張錦萍，李?yuàn)檴?，?蘭，賴愛京，徐衍剛（．新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇中心地震臺(tái)，新疆 阿克蘇 84000；．新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫(kù)爾勒地震臺(tái)，新疆 庫(kù)爾勒 84000；．新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)地震局，新疆 阿克蘇 84000）

烏什地震臺(tái)水管傾斜儀觀測(cè)資料分析

張錦萍1，李?yuàn)檴?，唐 蘭3，賴愛京1，徐衍剛1
（1．新疆維吾爾自治區(qū)地震局阿克蘇中心地震臺(tái)，新疆 阿克蘇 843000；2．新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫(kù)爾勒地震臺(tái)，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3．新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)地震局，新疆 阿克蘇 843000）

利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法及調(diào)和分析精確計(jì)算儀器穩(wěn)定性指標(biāo)，對(duì)烏什地震臺(tái)數(shù)字化水管傾斜儀2009年1月—2014年12月觀測(cè)資料的運(yùn)行、變化趨勢(shì)和受干擾情況做初步分析，結(jié)果顯示：（1）烏什地震臺(tái)DSQ水管儀觀測(cè)資料連續(xù)，儀器精度高, 穩(wěn)定性好；（2）影響水管儀內(nèi)精度的干擾因素較多，其中水質(zhì)變壞，多次更換維修更換液體的影響程度最高；（3）通過多次震例總結(jié)，說明烏什地震臺(tái)水管傾斜儀具有一定的地震前兆異常監(jiān)測(cè)能力。

水管儀；資料分析；調(diào)和分析；干擾分析

0 引言

DQS型水管儀是自動(dòng)測(cè)量地殼傾斜變化的一種精密儀器，用來測(cè)定地傾斜緩慢變化、傾斜固體潮與捕捉地震前兆信息[1]，能夠提供地球固體潮汐、地殼巖石性質(zhì)及地球參數(shù)等科學(xué)數(shù)據(jù)，掌握地震事件周期、應(yīng)力的變化以及相關(guān)地殼變形之間的關(guān)系[2-3]，通過水管傾斜儀觀測(cè)資料質(zhì)量分析，對(duì)進(jìn)一步提高水管儀的運(yùn)行質(zhì)量和可靠性及研究地震孕育的傾斜變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)有著積極的意義。本文以烏什臺(tái)數(shù)字前兆形變觀測(cè)水管儀觀測(cè)資料為研究對(duì)象，通過精確計(jì)算2009 —2014年水管傾斜儀穩(wěn)定性指標(biāo)，對(duì)觀測(cè)資料的運(yùn)行、變化趨勢(shì)和受干擾情況做初步分析，綜合性研究和評(píng)估資料穩(wěn)定性，為地震分析預(yù)報(bào)提供可靠的資料，對(duì)做好地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作有著重要的意義。

1 臺(tái)站概況及水管傾斜儀的基本情況

1.1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境

烏什地震臺(tái)位于天山南麓、塔里木盆地北緣、柯坪地塊的西北緣，在大地構(gòu)造上跨及南天山地槽和塔里木盆地及其之間的過渡地帶[4]。臺(tái)址巖性以石英質(zhì)砂巖為主，完整性較好，觀測(cè)點(diǎn)周邊是大片農(nóng)田，無明顯干擾源，是形變觀測(cè)的理想場(chǎng)地[5]。

烏什地震臺(tái)形變觀測(cè)山洞建于1985年，頂部覆蓋約35m，洞內(nèi)年溫差＜ 0.2℃，日溫差＜0.01℃，觀測(cè)環(huán)境干燥；山洞呈NS走向，進(jìn)深約50m，有2個(gè)EW向偏洞，1個(gè)安放地震儀的擺，另1個(gè)安放石英傾斜儀。2004年為適應(yīng)“十五”期間增上觀測(cè)儀器的要求，將NS方向延長(zhǎng)到70m，將安放傾斜儀的EW向偏洞延長(zhǎng)到20m，建立水管儀、伸縮儀的觀測(cè)空間。另外“十五”期間烏什臺(tái)還增上重力潮汐觀測(cè)儀器，因此在距洞口25m處，向東開挖10m的偏洞，建立重力儀的觀測(cè)空間，主洞及支洞合計(jì)總深度約82m。山洞內(nèi)有4道塑鋼門，保溫性較好。

表1 烏什臺(tái)水管儀主要性能參數(shù)

