西安臺新山洞兩套傾斜儀觀測數(shù)據(jù)對比分析

孫壽安,辛建村,曹沖

(陜西省地震局,陜西 西安 710068)

0 引 言

西安地震臺定點(diǎn)形變觀測開始于1971年,因觀測山洞進(jìn)深淺、基線長度短、覆蓋層薄,架設(shè)的形變觀測儀器受背景噪聲、自然環(huán)境的干擾較大,觀測數(shù)據(jù)精度不高。為繼續(xù)做好地震觀測工作、有效提高形變觀測質(zhì)量,2017年啟動(dòng)了西安臺定點(diǎn)形變綜合觀測場地建設(shè)項(xiàng)目。場地選在臺站南部的鉆孔應(yīng)變觀測區(qū), 2019年投入使用。

理論上,同一地點(diǎn)的地傾斜觀測資料應(yīng)該相同或相似。實(shí)際上,不同臺站因其所處的塊體構(gòu)造、地下介質(zhì)、電性結(jié)構(gòu)等條件不同,其對應(yīng)力變化的響應(yīng)也各有區(qū)別[1-5]?；谖靼才_新山洞DSQ、VP兩套地傾斜儀觀測數(shù)據(jù),本文從觀測資料精度、潮汐因子一致性、長期趨勢分析、強(qiáng)降雨和大風(fēng)等自然環(huán)境干擾效應(yīng)及強(qiáng)遠(yuǎn)震響應(yīng)等方面對這兩種傾斜觀測資料進(jìn)行分析對比,并嘗試探討兩種資料間異同關(guān)系的原因,為更好地使用資料提供參考。

1 水管傾斜儀和寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量分析

1.1 新山洞基本情況

新建山洞海拔約660 m,處于秦嶺山前大斷裂帶的南盤上,距離秦嶺北緣大斷裂破碎帶約700 m。覆蓋層厚度50 m以上,整個(gè)山體植被良好,灌木、雜草居多,無大片高大喬木。臺基為花崗巖,巖石較完整。距離西安地震臺約350 m,具備良好的運(yùn)行條件。新建山洞總長約244 m,按照觀測業(yè)務(wù)、比測實(shí)驗(yàn)、宣傳展示等三大版塊進(jìn)行功能分區(qū)(圖1)。2019年9月在新山洞觀測業(yè)務(wù)區(qū)架設(shè)DSQ型水管傾斜儀和VP型寬頻帶傾斜儀,其中DSQ型水管傾斜儀的分辨力為0.000 5″, VP型寬頻帶傾斜儀的分辨力為0.000 2″。水管傾斜儀沿北南、東西和北西三個(gè)方向架設(shè),基線長度分別為26.48 m、26.59 m、31.13 m。寬頻帶傾斜儀安裝在北南和東西方向交匯處的N測室,經(jīng)過一年多的試運(yùn)行后, 2021年5月入網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 西安地震臺新山洞功能布局

1.2 數(shù)據(jù)完整率、連續(xù)率

數(shù)據(jù)完整和連續(xù)率是反應(yīng)儀器運(yùn)行狀態(tài)、性能的主要指標(biāo)之一[6]。2020～2021年西安臺新山洞兩套傾斜儀的數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,如表1,寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率均大于99%,水管傾斜儀2020年數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率小于99%。這主要是山洞建成初期,一方面參觀人次多,數(shù)據(jù)處理時(shí)干擾數(shù)據(jù)剔除較多;另一方面洞體內(nèi)部的濕度較大,調(diào)零電機(jī)銹蝕嚴(yán)重,斷電檢修造成缺數(shù)較多。寬頻帶傾斜儀安裝在角落的獨(dú)立觀測室,日常參觀對其干擾相對較小。2019～2020年新山洞洞內(nèi)濕度達(dá)到80%以上,為了保障儀器正常運(yùn)行,在山洞口安裝了一臺柜式除濕機(jī),內(nèi)部非觀測區(qū)放置了10余臺小型除濕器,降低洞體內(nèi)部濕度。

