方 偉，起衛(wèi)羅，楊 祺，楊 星，湯長江

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.云南省地震局永勝地震臺，云南 永勝 674200)

DSQ型水管傾斜儀是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，用于測定地殼長期緩慢傾斜變化、傾斜固體潮以及捕捉臨震前兆信息(中國地震局，2012)，在地震前兆觀測和地球動力學研究領域發(fā)揮著不可替代的作用，水管傾斜觀測數(shù)據(jù)質量直接制約著地震事件預報水平。結合觀測山洞基礎信息，通過對水管傾斜觀測質量分析判定，對進一步了解云南區(qū)域觀測環(huán)境的詳細情況，提高水管傾斜儀運行質量、觀測數(shù)據(jù)可靠性以及研究地震孕育的傾斜變化規(guī)律等方面有著重要意義。

1 臺站及觀測山洞基本情況

云南省區(qū)域地震前兆臺網(wǎng)經(jīng)過幾十年的建設以及逐步調整和優(yōu)化，特別是經(jīng)過“九五”和“十五”項目建設，基本建成了綜合性、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、標準化和現(xiàn)代化的地震前兆觀測臺網(wǎng)。本文主要涉及5個DSQ型水管傾斜儀觀測臺站，其基本情況如下：(1)云龍地震臺屬國家形變觀測基本臺，地處于龍陵、保山地震帶及中甸、麗江地震帶之間，在距云龍縣城邊100 m左右的南山半山坡上，臺站北西面距瀾滄江支流沘江約500 m，北面距獅尾河(季節(jié)河)約80 m；北面60 m山腳下有一條(非主要)公路通過；西面(距山洞約70 m處)有一山箐溝，旱季時無水，雨季時山洪順溝而流。云龍臺山洞引洞設隔離門7道(不含9個觀測硐室門)，船艙門2道，儀器觀測墩均為洞體原生細砂巖墩。結合數(shù)十年觀測研究，該臺除偶爾受氣候(如強風、暴雨等)輕微干擾外，無明顯干擾源。(2)永勝地震臺屬國家形變觀測基本臺，地處于程海斷裂北段，距永勝縣城3 km左右，觀測洞西面有一條防洪排水溝渠(寬約1.5 m，水泥砼澆筑，流量不大)，旱季時無水，雨季時山洪順溝而流。永勝地震臺擁有210 m專用觀測山洞，引洞約61 m，山洞引洞設隔離門7道，船艙門2道，儀器觀測墩為完整堅硬的石英砂巖粘接塊墩(完整的砂巖石塊與洞體原生基巖用水泥粘接而成)，經(jīng)數(shù)十年的觀測研究，該臺除偶爾受氣候(如暴雨、氣壓等)輕微干擾外，無明顯干擾源。(3)云縣地震臺屬全國形變觀測基本臺，位于云縣縣城邊，與祥臨公路(車流量較大)相距約200 m，臺站處在瀾滄江西部與青藏斷塊地區(qū)的川滇隆起部，該地區(qū)常年受多重應力的作用導致地質構造和動力特征十分復雜。云縣臺觀測山洞全長240 m，引洞約120 m，平均覆蓋層厚度約50 m，山洞引洞設隔離門6道，船艙門2道，儀器觀測墩為完整堅硬的花崗巖粘接塊墩，經(jīng)40多年觀測研究發(fā)現(xiàn)，該臺受降雨干擾、人為干擾、雷擊影響較大(曹白倫等，2017)。(4)麗江地震臺屬全國形變觀測基本臺，位于麗江市黑龍?zhí)豆珗@旁的象山腳下，臺站處在川滇“頁”字形與云南“山”字形西翼(紅河斷裂北端)構造帶復合部位。麗江臺觀測山洞全長約150 m，引洞約97 m，山洞引洞設隔離門5道，船艙門2道，儀器觀測墩為堅硬完整的灰?guī)r粘接塊墩(東端、西端、南端)和經(jīng)打磨的原生基巖墩(北端)，平均覆蓋厚度約106 m，覆蓋面為天然灌木植被夾雜出露的灰?guī)r巖體，坑道洞口位置下陡75°左右、上緩45°左右，山坡下部背陽坡。經(jīng)多年觀測研究發(fā)現(xiàn)，該臺受雷擊、潮濕、人為干擾等因素影響較大。(5)昭通地震臺屬全國形變觀測基本臺，位于昭通市昭陽區(qū)圓寶山腳下的二環(huán)路邊，觀測山洞山體東西兩側被大量開挖建設房地產(chǎn)，臺站處于小江斷裂西邊，東臨馬邊—彝良斷裂，是地震活動頻繁的地區(qū)，臺基屬晚生代二疊紀玄武巖。昭通臺觀測山洞全長110 m，引洞長97 m，山洞覆蓋層厚度約40 m，山洞引洞設隔離門4道，船艙門1道，儀器觀測墩均為完整堅硬的粘接塊墩。該臺站觀測環(huán)境受到嚴重破壞，常年受周邊基建、降雨、道路車輛行駛等因素干擾。云南區(qū)域5個觀測山洞的洞體信息及水管傾斜記錄參數(shù)信息見表1。

