五指山臺水管傾斜儀北南向變化的異常判定＊

郭昱琴 李 盛 張 慧 胡久常 孫三健

（海南省地震局，海南?？?570203）

引言

形變觀測信息中包含固體潮汐和非固體潮汐信息，固體潮汐是由于日、月和近地行星對地球的引力變化所導致的地球內(nèi)部和表面的周期性形變[1]，非潮汐信息反應(yīng)的則是地表傾斜和應(yīng)變的變化。因此，傾斜觀測可作為地震前兆定點形變觀測的重要手段。前人針對形變觀測進行了大量研究，陳德福和張錫令[2]在搜集整理了大量的傾斜異常圖像后對傾斜異常形態(tài)進行了分類和特征分析；王梅等[3]、曹建玲和石耀霖[4]論述了氣壓、雷電、地表溫度和環(huán)境載荷等干擾對觀測記錄的影響及其機理。由于影響機理復雜，在地震預報實踐中，如何提取較為可靠的前兆異常信息就顯得尤為重要[5-6]。研究區(qū)域地下水環(huán)境復雜，隨時間推移，由水體質(zhì)量變化引起的孔隙壓力擴散和滲流效應(yīng)，對地形變將產(chǎn)生不同影響[7]。目前定點形變儀器種類較多，不同類型儀器的觀測物理量和信號頻段不同，捕捉到的前兆異常具有一定的差異性[8-10]。本文對五指山臺水管傾斜儀北南向變化從觀測系統(tǒng)、洞室溫度、輔助觀測資料情況和周圍環(huán)境因素變化等多方面進行詳細論證，排除前兆異?，F(xiàn)象。將有助于對臺站觀測資料的理解和利用，進而為該區(qū)域地殼應(yīng)力——應(yīng)變狀態(tài)的長期變化研究提供寶貴資料。

1 臺站基本情況

海南島以瓊州海峽與華南大陸相隔，由北向南發(fā)育有王五——文教、昌江——瓊海、尖峰——吊羅和九所——陵水等4條近東西向隱伏斷裂，由西向東發(fā)育北南向戈枕斷裂和白沙斷裂[11]。五指山臺位于五指山市沖山鎮(zhèn)阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（圖1），距臺站 10 km 處有一條隱形平移斷層，而臺站正南方25 km有尖峰——吊羅深大斷裂，該區(qū)域廣泛出露二疊系花崗巖和三疊系花崗巖[11]。臺站周圍基巖裸露，觀測硐室的臺基為角閃黑云二長花崗巖，厚度較大，約40 m?；鶐r性堅硬完整、致密均勻，測點周邊觀測環(huán)境也較為穩(wěn)定。臺站為無人值守臺站，年平均氣溫22.4℃，年平均氣壓977.9 hPa，年平均降雨量1690 mm。硐室內(nèi)共布設(shè)3套形變觀測儀器，分別為DSQ水管傾斜儀、SSY銦瓦棒伸縮儀和VP寬頻帶傾斜儀，均為 “十五” 數(shù)字化觀測項目所選用的儀器。其中DSQ水管傾斜儀和SSY銦瓦棒伸縮儀布設(shè)在主洞室內(nèi)，兩者相同分量的儀器部件平行布設(shè)且共用同一槽體，VP寬頻帶傾斜儀布設(shè)在主洞室南側(cè)的側(cè)洞室。氣象三要素綜合觀測儀架設(shè)于距臺站2.4 km處的五指山市地震局，觀測環(huán)境穩(wěn)定。

圖1 五指山臺站構(gòu)造位置及儀器布設(shè)圖Fig.1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan station

2 異常判定分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)異常變化情況

2015年1月——2017年4月，五指山臺水管傾斜儀北南分量觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)平穩(wěn)。2017年5月起，北南分量出現(xiàn)了持續(xù)南傾現(xiàn)象。從水管儀北南分量觀測數(shù)據(jù)日均值（圖2）來看，往年年變幅度約700×10?3″，而 2017年 5月——2019年 5月 1日，下降幅度達 5892.796×10?3″。而同期東西分量觀測數(shù)據(jù)表現(xiàn)正常，年變幅度在 400×10?3″范圍內(nèi)波動。

