寧陜地震臺體應變儀觀測質(zhì)量及映震能力分析

張雪娟 王玥明 張國華 楊浩東 王鯤鵬

（中國陜西 725029 陜西省地震局安康地震監(jiān)測中心站）

0 引言

作為臺站形變監(jiān)測的主要儀器之一，鉆孔應變儀一般被安裝在地下數(shù)十米甚至數(shù)百米深處，以便連續(xù)監(jiān)測觀測區(qū)域內(nèi)地殼應力應變狀態(tài)，其中體積式鉆孔應變儀觀測精度高、穩(wěn)定性好，可清楚記錄固體潮汐和地震孕育過程中的地殼變形，為地震分析預報工作提供了大量可靠的形變資料（全建軍等，2016；孫藝玫等，2021）。目前，地震科研人員利用鉆孔應變儀觀測資料開展了大量研究工作，集中在觀測資料質(zhì)量分析（毛華鋒等，2018；全建軍等，2021）、干擾異常識別（李杰等，2003；盧雙苓等，2010）、大震前異常分析（邱澤華等，2010，2015）、映震能力及同震響應研究（方宏芳等，2010；于慶民等，2014；全建軍等，2021）等。

2007 年3 月，寧陜地震臺（下文簡稱寧陜臺）架設TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應變儀（以下簡稱體應變儀）開展形變觀測。截至2022 年，儀器運行狀態(tài)良好，積累了大量精確可靠的形變觀測資料。文中選取2016—2020 年寧陜臺體應變觀測資料，就數(shù)據(jù)完整性、穩(wěn)定性及可靠性等對觀測質(zhì)量進行系統(tǒng)評估，基于地震記錄和同震形變響應，分析該臺體應變儀映震能力，以便更清楚地了解儀器運行狀況和地震監(jiān)測效能，為地震分析預報人員提供一定參考依據(jù)。

1 臺址概況

陜西寧陜臺地處秦巴腹地，位于寧陜縣城東北漁洞河村，海拔高度850 m。該臺始建于1977 年，1980 年投入觀測，觀測山洞洞體進深38 m，洞體覆蓋層厚25 m，植被良好，臺基巖性為印支期花崗巖，大面積出露，觀測環(huán)境良好。2007年初臺站觀測完成數(shù)字化改造，同年3 月架設TJ-Ⅱ型體應變儀并運行至今，其觀測井深66.32 m，探頭深度15 m 左右。

2 觀測資料質(zhì)量評估

2.1 資料完整性分析

評估觀測資料完整性的主要參數(shù)為數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率。連續(xù)率是指一段時間內(nèi)儀器實際產(chǎn)出數(shù)據(jù)量占應產(chǎn)出數(shù)據(jù)量的比重，反映觀測儀器的運行狀況；完整率是指一段時間內(nèi)儀器產(chǎn)出的有用數(shù)據(jù)量占應產(chǎn)出數(shù)據(jù)量的比重，反映觀測數(shù)據(jù)的可用情況?，F(xiàn)收集2016—2020 年寧陜臺體應變儀觀測資料，計算數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率（表1）。由表1 可知，該臺體應變觀測每年數(shù)據(jù)連續(xù)率均大于99.50 %；除2016 年外，每年數(shù)據(jù)完整率均在99.30%以上。影響數(shù)據(jù)連續(xù)率的原因主要有主機故障、數(shù)采死機、傳感器故障及供電故障。其中，在統(tǒng)計時段內(nèi)，數(shù)采死機和主機故障出現(xiàn)3 次以上，值得注意的是，每年單次故障時長在10 h 以上的故障只有1—2 次（2017 年和2020 年每年1 次，其他3 年每年2 次）。2016 年該臺數(shù)據(jù)完整率過低，原因是9 月28 日—10 月6 日供電線路故障，觀測數(shù)值超儀器量程，導致儀器不斷自動開閥，觀測曲線多次出現(xiàn)超差現(xiàn)象，只能人為做缺數(shù)處理，10 月6 日更換供電線路后，儀器逐漸恢復正常。