表1 地震觀測山洞洞體信息及水管傾斜記錄參數(shù)

注：洞溫年變?yōu)?015～2017年SSY型伸縮儀洞溫傳感器記錄的洞溫年變的算術平均值，其中麗江臺洞溫儀器常出現(xiàn)故障，其數(shù)據(jù)為非故障時段的洞溫儀器觀測數(shù)據(jù)的算術平均值。

表2 2015～2017年云南區(qū)域DSQ型水管傾斜觀測數(shù)據(jù)完整率統(tǒng)計

注：完整率均采用學科組的月評結果統(tǒng)計計算所得。

2 觀測資料質量分析

2.1 數(shù)據(jù)完整性分析評價

數(shù)據(jù)完整性是觀測數(shù)據(jù)質量的基礎評價指標，它反映了觀測系統(tǒng)運行狀態(tài)及產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可用情況。完整率為儀器產(chǎn)出的有用數(shù)據(jù)總數(shù)與儀器應產(chǎn)出數(shù)據(jù)總數(shù)的百分比(劉春國等，2017)，其中，有用數(shù)據(jù)為原始觀測數(shù)據(jù)按照形變學科預處理標準預處理后的剩余數(shù)據(jù)(簡稱為預處理數(shù)據(jù))。在全國數(shù)字化形變資料評比中，當觀測數(shù)據(jù)完整率大于(或等于)99.5%不扣分(中國地震局，2012)。云南區(qū)域5個地震臺2015～2017年的水管傾斜觀測數(shù)據(jù)完整率見表2。結合數(shù)據(jù)缺數(shù)預處理情況匯總表(見表3)分析可知，2015～2017年云龍臺3個分量、云縣NS向、昭通NS向的完整率較高，說明云龍、云縣、昭通3個臺的DSQ型水管觀測系統(tǒng)的洞外部分的主機和數(shù)采部分工作較為穩(wěn)定。云縣EW向、昭通EW向數(shù)據(jù)完整性相對不理想的原因是其洞內傳感器模塊故障較多、標定困難所致。麗江DSQ型觀測系統(tǒng)故障率較高，儀器工作不穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)完整性較低。

表3 2016～2017年云南區(qū)域DSQ型水管傾斜觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)預處理情況匯總

注：缺數(shù)預處理范圍包括儀器故障檢修缺數(shù)處理、調零標定缺數(shù)預處理、明顯干擾缺數(shù)預處理等。

2.2 觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性分析評價

觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響著觀測數(shù)據(jù)的完整性。觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性除了與儀器設備本身質量有關外，最重要的影響因素是各觀測系統(tǒng)的運行環(huán)境，如設備的供電穩(wěn)定水平、觀測山洞溫度變化、觀測山洞濕度、觀測區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境等。結合云南區(qū)域5個觀測山洞的洞體信息及水管傾斜記錄參數(shù)信息(見表1)，利用年零漂、年變幅以及相對噪聲水平等指標來分析5套水管傾斜觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(1)年零漂和年變幅

年零漂主要是用來衡量觀測儀器及其基墩穩(wěn)定程度或地殼繼承性的新構造運動(中國地震局監(jiān)測預報局，2008)。零漂一般受元器件老化導致儀器本身漂移、地球內部密度變化或物質遷移、外界干擾(包括溫度、氣壓、電壓、濕度等變化)影響(吳雪芳等，1984)。根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范》要求，地傾斜觀測年零漂小于2 000 ms。本文中的年零漂采用潮汐值法(中國地震局，2012)，用每年的12月31日23時整點值減去同年1月1日零點值所得(見圖1)。年變幅是一年中觀測數(shù)據(jù)的最大值減去觀測數(shù)據(jù)的最小值所得，統(tǒng)計結果見圖2，年變幅的大小可以用來表征觀測山洞熱彈形變大小。