圖2 水管傾斜儀整時值數(shù)據(jù)變化曲線（2015-01-01——2019-05-01） Fig.2 Data change curve of water pipe tiltmeter （2015-01-01——2019-05-01）

2.2 觀測系統(tǒng)排查

觀測資料出現(xiàn)異常后對儀器的主機、傳感器、通信系統(tǒng)、供電線路、UPS、避雷設(shè)施等進行了檢查，信號電壓與工作電壓均正常。對水管水質(zhì)情況檢查發(fā)現(xiàn)北南分量的缽體、水管及膠皮管均完好，水質(zhì)也較為清澈透明，未發(fā)現(xiàn)有明顯的微生物或其他雜質(zhì)。對墩體進行檢查，發(fā)現(xiàn)盡管有擋雨棚遮擋、塑料布覆蓋及泡沫箱隔斷，墩體依然較為潮濕，并在墩體表面伴有水滴積累。但學科專家現(xiàn)場查看后，認為本臺洞室內(nèi)和觀測墩體的潮濕程度總體情況較好，對觀測數(shù)據(jù)影響不大。

2.3 環(huán)境干擾調(diào)查

對周邊環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)，臺站上游1.3 km處有一大型水庫?太平山水庫，臺站西側(cè)約1 km處有一建筑工地?水墨雨林項目。

太平山水庫距五指山形變臺1.3 km，位于臺站東北方向，主要為城市供水，兼有防洪、旅游等功能。20世紀80年代初建成，總?cè)莘e約142萬m3，其蓄水主要來自降雨。水庫觀測站水文資料顯示，水庫水位呈冬低夏高變化。水庫距臺站的距離符合形變臺站建設(shè)規(guī)范中傾斜、應(yīng)變觀測距干擾源最小 “安靜” 距離的規(guī)定，且其庫容量與五指山形變臺水管傾斜儀北南分量觀測數(shù)據(jù)沒有明顯相關(guān)性，因此，認為水管傾斜儀北南分量的緩慢南傾現(xiàn)象并不是水庫庫容量變化所導致的（圖3）。

圖3 太平山水庫庫容量年變化Fig.3 Annual variation of Taipingshan reservoir capacity

水墨雨林項目距五指山形變臺站約1 km，處于臺站正西方位，建筑工地位于224國道與甘工路交匯處附近。通過走訪項目部建筑技術(shù)工程師及查閱施工日志得知，施工隊于2017年5月初進駐工地，開始打樁，并于2017年7——12月完成大樓主體建設(shè)。水墨雨林項目共有5棟樓在建，樓高為8——9層。根據(jù)此項目的方位（臺站西側(cè)）、規(guī)模以及距臺站距離等判斷，均不足以對儀器產(chǎn)生影響（圖4）。

圖4 水墨雨林項目工地圖片F(xiàn)ig.4 The picture of the Ink Rain Forest Project Site

2.4 氣候因素調(diào)查

五指山臺氣象三要素觀測儀2017年9月26日投入運行，對比分析2017年9月以來降雨量和水管儀北南向觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)降雨對水管儀觀測數(shù)據(jù)無明顯影響，南傾變化與降水不存在相關(guān)性（圖5）。

圖5 五指山臺降水量（藍色實線） 和水管儀北南分量觀測曲線（黑色實線） Fig.5 Precipitation （blue solid line） and NS component change curve of water pipe tiltmeter （black solid line）at Wuzhishan station