1.2 儀器性能參數(shù)

烏什地震臺(tái)DSQ水管傾斜儀于2006年10月3日架設(shè)，架設(shè)初期兩分量基線長(zhǎng)度均為19.04m，2013年11月11日更換蒸餾水和架設(shè)比測(cè)儀器時(shí)在連通管上安裝了一個(gè)三通管，兩分量基線長(zhǎng)度增為19.16m；臺(tái)基為石炭系砂巖，完整性較好，兩端基墩為完整大理石，用高標(biāo)號(hào)水泥漿與巖石粘接，兩端基墩高差＜3mm。經(jīng)過近幾年的運(yùn)行，目前該儀器運(yùn)行正常，烏什臺(tái)水管傾斜儀的主要性能及觀測(cè)參數(shù)如表1所示。

2 觀測(cè)資料分析

烏什地震臺(tái)水管傾斜儀于2006年10月架設(shè)并投入觀測(cè)，現(xiàn)參照地殼形變學(xué)科組擬定的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)烏什地震臺(tái)2009—2014年水管傾斜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行全面整理、分析，對(duì)資料的連續(xù)率、完整率、年零漂、年變幅、噪聲水平及M2波潮汐因子均方差等穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行檢定。

2.1 數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)

楊又陵等[4]選用烏什臺(tái)水管儀2007年7月—2008年9月的觀測(cè)資料進(jìn)行潮汐參數(shù)及穩(wěn)定性的研究，研究時(shí)段觀測(cè)資料穩(wěn)定性較好，精度達(dá)到并超過了國(guó)家Ⅰ類臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。2007年7月—2010年10月，烏什水管儀運(yùn)行正常，觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定，兩分量年變形態(tài)清晰，此時(shí)段內(nèi)在新疆南部發(fā)生的兩次7級(jí)左右地震（2008年3月21日于田M7.3，震中距657km；2008年10月5日烏恰6.9級(jí)地震，震中距487km）和柯坪塊體2次5級(jí)地震前（2009 年2 月20 日柯坪5.2級(jí)地震，震中距70km；2009 年4月19 日阿合奇5.8 級(jí)地震，震中距71km），均有不同程度的中短期異常或臨震異常[5]。2010年10月后，兩分量出現(xiàn)準(zhǔn)同步趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折[6]，烏什臺(tái)周邊區(qū)域接連發(fā)生2次6級(jí)地震（2012年3月9日新疆和田洛浦縣6.0級(jí)地震，震中距268km；2012年6月30日新疆新源縣與和靜縣交界6.6級(jí)地震,震中距522km）和3次5級(jí)地震（2011 年8 月11 日阿圖什5.8 級(jí)地震，震中距223km；2011年11月1日新疆尼勒克縣、鞏留縣交界MS5.7級(jí)地震，震中距378km；2012年5月31日哈薩克斯坦5.9級(jí)地震,震中距250km），但依據(jù)前兆臺(tái)網(wǎng)中心的月評(píng)反饋，2012年2月起兩分量精度明顯下降，東西分量穩(wěn)定性差，2012年12月更換液體后，東西分量穩(wěn)定性差，2013年5月再次清洗、維護(hù)后，北南分量逐漸穩(wěn)定，東西分量仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)。2013年11月11日換液、維護(hù)后，2014年1月后儀器工作狀態(tài)恢復(fù)正常、狀態(tài)良好。

因此認(rèn)為烏什水管儀資料可分5個(gè)時(shí)段：2006年10月—2007年6月為儀器架設(shè)之初的穩(wěn)定時(shí)段。2007年7月—2012年1月為儀器工作狀態(tài)最好的時(shí)段，預(yù)報(bào)效能最好。2012年2月—2012年12月，兩分量精度下降，東西分量依然有年變，北南分量加速南傾，可能與2012年8月11日阿圖什5.2級(jí)和2013年1月29日哈薩克斯坦6.1級(jí)地震有關(guān)。2012年12月至2013年底為第四時(shí)段，本時(shí)段內(nèi)東西分量基本沒有預(yù)報(bào)意義，北南分量2013年5月后逐步穩(wěn)定。2013年11月11日兩分量再次清洗、維護(hù)后，2014年1月后資料變化穩(wěn)定，用于資料信度較高（圖1）。

圖1 烏什臺(tái)水管儀傾斜曲線Fig.1 The tilt curves of water tube tiltmeter at Wushi Seismic Station