圖1 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)年零漂統(tǒng)計

圖2 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)年變幅統(tǒng)計

結合表1中的觀測山洞洞體信息，綜合分析圖1、圖2可知：①年零漂、年變幅參數(shù)能較好的表征觀測山洞抗氣象干擾的優(yōu)劣程度；其中年零漂、年變幅參數(shù)較優(yōu)的分別是云龍臺、永勝臺、麗江臺。②5個臺站中，只有昭通臺水管儀EW向年零漂大于 2 000 ms，不達標，這主要是由于昭通臺觀測山洞所處的圓寶山東西兩側山體在近兩年來被大量開挖建設房地產(chǎn)，受環(huán)境干擾所致。③云縣臺3分量年零漂較小而年變幅較大，這主要是因為云縣觀測山洞覆蓋厚度較薄，形變觀測山洞所在山體疑為滑坡體，易受天氣(降水、雷電)干擾，一年雨旱兩季中，云縣觀測山洞受天氣影響導致熱彈形變量較大(曹白倫等，2017)。

(2)相對噪聲水平

長周期擬合相對噪聲水平M1是表征地傾斜潮汐觀測資料的1年長期穩(wěn)定性精度的重要的定量指標，本文中的相對噪聲水平M1是采用契比雪夫多項式與1年度觀測資料73個五日均值作30階擬合而得(周克昌等，2011)，各臺站觀測數(shù)據(jù)的相對噪聲水平見圖3。根據(jù)《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范》要求，相對噪聲水平需小于0.02″(中國地震局，2012)。從圖3可看出云南區(qū)域5個臺站的相對噪聲水平均小于0.02″，其中相對噪聲水平較好的為云龍臺、永勝臺、麗江臺3個臺站。

注：2015年麗江臺2分量因儀器故障缺數(shù)較多導致M1無法計算；2016年昭通臺EW向因儀器故障導致M1>0.02″。圖3 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)相對噪聲水平統(tǒng)計

2.3 固體潮汐參數(shù)分析

本文中的固體潮汐參數(shù)主要是觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子相對中誤差Mr(簡稱內精度)和觀測數(shù)據(jù)潮汐因子標準差(簡稱外精度)(劉春國等，2017)。其中，M2波潮汐因子相對中誤差Mr是衡量傾斜觀測資料內精度的一項最重要的指標，觀測數(shù)據(jù)潮汐因子標準差是衡量傾斜觀測資料外精度的一項重要指標。本文中M2波潮汐因子相對中誤差是按地震行業(yè)標準《地震地殼形變觀測方法 地傾斜觀測》(DB/T 45-2012)中的Venedikov調和分析方法，選取每個測向1個月長度的傾斜觀測數(shù)據(jù)分別進行Venedikov調和分析，圖4中的計算結果為Mr的年平均值。按照《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范》要求，M2波潮汐因子相對中誤差Mr需小于0.02″。云南區(qū)域5個臺站的水管傾斜觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子標準差(簡稱外精度)如圖5所示。外精度表征了各測向觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子序列的離散程度(楊紹富等，2017)，其測值越小，觀測精度越高。

圖4 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子相對中誤差統(tǒng)計

圖5 DSQ型水管傾斜儀各測向觀測數(shù)據(jù)M2潮汐因子標準差統(tǒng)計

從圖4、圖5中可看出：①云南區(qū)域5個臺站的水管儀觀測資料內精度Mr均小于0.02″，云南區(qū)域5個形變觀測臺站均達到國家I類臺標準。其中Mr內精度較好的臺站分別是云龍臺、永勝臺、麗江臺。②云南區(qū)域5個臺站的水管儀觀測資料外精度較好的臺站為云龍臺、永勝臺、云縣臺。其中麗江臺外精度較差的主要原因是系統(tǒng)故障較多，供電系統(tǒng)不穩(wěn)定，山洞密封性較差使觀測系統(tǒng)受外界干擾較大(主要指洞溫年變大、洞內氣壓變化大等)，從而導致觀測數(shù)據(jù)突跳、臺階異常情況較多。

