度的優(yōu)秀指標(biāo)。本文統(tǒng)計(jì)的昭通臺2016～2020年M2波月潮汐因子精度數(shù)據(jù)來源于中國地震局地殼形變臺網(wǎng)中心，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖1 昭通地區(qū)活動斷裂帶與歷史地震分布

表1 昭通臺洞體應(yīng)變儀M2波月潮汐因子精度統(tǒng)計(jì)

圖2 昭通臺洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度

經(jīng)分析得到以下認(rèn)識：(1)昭通臺洞體應(yīng)變北南分量M2波月潮汐因子精度年均值為0.019 6～0.022 4，達(dá)到優(yōu)秀指標(biāo)要求，且北南分量M2波月潮汐因子精度均達(dá)到優(yōu)秀指標(biāo)0.050 0的精度要求，波動較小，穩(wěn)定性較好。(2)東西分量M2波月潮汐因子精度年均值為0.053 1～0.092 0，未達(dá)到優(yōu)秀指標(biāo)0.050 0的精度要求，且東西分量M2波月潮汐因子精度圍繞優(yōu)秀指標(biāo)0.050 0上下大幅波動，穩(wěn)定性較差。(3)昭通臺洞體應(yīng)變相同月份北南分量M2波月潮汐因子精度均優(yōu)于東西分量M2波月潮汐因子精度。(4)統(tǒng)計(jì)兩分量M2波月潮汐因子精度相較于上一月M2波月潮汐因子精度同時(shí)上升變化或下降變化的次數(shù)為36次，兩分量M2波月潮汐因子精度優(yōu)劣變化同步概率為61.02 %，同步性一般。

3 M2波月潮汐因子精度干擾因素分析

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，昭通臺洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度并不穩(wěn)定，存在上下波動、逐月下降和突然下降變化(圖1)。M2波月潮汐因子精度是洞體應(yīng)變觀測質(zhì)量最為核心的內(nèi)在精度指標(biāo)，很大程度上決定了洞體應(yīng)變觀測資料質(zhì)量，研究洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度下降變化的干擾因素對提升觀測資料資料明確的指示意義。

圖3 昭通臺洞體應(yīng)變2016年2月傳感器故障

3.1 儀器故障干擾

儀器運(yùn)行情況一定程度上決定觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，良好穩(wěn)定的觀測儀器能夠保證觀測數(shù)據(jù)連續(xù)有效的產(chǎn)出。昭通臺洞體應(yīng)變東西分量M2波月潮汐因子精度2016年1～3月遠(yuǎn)差于優(yōu)秀指標(biāo)值，均值僅為0.186 7。核查原因?yàn)槎大w應(yīng)變儀東西分量2016年1～3月傳感器故障，該故障可追溯至2015年12月1日，儀器故障期間觀測數(shù)據(jù)多毛刺，固體潮汐日變形態(tài)不光滑(圖3)。儀器運(yùn)行發(fā)生故障，直接影響觀測數(shù)據(jù)正常產(chǎn)出，進(jìn)而影響M2波月潮汐因子精度，且故障情況越是嚴(yán)重，M2波月潮汐因子精度下降越是明顯，如昭通臺洞體應(yīng)變東西2016年2月傳感器故障情況更加嚴(yán)重，觀測數(shù)據(jù)毛刺數(shù)量明顯增加，M2波月潮汐因子精度顯著下降至0.306 5。

3.2 氣象干擾

洞體應(yīng)變觀測有氣壓、溫度、降雨、降雪、濕度、氣流擾動、雷電等氣象干擾因素。氣壓、溫度、濕度、氣流擾動一般為短時(shí)微動態(tài)干擾，洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)幾乎同步出現(xiàn)觀測曲線波動、固體潮曲線畸變[8]，雷電則導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生即時(shí)尖峰數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)尖峰數(shù)據(jù)會被缺數(shù)處理，以上幾類氣象干擾因素雖然不同程度上對洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響，但由于干擾時(shí)間短、干擾幅度有限，不會導(dǎo)致洞體應(yīng)變潮汐因子發(fā)生明顯差異性變化。實(shí)際上昭通臺洞體應(yīng)變M2月潮汐因子精度影響因素未識別上述幾類氣象干擾因素也一定程度上印證了這一觀點(diǎn)。降雨特別是連續(xù)強(qiáng)降雨能夠較長時(shí)間增加觀測臺站所在區(qū)域地下水補(bǔ)給，顯著改變區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，洞體應(yīng)變儀對降雨特別是連續(xù)強(qiáng)降雨通常會有比較明顯的反映，表現(xiàn)為觀測曲線趨勢性轉(zhuǎn)折變化，觀測曲線日變幅度、日變形態(tài)同時(shí)發(fā)生變化，導(dǎo)致洞體應(yīng)變潮汐因子發(fā)生明顯差異性變化進(jìn)而拉低M2波月潮汐因子精度。如2016年6月昭通地區(qū)連續(xù)強(qiáng)降雨，受此影響，昭通臺洞體應(yīng)變觀測北南分量趨勢性轉(zhuǎn)折持續(xù)張性變化，M2波潮汐因子精度從2016年5月的0.026 6下降至0.037 5，洞體應(yīng)變觀測東西分量趨勢轉(zhuǎn)折壓性變化，M2波潮汐因子精度從2016年5月的0.063 2下降至0.074 3(圖4)。