2.2 連續(xù)率和完整率

數(shù)據(jù)連續(xù)是地震預(yù)報(bào)對(duì)前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)的基本要求之一，很多全國(guó)一類形變臺(tái)的數(shù)據(jù)缺測(cè)率都在0.1% 以內(nèi)，在全國(guó)數(shù)字化形變資料評(píng)比中，數(shù)據(jù)連續(xù)率≥99.5%不扣分[7]。完整率是監(jiān)視日常觀測(cè)質(zhì)量的另一重要指標(biāo)，完整率的高低制約著觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量[8]。烏什地震臺(tái)水管儀2009 — 2014年數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率如表2所示。

由表2可知，烏什地震臺(tái)水管儀2009—2014年度連續(xù)率、完整率均高于國(guó)家評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)，除2013年外，其他年份連續(xù)率、完整率均＞ 99.9%，2013年度因水質(zhì)變壞、更換蒸餾水，連續(xù)率、完整率＞ 99.8%,略低于其他年份。

2.3 年零漂和年變幅

年零漂主要用來衡量觀測(cè)儀器及基墩穩(wěn)定程度或地殼繼承性的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[9]。本文采用日均值法進(jìn)行計(jì)算。年變幅的大小可以用來檢視洞室熱彈形變的大小。

烏什地震臺(tái)水管儀2009—2014年度的兩分量各自年零漂、年變幅值如表2所示。由表2可知2009—2014年度的兩分量各自年零漂值均小于2''，北南分量2012、2013年，東西分量2013年零漂值相對(duì)其他年份較大，與水質(zhì)變壞、更換蒸餾水有關(guān)，2013年更換蒸餾水之后，2014年兩分量的零漂值都減小許多，北南分量年零漂為0.4113''，東西分量年漂零更小，為-0.0982''。北南分量年變幅在0.1869''～1.2709''之間，東西分量年變幅在0.2222''～1.7695''之間。

表2 水管傾斜儀2009—2014年度資料連續(xù)率、完整率、年零漂、年變幅

2.4 潮汐因子

潮汐因子是某一分波的觀測(cè)振幅與理論振幅的比值，本文對(duì)烏什臺(tái)水管傾斜資料固體潮使用Venedikov調(diào)和分析方法，計(jì)算其半日波的潮汐因子，計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可見：潮汐因子均值北南分量為0.7483；東西分量為0.6705。潮汐因子中誤差均值北南分量為0.0040，東西分量為0.0024，說明烏什臺(tái)水管傾斜的觀測(cè)資料較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較小。

表3 傾斜潮汐參數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.5 噪聲水平M1和M2波潮汐因子均方差Mγ

M2波潮汐因子均方差是衡量?jī)A斜觀測(cè)資料內(nèi)精度的第一項(xiàng)指標(biāo)，相對(duì)噪聲水平M1，是評(píng)價(jià)傾斜潮汐觀測(cè)資料的一年長(zhǎng)期穩(wěn)定性精度，作為評(píng)定傾斜潮汐觀測(cè)資料質(zhì)量的第二項(xiàng)指標(biāo)[8]，本文按Venedikov調(diào)和分析方法，對(duì)一個(gè)月長(zhǎng)度的傾斜觀測(cè)資料進(jìn)行調(diào)和分析，計(jì)算結(jié)果為Mγ的加權(quán)平均值，由年度觀測(cè)資料的73個(gè)5日均值用切比雪夫多項(xiàng)式做30階擬合計(jì)算噪聲水平M1，計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4中可看出，烏什地震臺(tái)M2波潮汐因子均方差Mγ 、相對(duì)噪聲水平M1的值均小于0.02 ，符合地形變觀測(cè)規(guī)范要求。

表4 2009—2014年水管儀M2波γ值均方差Mγ及相對(duì)噪聲水平M1

3 主要干擾分析

通過對(duì)烏什地震臺(tái)水管傾斜儀多年資料的總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的干擾因素主要可分為：自然干擾、人為干擾、觀測(cè)系統(tǒng)故障及震擾4種類型。