表1 2016—2020 年觀測資料的連續(xù)率和完整率Table 1 The continuity and integrity of observation data from 2016 to 2020

綜合分析可知，寧陜臺體應變觀測資料的連續(xù)率和完整率在2018—2020 年雖有逐年提升趨勢，但相較于2017年，未來仍有提升空間，尤其是數(shù)據(jù)完整率可提升空間較大。因此，應進一步加強臺站儀器的巡查工作，重視數(shù)采和主機類故障的發(fā)現(xiàn)和解決，爭取做到對故障“早發(fā)現(xiàn)、快處理”，以便使該測項數(shù)據(jù)完整性得到進一步提升。

2.2 資料穩(wěn)定性、可靠性分析

為評估體應變觀測資料的穩(wěn)定性及可靠性，使用年零漂、潮汐因子和相對噪聲水平3個指標進行分析。

2.2.1 年零漂。年零漂是用來衡量觀測儀器及墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運動大小的重要指標。觀測儀器的年零漂越小，表明觀測儀器與墩基耦合越好，觀測資料的準確性越高（全建軍等，2021）。采用日均值法計算年零漂，即用該年度12 月31 日日均值減去當年1 月1 日日均值（盧雙苓等，2011）。2016—2020 年寧陜臺體應變觀測資料年零漂見表2。由表2 可見，2017—2020 年體應變觀測資料的年零漂約為2 400×10-9，每年零漂幅度較為穩(wěn)定且處于正向漂移狀態(tài)。2016年其年零漂值過大，絕對值近6 000×10-9，這是因為，2016 年9 月28 日—10 月6 日供電線路出現(xiàn)故障，導致觀測曲線從正向漂移快速轉(zhuǎn)為負向漂移，直到12 月才逐漸恢復，開始緩慢正向漂移。

表2 2016—2020 年觀測資料的年零漂Table 2 Baseline drifts of observation data from 2016 to 2020

2.2.2 潮汐因子。體應變儀能夠清晰記錄到固體潮汐變化，而潮汐因子是指各個潮汐波群的觀測振幅值與其理論振幅值之比，是反映固體潮汐變化的特征參數(shù)，其中月亮的主半日波M2的潮汐因子受到的干擾較小，精度較高，因此一般選用M2波潮汐因子精度來評定觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過調(diào)和分析，逐月計算寧陜臺體應變儀2016—2020 年觀測資料M2波潮汐因子及相關(guān)指標參數(shù)，并求得相應年均值（表3）。其中，潮汐因子的相對中誤差（內(nèi)精度）用于衡量固體潮數(shù)據(jù)的可靠性，相對中誤差數(shù)值越小，說明觀測資料越可靠（趙小賀等，2018）。

由表3 可知，寧陜臺體應變觀測資料的潮汐因子（α）在2.382 8—2.527 3 范圍內(nèi)，相對中誤差（δα/α）在0.004 0—0.019 3 范圍內(nèi)，符合鉆孔應變觀測的標準（δα/α≤0.05）（中國地震局，2014），表明該臺體應變觀測資料的精度較高。

表3 2016—2020 年觀測資料調(diào)和分析結(jié)果Table 3 The results of harmonic analysis about observation data from 2016 to 2020

2.2.3 相對噪聲水平。相對噪聲水平M1是衡量儀器觀測資料長期穩(wěn)定性的一項定量指標，其數(shù)值越低，表明儀器提取的信號越真實（張紅秀等，2019）。相對噪聲水平計算方法分為日均值和五日均值2 種，其中五日均值相對噪聲水平是用契比雪夫多項式與1 年觀測資料的73 個五日均值作30 階擬合而成，是一種數(shù)學逼近擬合方法，具體公式為