表1 2020～2021年寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀數(shù)據(jù)完整率、連續(xù)率

1.3 觀測曲線對比

通過2020～2021年寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀日均值曲線對比(圖2),可以看出兩套觀測儀器均沒有明顯的年變形態(tài),這可能與區(qū)域的構(gòu)造有關(guān),資料顯示陜西關(guān)中區(qū)域存在顯著的橫向不均勻性[7]。圖3是2021年6月兩套地傾斜儀的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)曲線對比,可看出兩套儀器均能清晰的記錄到固體潮汐,且形態(tài)、變化趨勢較為一致,這說明兩套儀器的性能基本穩(wěn)定,記錄數(shù)據(jù)的可靠性較高[5,8]。寬頻帶傾斜儀兩個(gè)測向記錄相對較好,水管傾斜儀北南和東西向數(shù)據(jù)漂移較大, 北西向數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。

圖2 2020～2021年寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀日均值曲線

圖3 2021年6月寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀整點(diǎn)值曲線

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量對比

固體潮汐參數(shù)指標(biāo)可以用來評價(jià)地傾斜觀測資料的內(nèi)在質(zhì)量。根據(jù)形變學(xué)科數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方法[6],選取M2潮汐因子、M2潮汐因子中誤差、相對噪聲水平等三個(gè)指標(biāo)對兩套設(shè)備觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)在質(zhì)量、穩(wěn)定性評價(jià)。

對2020～2021年兩套儀器觀測數(shù)據(jù)整點(diǎn)值進(jìn)行調(diào)和分析,得到M2潮汐因子、M2潮汐因子中誤差質(zhì)量指標(biāo)(圖4)。理論上,同一地點(diǎn)或相近地點(diǎn)的地傾斜觀測儀器,觀測到的潮汐因子應(yīng)相同或相近。

圖4 寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀質(zhì)量指標(biāo)對比

2020年1月至6月期間,兩套傾斜儀潮汐因子相差較大,這可能與山洞建成初期周圍巖體沒有完全穩(wěn)定、洞體內(nèi)部濕度大等有關(guān)。 2020年7月開始,兩套儀器的潮汐因子趨于相同,說明兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,結(jié)果符合相關(guān)理論[5,8]。

以地傾斜Ⅰ類臺站觀測精度指標(biāo)0.02作為最大值進(jìn)行檢驗(yàn),寬頻帶傾斜儀北南向2020年有6個(gè)月大于0.02,東西向有4個(gè)月大于0.02,2021年北南向有8個(gè)月大于0.02,東西向有4個(gè)月大于0.02。水管傾斜儀北南和東西測向2020年度有兩個(gè)月大于0.02,北西向有八個(gè)月大于0.02,三個(gè)測向2021年度全年均小于0.02?？傮w來看,水管傾斜儀觀測精度明顯優(yōu)于寬頻帶傾斜儀。

運(yùn)用均方連差法,計(jì)算寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀2020年和2021年非潮汐部分的噪聲水平(表2)。通過噪聲水平數(shù)據(jù)對比,可以看出寬頻帶傾斜儀兩個(gè)測向噪聲水平低于水管傾斜儀。同時(shí),兩套儀器的東西向噪聲水平均優(yōu)于北南向,這一結(jié)論與地傾斜固體潮理論是一致的。

表2 寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀相對噪聲對比

1.5 自然環(huán)境影響對比

西安地震臺舊山洞由于進(jìn)深淺、覆蓋層薄,水管儀日常觀測容易受到大風(fēng)、強(qiáng)降雨氣壓變化等干擾。2021年1月10～11日寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀受大風(fēng)影響對比情況可以看出(圖5),新山洞水管儀、寬頻帶傾斜儀觀測數(shù)據(jù)未受到明顯影響,舊山洞水管儀數(shù)據(jù)噪聲明顯變,這與新山洞覆蓋層厚、進(jìn)深較深、封閉性好等有關(guān)[7]。

圖5 2021年1月10～11日西安臺舊山洞與新山洞寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀一階差分曲線