3.1 自然干擾

自然干擾主要是指由于自然環(huán)境的改變?nèi)绻物L(fēng)、打雷、下雨等天氣變化引起水管儀數(shù)據(jù)產(chǎn)生毛刺、抖動(dòng)等現(xiàn)象。小的雷電對(duì)傾斜固體潮的影響主要表現(xiàn)為曲線畸變，但不會(huì)影響日變形態(tài)。大的雷電可能導(dǎo)致數(shù)采不能正常工作，造成數(shù)據(jù)缺測(cè)，甚至損壞主機(jī)，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[9]。如2014年7月2日—3日烏什地震臺(tái)水管儀兩分量受天氣干擾（刮風(fēng)、風(fēng)力6～7級(jí)、打雷、下雨、降水量達(dá)2.2mm）影響，北南分量2日16:54—3日22:12、東西分量2日16:10—3日23:09數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)了毛刺、突跳、階變、鋸齒狀等畸變，最大變化量NS：1.6E-3''、EW：4.9E-3''，同臺(tái)輔助測(cè)項(xiàng)曲線在同時(shí)段內(nèi)明顯記錄到本次氣壓、降雨變化情況（圖2）。刮風(fēng)、雷雨天氣，且降水量在短時(shí)間內(nèi)積累達(dá)到一定量時(shí)，水管儀數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線毛刺狀畸變、突跳等干擾特征，雷雨越大越久，干擾就越明顯且持續(xù)的時(shí)間也就越長(zhǎng)[10]。且由于水管儀器的東西方向的東端處于山體風(fēng)化作用形成的破碎帶上，故刮風(fēng)對(duì)東西分量的影響較大。

圖2 2014年7月2日—3日烏什臺(tái)水管傾斜儀北南分量（a）、東西分量（b） 、氣壓（c）、降水量（d）分鐘值曲線圖Fig.2 The minute value curves of water tube tiltmeter NS（a），water tube tilt EW （b），atmospheric pressure（c），rainfall（d）at Wushi Seismic Station from July 2 to 3, 2014

3.2 人為干擾

烏什地震臺(tái)水管儀受人為干擾影響主要包括以下幾個(gè)方面：（1）調(diào)零、標(biāo)定、檢查、維修儀器、進(jìn)洞落實(shí)異常；（2）由于烏什臺(tái)水管儀和伸縮儀安裝在同一個(gè)儀器槽內(nèi)，因此標(biāo)定、檢查伸縮儀時(shí)，水管儀數(shù)據(jù)同時(shí)間段也會(huì)受干擾。受人為干擾影響的水管儀數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)臺(tái)階、突跳、缺數(shù)等干擾特征，在對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，常常會(huì)將受干擾數(shù)據(jù)做刪除處理，因此影響數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率，降低數(shù)據(jù)質(zhì)量（圖3）。

3.3 觀測(cè)系統(tǒng)

烏什地震臺(tái)水管儀受觀測(cè)系統(tǒng)的影響主要有：電流沖擊干擾、UPS故障、供電故障、傳感器故障、數(shù)采故障，這些干擾會(huì)造成水管儀數(shù)據(jù)出現(xiàn)臺(tái)階、突跳、缺數(shù)，都會(huì)降低觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，而水管儀管內(nèi)蒸餾水水質(zhì)變壞，多次更換蒸餾水更是影響數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量的重要原因。烏什地震臺(tái)水管儀自2012年2月起出現(xiàn)蒸餾水水質(zhì)變壞、端點(diǎn)底座墊塊生銹現(xiàn)象，兩分量精度明顯下降， 2012年12月更換液體后，東西分量穩(wěn)定性差，2013年5月再次清洗、維護(hù)后，北南分量逐漸穩(wěn)定，東西分量仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，潮汐因子明顯偏大，2013年11月11日換液、維護(hù)后清洗水管，更換水管內(nèi)蒸餾水，標(biāo)定結(jié)果合格，固體潮潮汐因子恢復(fù)到正常水平（圖4）。

圖3 烏什臺(tái)水管傾斜儀受人為干擾曲線圖Fig.3 The human disturbance curves of water tube tiltmeter at Wushi Seismic Station

圖4 水管儀潮汐因子Fig.4 The tide factor of water tube tiltmeter

4 映震

就全國(guó)范圍來說，數(shù)字形變觀測(cè)雖然時(shí)間較短，但也有一些較好的震例總結(jié)[5]，例如田山等[11]研究表明：首都圈及外圍區(qū)域形變、重力數(shù)字前兆震前出現(xiàn)的短臨異常特征主要是震前一周內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)高頻抖動(dòng)；劉學(xué)謙等[12]研究發(fā)現(xiàn)：榮陽(yáng)臺(tái)和信陽(yáng)臺(tái)水管儀在周邊幾次較大地震前也存在高頻抖動(dòng)現(xiàn)象。