其中，n=1，2，...，m；Tn（X）為契比雪夫多項式；X為五日均值；C0為常數(shù)；Cn為擬合系數(shù)，m為提取的五日均值總個數(shù)。

通過對寧陜臺體應變儀2016—2020 年觀測資料進行處理，基于五日均值的計算結(jié)果見表4。由表4 可知，寧陜臺體應變儀相對噪聲水平在0.001 0×10-9—0.027 2×10-9范圍內(nèi)。除2016 年外，其他4 年的相對噪聲水平基本在0.001 0×10-9左右，相對噪聲水平較低。

(2) 針對江蘇潮間帶風機長期承載特性評價的結(jié)果表明，設計預應力下錨桿基礎兩年內(nèi)的承載力均滿足相應材料設計強度要求，且具有一定的安全裕度，能夠保證風機安全運行，且錨桿基礎整體受力較為均勻，各部位應力變化較平緩。評價結(jié)果與現(xiàn)場風機實際狀態(tài)較為一致。

表4 2016—2020 年觀測資料的相對噪聲水平Table 4 Relative noise of observation data from 2016 to 2020

3 映震能力分析

3.1 地震記錄分析

地震臺站一般通過地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件對形變儀器記錄的各類事件（含地震事件）進行初步分析。據(jù)統(tǒng)計，2016—2020 年寧陜臺體應變儀共記錄地震事件158 次，具體結(jié)果見表5，其中震級統(tǒng)一使用面波震級（MS）。體波震級的換算公式（于慶民等，2014）為

表5 2016—2020 年體應變儀記錄地震事件統(tǒng)計Table 5 Statistics of seismic records of volume borehole strain meter from 2016 to 2020

在158 次地震事件中，最小地震為2018 年10 月11 日湖北宜昌市秭歸縣MS4.5 地震，最大地震為2017 年9 月8 日墨西哥沿岸近海MS8.6 地震，最遠地震為2016 年12 月25 日智利MS7.9 地震，其震中距達18 881 km。

分析發(fā)現(xiàn)，寧陜臺體應變儀對小震記錄能力有限，對中強震記錄能力較強，可記錄到周邊鄰省MS≥5.0、國內(nèi)MS≥6.0 的大多數(shù)地震，而震級在MS4.0 左右的地震僅記錄2例。據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式目錄，2016—2020 年全球共發(fā)生7.0 ≤MS＜8.0 地震事件72 次，MS≥8.0 地震事件7 次。結(jié)合表5 可知，寧陜臺體應變儀記錄的MS≥8.0 地震事件數(shù)與中國地震臺網(wǎng)正式目錄一致，但7.0 ≤MS＜8.0 地震事件僅50 次。經(jīng)統(tǒng)計分析，寧陜臺體應變儀未記錄的MS7.0 以上地震基本為距離較遠（震中距10 000 km 以上）、震級相對較?。∕S7.0—7.3）的中深源或近海型國外地震。綜上可知，寧陜臺體應變儀可記錄到國內(nèi)MS≥7.0和國外MS≥7.4 的地震。

3.2 同震形變響應分析

同震形變響應是指地震發(fā)生后通過形變儀器觀測到的同震響應。作為同震形變響應分析的重要指標之一，同震響應最大變幅是指地震發(fā)生時，形變儀器記錄的幅度最大值，是地震能量在監(jiān)測儀器中的直觀體現(xiàn)，也是計算震級的重要依據(jù)。同震響應最大變幅一般與震級、震中距存在一定關(guān)聯(lián)。通過分析相同震級下最大變幅與震中距的關(guān)系和相同震中距下最大變幅與震級的關(guān)系，深入探討三者之間的關(guān)聯(lián)性。