2020年7月10日至7月12日,受持續(xù)強(qiáng)降雨影響,地表載荷增加,新山洞水管傾斜儀、寬頻帶傾斜儀觀測數(shù)據(jù)在這期間未出現(xiàn)明顯變化,而舊山洞水管儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯變化,北南向由北傾變?yōu)槟蟽A,東西向加速西傾(圖6)。進(jìn)一步反映了新山洞覆蓋層較厚,幾乎不受降雨影響,觀測環(huán)境和運(yùn)行條件優(yōu)越,洞內(nèi)溫差變化等均符合形變儀器觀測環(huán)境要求[9]。

圖6 西安臺舊山洞與新山洞寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀受降雨影響對比曲線

1.6 強(qiáng)遠(yuǎn)震同震響應(yīng)對比

選取2022年1月8日青海海北州門源縣Ms6.9、2021年5月22日青海果洛州瑪多縣Ms7.4地震,分析兩套儀器的同震響應(yīng)情況。

2022年1月8日青海門源發(fā)生Ms6.9地震(37.77°N,101.26°E,震源深度10 km,震中距807 km),西安地震臺寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀均記錄到同震變化(圖7),都有突跳、震蕩現(xiàn)象。其中,寬頻帶傾斜儀北南向變化幅度約353 ms,東西向變化幅度約764 ms。水管傾斜儀北南向變化幅度約283 ms,東西向變化幅度約232 ms,北西向變化幅度約100 ms。

圖7 2022年1月8日門源Ms6.9地震形態(tài)對比

2021年5月22日青?，敹喟l(fā)生Ms7.4地震(34.59°N,98.34°E,震源深度17 km,震中距976 km),兩套傾斜儀均記錄到同震變化(圖8),突跳、震蕩現(xiàn)象明顯,其中寬頻帶傾斜儀北南向變化幅度約1 108 ms,東西向變化幅度約624 ms。水管傾斜儀北南向變化幅度約770 ms,東西向變化幅度約909 ms,北西向變化幅度約407 ms。

圖8 2021年5月22日瑪多Ms7.4地震形態(tài)對比

通過以上兩個(gè)震例分析可看出,兩套儀器相比較,寬頻帶傾斜儀記錄到同震變化的時(shí)間早、幅度大、持續(xù)時(shí)間更長。這一方面與兩套儀器在高頻段的幅頻特性差異有關(guān),另一方面還需要考慮信號的同源性。超長周期信號,其波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過儀器的基線長度,信號可以看成是同源的,因此記錄波形比較一致;對于高頻信號,由于其波長較短,基線長度不同導(dǎo)致的信號源不同就顯現(xiàn)出來,輸入信號就不能完全看成是同源的,因此就導(dǎo)致兩種儀器記錄的數(shù)據(jù)有差別[8]。

2 結(jié)論及討論

通過對2020～2021年西安臺新山洞VP型寬頻帶傾斜儀和DSQ型水管傾斜儀的觀測資料進(jìn)行對比分析,得出:

(1)2020～2021年西安臺新山洞寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率均大于99%,受人為干擾和儀器多次檢修的影響,2020年水管傾斜儀數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率小于99 %。

(2)寬頻帶傾斜儀兩個(gè)測向觀測數(shù)據(jù)較好,水管傾斜儀北南和東西向數(shù)據(jù)漂移較大,北西向數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定,但兩套儀器目前均無明顯年變形態(tài),這可能與區(qū)域構(gòu)造和地下介質(zhì)有關(guān)。

(3)水管傾斜儀觀測精度和噪聲水平明顯高于寬頻帶傾斜儀。

(4)強(qiáng)降雨、大風(fēng)等自然環(huán)境變化對兩套儀器觀測沒有明顯影響。

(5)寬頻帶傾斜儀記錄到強(qiáng)遠(yuǎn)震同震變化較水管傾斜儀的時(shí)間更早、幅度更大、持續(xù)時(shí)間更長,這與兩套儀器高頻段的幅頻特性、基線長度、輸入信號的頻率等有關(guān)。