五指山形變臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)資料內(nèi)在精度分析

郭昱琴　曾濤　楊世杰　李冬雅

摘要本文對(duì)2016年1月—2021年12月連續(xù)6年五指山形變臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)資料內(nèi)在精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，臺(tái)站水管傾斜儀和銦瓦棒伸縮儀內(nèi)在精度質(zhì)量較好；寬頻帶傾斜儀兩個(gè)分量內(nèi)在精度年均達(dá)到優(yōu)秀指標(biāo)的概率僅50%，且自2020年1月出現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在精度質(zhì)量持續(xù)下降，導(dǎo)致觀測(cè)資料質(zhì)量不高。提高數(shù)據(jù)內(nèi)在高質(zhì)量的重要條件是確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率，因此，提升臺(tái)站人員業(yè)務(wù)水平和保證必要的備機(jī)備件是當(dāng)務(wù)之急。

關(guān)鍵詞傾斜儀；應(yīng)變儀；潮汐因子；內(nèi)在精度

中圖分類號(hào)： P315.72+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：2096-7780（2023）06-0278-07

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-093

Internal accuracy analysis of fixed-point deformation observation data of Wuzhishan deformation station

Guo Yuqin1），Zeng Tao2），Yang Shijie2），Li Dongya1）

1） Hainan Earthquake Agency， Hainan Haikou 570203， China

2） Qiongzhong Central Station of Hainan Earthquake Agency， Hainan Qiongzhong 572900， China

Abstract Thispaperpresentsastatisticalanalysisoftheinternalaccuracyofthefixed-pointdeformation observation data of Wuzhishan deformation station from January 2016 to December 2021. The internal accuracy of the stations water pipe tiltmeter and indium tile rod extensometer is good. The probability that the internal accuracy of the two components of the broadband tiltmeter reaches the excellent index is only 50%. Since January 2020，the internal accuracy quality of the observation data has been decreasing，resulting in the low quality of the observation data. The important condition for improving the internal accuracy quality of data is to ensure the continuous rate of observation data. Therefore，it is urgent to improve the operational level of station personnel and to ensure the necessary spare parts.

Keywordstiltimeter; strain gauge; tide factor; internal accuracy

引言

有大量震例證明，孕震過程中形變會(huì)出現(xiàn)階段性前兆特征，即形變速率變化、形變方向變化和巖石力學(xué)性質(zhì)變化[1]。其中，前兩項(xiàng)特征（形變速率和形變方向變化）可以從地傾斜數(shù)據(jù)直接獲得，而第三項(xiàng)特征（巖石力學(xué)性質(zhì)）則是間接通過固體潮振幅因子及波形包絡(luò)形態(tài)描述獲得[2-3]。一般情況下，臺(tái)站日常監(jiān)測(cè)資料是連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，序列數(shù)據(jù)中有多種有用信息，也有噪聲影響。為更好地使用資料和保障觀測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，建立客觀、準(zhǔn)確評(píng)估觀測(cè)資料序列數(shù)據(jù)內(nèi)在精度的方法尤為重要。楊曉東等[4-7]對(duì)韓城臺(tái)、寧波臺(tái)、格爾木臺(tái)等的傾斜觀測(cè)和數(shù)字化垂直擺資料進(jìn)行了對(duì)比研究；曹白倫等[8]對(duì)云縣臺(tái)水平擺和垂直擺資料進(jìn)行了對(duì)比研究。然而，這些研究成果較多的是從單臺(tái)套地形變儀器資料得出的，本文針對(duì)五指山地震臺(tái)地傾斜（DSQ 水管傾斜儀和 VP 寬頻帶傾斜儀）及地應(yīng)變（ SSY 銦瓦棒伸縮儀）3套形變儀器資料內(nèi)在精度進(jìn)行比較，評(píng)估臺(tái)站地形變資料的真實(shí)性和分析影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，為研究該區(qū)域地殼應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的長期變化及規(guī)律提供支持和依據(jù)。

1 臺(tái)站概況

五指山形變臺(tái)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處，地理位置（18.79°N，109.53°E），該區(qū)域二疊系花崗巖和三疊系花崗巖出露顯著[9]。臺(tái)站洞體基巖堅(jiān)硬完整，致密均勻，周邊觀測(cè)環(huán)境較為穩(wěn)定，四周無振動(dòng)干擾源?！笆濉逼陂g，經(jīng)技術(shù)改造，山洞架設(shè)了 D SQ 水管傾斜儀、 VP 寬頻帶傾斜儀和 S SY 銦瓦棒伸縮儀。其中，DSQ 水管傾斜儀和 SSY 銦瓦棒伸縮儀安裝在主洞室內(nèi)，兩套儀器相同分量觀測(cè)部件平行布設(shè)在同一槽體，監(jiān)測(cè)該區(qū)域的大地傾斜和應(yīng)變變化，VP 寬頻帶傾斜儀安裝在主洞南側(cè)耳洞室（圖1）。3套儀器均能記錄到完整的固體潮，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性好，同震記錄效應(yīng)明顯。