3.2.1 相同震級下同震響應最大變幅與震中距的關(guān)系。經(jīng)統(tǒng)計分析，同一震級下MS7.0 地震事件數(shù)較多，有13 個。剔除偏差較大的2 個MS7.0 震例，利用公式A=aeblgD（a，b為相關(guān)系數(shù)），擬合11 個MS7.0地震的最大變幅（A）與震中距（D）的關(guān)系，結(jié)果見圖1，可見二者基本符合負相關(guān)關(guān)系，即相同震級下震中距越大，同震響應最大變幅越小。以震中距（9 252 km）較大的斐濟群島以南地震和震中距（3 544 km）較小的菲律賓棉蘭老島地震為例，驗證該負相關(guān)性是否成立。2 次地震同震響應曲線見圖2，可知斐濟群島以南地震的最大幅度（8.35×10-9）較小，而菲律賓棉蘭老島地震的最大幅度（37.21×10-9）較大。

圖1 體應變儀同震響應最大變幅與震中距的對數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship diagram between the maximum amplitude of co-seismic response recorded by volume borehole strain meter and epicenter distance

圖2 斐濟群島地震和菲律賓地震的同震響應曲線Fig.2 Co-seismic response curves of earthquakes in the Fiji Islands and the Philippines

3.2.2 相同震中距下同震響應最大變幅與震級的關(guān)系。將同一地區(qū)的地震近似認為震中距相同，并分別選取發(fā)震頻率較高的菲律賓、日本、印度尼西亞3 國以及中國臺灣地區(qū)2016—2020 年的震例來擬合最大變幅與震級（MS）的關(guān)系（圖3）。

圖3 體應變儀同震響應最大變幅與震級的關(guān)系（a）菲律賓地區(qū)；（b）日本地區(qū)；（c）印度尼西亞地區(qū)；（d）中國臺灣地區(qū)Fig.3 Relationship diagram between the maximum amplitude of co-seismic response recorded by volume borehole strain meter and earthquake magnitude

圖4 日本2 個地震的同震響應曲線Fig.4 Co-seismic response curves of the two earthquakes in Japan

此外，由圖3 可知，印度尼西亞周邊地區(qū)震例擬合效果較好（R2=0.815 8），菲律賓、日本2 國和中國臺灣地區(qū)的震例擬合效果稍差（R2分別為0.697 4、0.688 2 和0.608 6）。分析發(fā)現(xiàn)4 個地區(qū)的地震分布均較分散，即同一地區(qū)地震的震中距最大相差可達1 500 km，但印度尼西亞地區(qū)震例相對較多，地震事件達22 個；菲律賓、日本2 國和中國臺灣地區(qū)的震例則相對較少，地震事件數(shù)分別為14、12 和8 個。這表明相同震中距下同震響應最大變幅與震級的擬合效果可能受地震分布及震例數(shù)量等因素影響。

4 結(jié)論

基于觀測質(zhì)量和映震能力，系統(tǒng)分析2016—2020年寧陜臺TJ-Ⅱ型體應變儀觀測資料，獲得以下結(jié)論：

（1）利用年零漂、潮汐因子和相對噪聲水平等指標評估寧陜臺體應變觀測資料，發(fā)現(xiàn)基本滿足學科規(guī)范要求，尤其是潮汐因子的相對中誤差（內(nèi)精度）指標遠超相關(guān)要求，表明觀測資料的穩(wěn)定性和可靠性整體較好，但連續(xù)率和完整率尚有待提升。

（2）寧陜臺體應變儀對中強近震、強（巨）遠震的映震能力較強，可記錄到鄰省MS≥5.0、國內(nèi)MS≥6.0 的大多數(shù)地震以及國內(nèi)MS≥7.0 和國外MS≥7.4 地震。

（3）同震形變響應分析表明，同震響應最大變幅與震中距之間基本滿足A=aeblgD的關(guān)系，其擬合曲線和地震的同震響應曲線均表明兩者間具有一定的負相關(guān)關(guān)系；同震響應最大變幅與地震震級之間基本滿足A=aebM的關(guān)系，其擬合曲線和地震的同震響應曲線均表明兩者間具有一定的正相關(guān)關(guān)系。此外，相同震中距下同震響應最大變幅與震級的擬合效果可能受地震分布及震例數(shù)量等因素影響。