圖4 昭通臺洞體應(yīng)變2016年6月連續(xù)強(qiáng)降雨影響(2016-06-01～2016-06-30)

3.3 人為干擾

洞體應(yīng)變觀測有調(diào)零、校準(zhǔn)、進(jìn)洞、維修儀器、安裝儀器等人為干擾因素。調(diào)零、進(jìn)洞、安裝儀器一般為短時(shí)干擾，不會引起觀測數(shù)據(jù)長時(shí)間劇烈變化，一般不會造成洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度明顯變化。儀器校準(zhǔn)變更儀器格值參數(shù)，啟用的格值一定程度上決定觀測數(shù)據(jù)的日變形態(tài)和日變幅度，且校準(zhǔn)期間觀測數(shù)據(jù)會受到到明顯影響，儀器校準(zhǔn)結(jié)果對M2波月潮汐因子精度通常會有明顯影響，反復(fù)校準(zhǔn)或者啟用格值變化過大則會放大此類影響。如昭通臺2017年12月對洞體應(yīng)變進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，北南分量反復(fù)校準(zhǔn)11次方才校準(zhǔn)成功啟用新格值，M2波月潮汐因子精度由2017年11月的0.013 1下降至0.023 0，東西分量2次校準(zhǔn)后啟用新格值，M2波月潮汐因子精度亦是由2017年11月的0.028 8下降至0.038 6(圖5)。因此M2波月潮汐因子精度在儀器校準(zhǔn)時(shí)一定程度上都會受到影響，年中校準(zhǔn)時(shí)一般都在雨季，校準(zhǔn)干擾往往和降雨干擾疊加而不能得到有效識別，年末校準(zhǔn)時(shí)無其他明顯干擾，校準(zhǔn)對M2波月潮汐因子精度的影響更加容易分析。維修儀器對M2波月潮汐因子精度的影響與維修能力及維修情況相關(guān)，維修故障儀器成功能顯著提升儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，維修失敗可能進(jìn)一步拉低觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，維修周期過長則導(dǎo)致故障儀器較長時(shí)間產(chǎn)出內(nèi)在質(zhì)量較差的觀測數(shù)據(jù)。如昭通臺洞體應(yīng)變儀東西分量2015年12月～2016年3月傳感器故障，期間多次維修儀器，2016年2月曾出現(xiàn)維修致使傳感器故障更加嚴(yán)重進(jìn)而拉低M2波月潮汐因子的情況，2016年3月10日維修前置放大盒子造成觀測數(shù)據(jù)曲線趨勢性改變，亦是導(dǎo)致當(dāng)月M2波月潮汐因子精度計(jì)算結(jié)果較差，直到2016年3月25日更換傳感器線圈方才修復(fù)儀器(圖6)，M2月潮汐因子精度此后也得到顯著提升(圖2)。

圖5 昭通臺洞體應(yīng)變2017年12月儀器校準(zhǔn)影響(2017-12-01～2017-12-31)

圖6 昭通臺洞體應(yīng)變東西分量2016年3月檢修儀器

4 結(jié) 論

本文通過統(tǒng)計(jì)分析昭通臺洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度，得出以下結(jié)論：

(1)昭通臺洞體應(yīng)變儀北南分量M2波月潮汐因子精度優(yōu)于東西分量M2波月潮汐因子精度，北南分量M2波月潮汐因子精度達(dá)到優(yōu)秀指標(biāo)要求，內(nèi)在質(zhì)量較好，但東西分量M2波月潮汐因子精度圍繞優(yōu)秀指標(biāo)0.050 0上下波動，內(nèi)在質(zhì)量偏低。

(2)昭通臺洞體應(yīng)變儀M2波月潮汐因子精度受多種干擾因素影響明顯(如儀器故障、儀器校準(zhǔn)、維修儀器、連續(xù)強(qiáng)降雨)，觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量會產(chǎn)生較大波動。

(3)儀器故障、儀器校準(zhǔn)、維修儀器幾類干擾因素對洞體應(yīng)變M2波月潮汐因子精度的影響具有普遍意義，對保障洞體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量具有明確的指示意義。