2 資料分析

固體潮觀測(cè)值相對(duì)其理論的偏離通常采用基于最小二乘法的維尼迪柯夫（Venedikov）調(diào)和分析方法，求解各個(gè)波群的觀測(cè)振幅與理論振幅之比，即潮汐因子。臺(tái)站傾斜資料調(diào)和分析精度也采用Venedikov調(diào)和分析方法，對(duì)月尺度傾斜資料進(jìn)行調(diào)和分析，以 M2波中誤差 mγ作為評(píng)定傾斜觀測(cè)資料質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)，規(guī)范要求Ι類傾斜臺(tái)站觀測(cè) M2波中誤差 m γ＜0.02。應(yīng)變觀測(cè)資料調(diào)和分析精度同樣采用Venedikov調(diào)和分析方法，對(duì)月尺度的應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行調(diào)和分析，以 M2波振幅因子的相對(duì)中誤差σα/α指標(biāo)作為評(píng)定應(yīng)變資料質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)，規(guī)范要求Ι類應(yīng)變臺(tái)站觀測(cè)資料σα/α＜0.05[10]。

定點(diǎn)形變觀測(cè)資料內(nèi)在精度是指 M2波潮汐因子均方差，該指標(biāo)是用來評(píng)定固體潮汐（地傾斜、地應(yīng)變）觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量精度的一項(xiàng)定量化指標(biāo)。本文采用了Venedikov調(diào)和分析法，分析臺(tái)站觀測(cè)資料的內(nèi)在精度（地傾斜儀器精度由 M2波的中誤差 mγ表示，地應(yīng)變儀器精度由 M2波振幅因子相對(duì)中誤差σα/α表示，文中統(tǒng)稱為“內(nèi)在精度”），也是當(dāng)前中國地震局地殼形變學(xué)科組通常公布的月評(píng)內(nèi)在精度結(jié)果。通過統(tǒng)計(jì)2016年1月—2021年12月五指山臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)內(nèi)在精度分析，我們發(fā)現(xiàn)五指山臺(tái)傾斜應(yīng)變各儀器各分量內(nèi)在精度變化規(guī)律各不相同（圖2）。對(duì)同一套觀測(cè)儀器而言，兩個(gè)觀測(cè)分量內(nèi)在精度存在同步上升下降，如圖2a 所示，水管傾斜儀2019年6月、2020年3月、8月的漸變現(xiàn)象；或兩個(gè)觀測(cè)分量內(nèi)在精度變化不一致或單觀測(cè)分量內(nèi)在精度下降，如圖2b 中洞體應(yīng)變伸縮儀所描述的。

根據(jù)計(jì)算儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在精度，我們?cè)賹?duì)五指山臺(tái)3套儀器不同分量計(jì)算內(nèi)在精度均值，然后，定義a為地傾斜或地應(yīng)變儀器 NS 分量內(nèi)在精度與 EW 分量內(nèi)在精度之比，a值可較直觀地顯示出同一儀器兩個(gè)分量內(nèi)在精度的差異[11]，a值越趨近于1，儀器兩個(gè)分量的內(nèi)在精度越相近，表明數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量越好，反之亦同。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

由表1計(jì)算數(shù)據(jù)可知：

（1）水管傾斜儀、銦瓦棒伸縮儀兩個(gè)分量內(nèi)在精度較好，a值趨向于1，接近優(yōu)秀指標(biāo)；而寬頻帶傾斜儀兩個(gè)分量內(nèi)在精度年均達(dá)到優(yōu)秀滿分概率僅50%（圖2c），出現(xiàn)自2020年1月地傾斜儀數(shù)據(jù)內(nèi)在精度下降趨勢(shì)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。

（2）同臺(tái)站地傾斜類儀器 NS 分量內(nèi)在精度均高于 EW 分量，水管傾斜儀和寬頻帶傾斜 EW 分量內(nèi)在精度優(yōu)于 NS 分量（圖2）。

（3）寬頻帶傾斜儀 NS 分量和 EW 分量內(nèi)在精度平均值差距較大，寬頻帶傾斜儀的a值為3.5072，銦瓦棒伸縮儀和水管傾斜儀 NS 分量和 EW 分量內(nèi)在精度接近，a值分別為1.2424、1.0763（表1）。