3 結論及改進措施

通過對云南區(qū)域5套水管傾斜觀測系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)：①水管傾斜儀基線長度、觀測系統(tǒng)信號放大倍數(shù)是影響DSQ型水管傾斜觀測系統(tǒng)內精度的重要指標(曹白倫等，2017)；②觀測山洞密封性和相對濕度指標是影響洞內裝置系統(tǒng)是否穩(wěn)定運行的重要指標，在新建、改造觀測山洞時，應將觀測山洞密封性與相對濕度指標放在最首要位置。為提高山洞內觀測系統(tǒng)的質量，觀測山洞應盡量滿足以下定量指標：山洞覆蓋厚度應大于80 m且山體植被茂盛為宜；山洞基巖應完整且以細砂巖和花崗巖為最佳；觀測墩基線長度大于30 m；洞溫年變應小于0.08 ℃且相對濕度小于85%；洞內照明線路應將交流供電方式改成48 V直流供電方式，觀測區(qū)與引洞之間設防水開關。綜合考慮各臺站的觀測山洞信息以及觀測質量指標分析結果，提出相應的改進措施，從而提高云南區(qū)域各臺站DSQ型水管傾斜觀測質量。

(1)麗江水管傾斜觀測系統(tǒng)除數(shù)據(jù)完整率、觀測數(shù)據(jù)外精度質量指標較差外，其M2波潮汐因子相對中誤差、M1相對噪聲水平、年零漂、年變幅度等各項質量指標相對較好，總體來看，麗江臺觀測山洞硬件條件較好，適宜開展地震前兆觀測。此外，麗江水管傾斜觀測系統(tǒng)存在裝置系統(tǒng)故障率高、洞體密封性差、濕度大等問題。為提高觀測質量，提出如下改進措施：①現(xiàn)山洞內的測量線路是從山洞房房頂布設至二樓機房，線路布設方式在雷雨天氣受干擾較大，最好應將水管儀觀測主機放在山洞房內，以減少雷雨天氣的干擾；②麗江臺常出現(xiàn)因UPS負載功率較大導致電壓不穩(wěn)的情況，建議架設監(jiān)測設備專用供電線路，減少 UPS負載，配備參數(shù)穩(wěn)壓器；③從表1中可看出，麗江臺洞溫年變較大(大于0.44℃)，相對濕度較大，山洞密封性不佳，建議封堵洞內線槽孔、更換密封門、更換儀器保溫泡沫等(趙長紅等，2009)；④麗江臺觀測日志描述不清晰，月報中預處理原因不詳細，數(shù)據(jù)預處理中存在過處理情況，應加強日常預處理的規(guī)范性管理。

(2)云縣觀測山洞相對濕度最大，洞體溫度最高，洞體覆蓋厚度較薄，整個山體在降水、雷電天氣影響下熱彈形變量較大，水管儀NS分量觀測基線長度較短，總體來看，云縣觀測山洞硬件條件不是很理想。從各項觀測數(shù)據(jù)質量指標來看，除數(shù)據(jù)完整率指標相對較好外，年零漂、年變幅、M2波潮汐因子相對中誤差、M1相對噪聲水平等指標均不理想，尤其是云縣水管儀NS分量因基線較短，導致該分量M2波潮汐因子相對中誤差值較大，內精度較低。為提高觀測質量，提出以下改進措施：①建議在資金允許的條件下，重新選點新建觀測山洞；②嘗試調整水管NS分量放大倍數(shù)，找出適合該分量的最佳放大倍數(shù)；③因山洞較為潮濕，洞內信號線易腐蝕、標定齒輪易卡死、傳感器易受潮，建議更換防潮性能較好的信號線纜，將洞內基線部分重新加蓋防潮保溫泡沫，并鋪設防水塑料膜(楊紹富等，2018)。

(3)昭通水管傾斜觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，日常預處理工作詳細，但觀測山洞硬件條件不足，具體表現(xiàn)為觀測分量基線較短(均有12 m)、山洞覆土厚度較薄，觀測山體受房地產(chǎn)開發(fā)干擾嚴重。在資金充足的條件下，建議選點重建觀測山洞。

(4)永勝水管傾斜觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項質量指標較優(yōu)秀，時有雷雨干擾、人為干擾。結合各分量的質量指標分析情況，提出幾點改進措施：①結合故障統(tǒng)計情況與各分量數(shù)據(jù)完整率情況，永勝臺應加強日常預處理工作，避免過處理情況發(fā)生；②裝置運行方面，應注重雨季防雷，注重標定裝置養(yǎng)護，盡量減小因進洞調零、標定、檢修養(yǎng)護造成的人為干擾；③永勝水管NS分量觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子相對中誤差相對EW分量較大，建議調整NS分量信號放大倍數(shù)，找到適合該分量的最佳放大倍數(shù)。

(5)云龍水管傾斜觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，觀測山洞硬件條件較為理想，各項質量指標較優(yōu)秀，應減小觀測人員進洞調零、標定、檢修的人為干擾，加強臺站觀測數(shù)據(jù)成果產(chǎn)出方面的工作。