2.5 觀測數(shù)據(jù)的可靠性分析

現(xiàn)有傾斜觀測資料調(diào)和分析精度指標是按Venedikov調(diào)和分析方法，對月尺度的傾斜觀測資料進行調(diào)和分析，以M2波的中誤差mγ指標作為評定傾斜觀測資料質(zhì)量的第一項指標，規(guī)范要求Ι類傾斜臺站觀測mγ＜0.02。根據(jù)中國地震局地殼形變學科組公布的月評內(nèi)精度結(jié)果，統(tǒng)計2015年1月——2019年5月五指山臺定點形變觀測內(nèi)精度可以看出：水管儀北南向自2016年5月后觀測資料內(nèi)精度滿足規(guī)定優(yōu)秀指標，觀測質(zhì)量較好。2017年5月出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折后，M2波潮汐因子內(nèi)精度未出現(xiàn)異常變化（圖6）。

圖6 五指山臺水管儀北南向內(nèi)精度結(jié)果Fig.6 NS component precision curve of Wuzhishan water pipe tiltmeter

2.6 數(shù)字化前兆異常識別方法分析

2.6.1 非潮汐變化分析方法

日均值方法是固體潮數(shù)據(jù)非潮汐分析方法之一，即對一天的24個整點值取平均，它可以濾去97%的潮汐成分，剩下的是零點飄移和非潮汐信息[12]。從水管傾斜儀北南分量日均值及其差分，5日均值及其差分發(fā)現(xiàn)異常突出均為儀器校準檢修影響（圖7）。

圖7 五指山臺水管傾斜儀北南分量差分曲線Fig.7 NS component difference curve of water pipe tiltmeter at Wuzhishan station

2.6.2 超限率方法

利用小波分解和改進的超限率可以得到的某個帶通信號，可以分為正常背景和異常兩部分。通過對這兩部分界線劃分的研究，找到了客觀、唯一確定超限率分析的閾值方法[13]。結(jié)合五指山臺水管傾斜儀北南分量長期（4年時長）的超限率計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)超限率數(shù)量具有顯著增強的均為儀器故障及洞室施工影響造成的。影響時間為：2016年5月10日至6月2日前置放大器故障、2016年7月份五指山臺洞室改造在水管傾斜儀北端建筑施工、2017年6月5日至22日傳感器故障、2019年3月11日更換傳感器原因影響（圖8）。

圖8 五指山臺水管傾斜儀北南分量超限率分析結(jié)果Fig.8 Analysis result of NS component exceeding limit rate of water pipe tiltmeter at Wuzhishan station

2.6.3 S 變換方法

S變換方法屬于時頻分析類方法的一種，可以將一維的觀測數(shù)據(jù)時間序列轉(zhuǎn)換成二維的時頻域信號，從而增加獲取的信息量，為研究數(shù)據(jù)中各類頻率信號的頻譜動態(tài)演化提供便利。通過S變換方法曾有效地提取了姑咱臺四分量鉆孔應(yīng)變在蘆山7.0級地震前的高頻應(yīng)變畸變信號[14]。我們嘗試對五指山臺水管傾斜儀北南分量進行S變換，時頻變換結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在趨勢轉(zhuǎn)折時未顯示高頻畸變信號（圖9）。

圖9 五指山臺水管傾斜儀北南分量S變換結(jié)果Fig.9 S-transform results of NS component of water pipe tiltmeter at Wuzhishan station

3 GPS 及重力場結(jié)果

3.1 GPS 應(yīng)力場

從單個GPS站點數(shù)據(jù)（圖10）來看，海南三亞（HISY）站點自2015年11月份以來呈現(xiàn)向西偏南方向偏移；海南瓊中（QION）站點自2010年6月份以來呈現(xiàn)向北偏西方向偏移；海南?？冢℉IHK）站點則一直較為平穩(wěn)。從GPS站點間基線數(shù)據(jù)來看，海南?？冢℉IHK）——海南瓊中（QION）雖表現(xiàn)為緩慢縮短擠壓狀態(tài)，但海南海口（HIHK）——海南三亞（HISY）、海南瓊中（QION）——海南三亞（HISY） 則均表現(xiàn)為快速拉伸狀態(tài)，這表明整個海南島主要處于一個地殼拉伸狀態(tài)。地殼拉伸可能會引起地殼出現(xiàn)下降（沉），而不均勻下降可以引起地殼南傾，從而使五指山臺長基線水管儀數(shù)據(jù)出現(xiàn)南傾變化現(xiàn)象。