3 影響內(nèi)在精度因素探討

3.1 儀器穩(wěn)定性

儀器故障是臺(tái)站數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率的重要影響因素。缺數(shù)或干擾太多進(jìn)而影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。五指山臺(tái)周邊觀測(cè)環(huán)境較為穩(wěn)定，四周無振動(dòng)干擾源，且觀測(cè)硐室溫度年變化為0.1℃。寬頻帶傾斜儀自安裝運(yùn)行以來，因儀器 NS 分量自身穩(wěn)定性能差致使后續(xù)故障頻發(fā)，尤其是漂移現(xiàn)象造成調(diào)零頻繁和超量程。如圖3所示，2021年1—12月寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)曲線 NS 分量持續(xù)向南傾斜，EW 分量持續(xù)向東傾斜。NS 分量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算內(nèi)在精度滿足0.02評(píng)價(jià)指標(biāo)的月份僅5個(gè)月，其中2、3、5、6、8、9、10月內(nèi)在精度均未滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)0.02（圖4a），EW 分量要好些，滿足0.02評(píng)價(jià)指標(biāo)的月份達(dá)11個(gè)月，僅3月內(nèi)在精度未滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)0.02（圖4b）。

3.2 人為因素

影響數(shù)據(jù)的人為因素主要有檢修儀器過程、人行走進(jìn)洞干擾、人為操作調(diào)零及標(biāo)定等，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)突跳、數(shù)據(jù)出錯(cuò)誤或階躍變化。如2020年5月水管傾斜儀主機(jī)供電模塊故障，剔除產(chǎn)出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，出現(xiàn)缺數(shù)情況（圖5），導(dǎo)致無法統(tǒng)計(jì)計(jì)算內(nèi)在精度（圖6）。另外還存在其他的人為因素，如臺(tái)站人員運(yùn)維水平有限，對(duì)臺(tái)站儀器性能了解、故障排查檢修能力不足，只能等待廠家維修，導(dǎo)致故障斷記時(shí)間較長，直接影響數(shù)據(jù)內(nèi)在精度。

3.3 同震影響

地震對(duì)臺(tái)站3套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響表現(xiàn)上階躍、下階躍或階躍式振蕩重疊同震響應(yīng)現(xiàn)象，在統(tǒng)計(jì)2016年1月—2021年12月連續(xù)6年記錄數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，伸縮儀對(duì)應(yīng)7級(jí)以上地震才出現(xiàn)同震效應(yīng)。而水管傾斜儀和 VP 垂直擺對(duì)應(yīng)不同震中距的地震響應(yīng)存在較大差異：

（1）震中距較小時(shí)，水管儀基本無同震響應(yīng)，VP 垂直擺同震波記錄清晰；

（2）震中距＞6000km 時(shí)，兩種觀測(cè)儀器記錄應(yīng)震能力相當(dāng)[12]。這種響應(yīng)主要以高頻振蕩衰減的形式疊加在所記錄的固體潮曲線上，震級(jí)越大，同震階變數(shù)量越多，震蕩時(shí)間越長，數(shù)據(jù)內(nèi)在精度會(huì)越差（圖7）。如寬頻帶傾斜儀受同震干擾影響有2021年 7月和8月的數(shù)據(jù)內(nèi)在精度與其他月份及同期的水管傾斜儀和伸縮儀相比均表現(xiàn)為能力明顯降低（圖4）。

4 結(jié)語

通過統(tǒng)計(jì)2016年1月—2021年12月五指山臺(tái)定點(diǎn)形變觀測(cè)內(nèi)在精度變化情況，得出以下結(jié)論：

（1）水管傾斜儀和銦瓦棒伸縮儀兩個(gè)分量內(nèi)在精度較好，基本滿足優(yōu)秀評(píng)價(jià)指標(biāo)0.02；寬頻帶傾斜儀兩個(gè)分量內(nèi)在精度年均達(dá)到優(yōu)秀指標(biāo)的概率僅50%（圖2c）；自2020年1月內(nèi)在精度持續(xù)下降，超量程故障頻繁，觀測(cè)資料質(zhì)量不高，亟待需要對(duì)儀器進(jìn)行全方面檢修或更新改造。

（2）地傾斜儀與地應(yīng)變觀測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)均為 EW 分量內(nèi)在精度優(yōu)于 NS 分量，分析其原因可能是安裝儀器正交方位或夾角參數(shù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致不一致所致。同時(shí)，可能原因是山洞儀器長期運(yùn)行老化性能變差，或山洞地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境特殊，這方面尚未做進(jìn)一步探討。

（3）儀器穩(wěn)定性、人為因素和同震干擾等因素都會(huì)影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)內(nèi)在精度降低。因此，提高臺(tái)站儀器運(yùn)行率，保證記錄數(shù)據(jù)連續(xù)完整性，是提高數(shù)據(jù)內(nèi)在精度的一個(gè)重要技術(shù)環(huán)節(jié)。當(dāng)然，客觀干擾因素?zé)o法避免，如每年沿海臺(tái)風(fēng)、雷暴雨、地震或近場(chǎng)爆破等。另外，盡快提升臺(tái)站人員熟悉儀器原理、性能業(yè)務(wù)水平和儀器故障排查技術(shù)能力勢(shì)在必行，配置必要的備機(jī)備件也應(yīng)當(dāng)考慮。所以亟待解決的問題是臺(tái)站人才培養(yǎng)、業(yè)務(wù)培訓(xùn)和備機(jī)備件。

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