烏什水管儀架設(shè)以來，在遠(yuǎn)場(chǎng)的7級(jí)左右地震和近場(chǎng)的5級(jí)地震發(fā)生前1～10天，原始觀測(cè)曲線大多出現(xiàn)高頻成份增多（高頻抖動(dòng)）的臨震異常，兩分向中北南分量震前高頻成份增多的震例居多[5]。例如遠(yuǎn)場(chǎng)的烏恰6.9級(jí)地震（2008年10月5日）前，烏什水管儀北南分量出現(xiàn)明顯高頻抖動(dòng)，東西分量也存在一定程度的高頻成份（圖5（a）、（b）；近場(chǎng)的柯坪5.2級(jí)地震（2009年2月19日）地震前5～6天，北南分量數(shù)據(jù)曲線南傾加速且高頻成份增多（高頻抖動(dòng)）的臨震異常顯著（圖5（c））。

圖5 水管儀臨震異常分析Fig.5 The analysis of impending anomaly of water tube tiltmeter

但是2013年1月29日哈薩克斯坦6.1級(jí)地震和3月11日阿圖什5.1級(jí)地震前，烏什水管儀沒有出現(xiàn)上述臨震前的高頻抖動(dòng)異常，可能與2012年年底換液后儀器工作狀態(tài)不正常有關(guān)。

5 結(jié)論

烏什地震臺(tái)水管傾斜觀測(cè)工作，經(jīng)過全體觀測(cè)人員連續(xù)多年不斷努力和探索，在軟件應(yīng)用、儀器維護(hù)等方面做到精益求精，觀測(cè)資料質(zhì)量不斷提高。通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)烏什地震臺(tái)DSQ型水管傾斜儀2009—2014年觀測(cè)資料的觀測(cè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：烏什地震臺(tái)DSQ水管傾斜儀工作性能穩(wěn)定，潮汐因子數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較小，觀測(cè)資料一般性質(zhì)量評(píng)估符合形變規(guī)范要求，達(dá)到全國(guó)先進(jìn)水平，其觀測(cè)資料為地球物理研究提供了優(yōu)秀的基礎(chǔ)觀測(cè)資料。

（2）影響烏什地震臺(tái)水管傾斜儀內(nèi)精度的干擾因素主要是水管儀內(nèi)水質(zhì)變壞，多次換水維修的人為干擾，其次自然干擾、人為干擾、系統(tǒng)故障等干擾因素造成數(shù)據(jù)畸變、缺數(shù)，預(yù)處理時(shí)進(jìn)行缺數(shù)處理也是影響因素之一。

（3）通過長(zhǎng)期的資料積累及多次震例總結(jié)可知，烏什地震臺(tái)水管傾斜儀在多次地震前出現(xiàn)明顯的高頻抖動(dòng)現(xiàn)象，說明烏什地震臺(tái)水管傾斜儀具有一定的地震前兆異常監(jiān)測(cè)能力。

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Analysis on Observational Data of Water Tube Tiltmeter at Wushi Seismic Station

ZHANG Jin-ping1，LI Shan-shan2，TANG Lan3，LAI Ai-jing1，XU Yan-gang1
（1. Aksu Seismic Station of Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Aksu 843000, China；2. Kuerle Station of Xinjiang Earthquake Administration, Xinjiang Kuerle 841000, China; 3. Aksu of Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Aksu 843000, China）

A preliminary analysis for digital water tube tiltmeter from January 2009 to December 2014 observations run, trend and interference of Wushi Seismic Station, using statistical methods and reconcile analysis calculated instrument stability index. The results show that Wushi Seismic Station DSQ water tube tiltmeter observations continuous, high instrument accuracy and good stability. There are many interference factors to influence the water tube tiltmeter accuracy, and water quality deterioration, several repairs and replace liquid have the highest degree of influence. According to several summaries of the earthquake cases, it shows that the water tube tiltmeter has anomaly monitoring capacity for earthquake precursors at Wushi Seismic Station.

water tube tiltmeter; data analysis; reconcile analysis; interference analysis

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.004

1674-8565（2017）02-0020-07

新疆省地震局科學(xué)基金（2015206）；中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題（163102）

2016-12-15

2017-03-05

張錦萍（1988-），女，河南省項(xiàng)城市人，2012年6月畢業(yè)于新疆大學(xué)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事臺(tái)站前兆監(jiān)測(cè)及分析方面的工作。