圖10 GNSS 基線變化曲線 （a，b，c，d） 及站點分布圖 （e） Fig.10 GNSS baseline change curve （a，b，c，d） and site distribution map （e）

3.2 重力場資料分析

從海南島陸重力場動態(tài)的變化（圖11）來看：2015年9月——2016年9月，海南島陸呈現(xiàn)東北部正變化，南部和西部負變化的過程，零值線穿瓊東南而過，形成重力場正負異常變化高梯度區(qū)；而2016年9月——2017年10月，海南島陸變化比較平穩(wěn)，表現(xiàn)為南部正變化，北部負變化。五指山臺位于海南南部，自2015年9月以來，該地區(qū)的重力場變化經(jīng)歷了先負后正的變化過程。研究結(jié)果表明，重力值減小，說明地表隆升或地下物質(zhì)減少或是兩者迭加效應(yīng)；重力值增大，說明地表沉降或地下物質(zhì)增多或是其迭加效應(yīng)[15]。比較瓊中臺重力非潮汐變化和GPS站基線變化，顯示瓊中臺重力非潮汐變化2017年1月以來處于小幅上升變化趨勢，瓊中GPS基線垂直分量年中開始處于緩慢下降過程，兩者的變化均表明2017年以來瓊中臺地區(qū)地表小幅沉降；而同時間段GPS基線瓊中——三亞呈伸長趨勢；結(jié)合這些變化特征，認為2017年以來海南南部地區(qū)均處于地表沉降的過程，且北部的沉降幅度小于南部的沉降幅度。以上也可佐證五指山臺基線式水管儀因區(qū)域構(gòu)造背景變化導致數(shù)據(jù)出現(xiàn)持續(xù)南傾變化。

圖11 海南島陸重力場動態(tài)變化Fig.11 Dynamic change of land gravity field in Hainan Island

4 綜合分析及討論

通過對五指山形變臺觀測系統(tǒng)、洞室溫度、輔助觀測資料情況和周圍環(huán)境因素變化等多方面調(diào)查分析，排除了這些影響因素導致水管傾斜儀北南向出現(xiàn)異常變化的可能。

根據(jù)中國地震局地殼形變學科組公布的月評結(jié)果統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，五指山臺水管儀北南向自2016年6月起內(nèi)精度滿足學科優(yōu)秀指標，觀測資料質(zhì)量較好。且2017年5月出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折后，M2波潮汐因子內(nèi)精度平穩(wěn)，未出現(xiàn)異常變化。通過數(shù)字化前兆異常識別方法分析，未發(fā)現(xiàn)超出閾值及高頻信號異常信息。

通過區(qū)域GPS基線數(shù)據(jù)分析表明，?？谥镰傊械貐^(qū)地殼處于輕微擠壓狀態(tài)，而瓊中至三亞地區(qū)地殼處于拉伸狀態(tài)，整個海南島區(qū)域受到這樣的不均衡應(yīng)力變化，易產(chǎn)生地殼的不均衡沉降，水管傾斜儀北南分量持續(xù)南傾可能是地殼形變的真實反映。海南島陸重力場變化顯示，五指山形變臺附近區(qū)域出現(xiàn)重力異常變化，認為2017年以來海南南部地區(qū)均處于地表沉降的過程，且北部的沉降幅度小于南部的沉降幅度，此結(jié)論與GPS資料結(jié)果呼應(yīng)。

綜合分析認為，五指山臺水管傾斜儀北南向變化為正常區(qū)域背景變化趨勢，非地震前兆異?，F(xiàn)象。水管傾斜儀是通過檢測和記錄兩端缽體液面的變化來模擬地殼的實際運動狀態(tài)的重要觀測手段，做好監(jiān)測水管傾斜儀的變化趨勢與跟蹤分析，對瓊東南地區(qū)的震情跟蹤工作具有一定幫助。