郭偉 陳立峰 蘇亞梅 胡瑋 賈昊東

1）烏加河地震臺，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015331

2）內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010

0 引言

地傾斜觀測是地震前兆監(jiān)測的主要手段，其觀測的對象是瞬時地平面相對大地水準面之間角度隨時間的變化（熊先保等，2013）。借助數(shù)字化地傾斜觀測儀可觀測到地震時的震時形變波（狄樑等，2013a）。連續(xù)形變儀器記錄能夠反映地球巖石性質變化和地殼應力、應變引起的傾斜及潮汐動態(tài)變化，水管傾斜儀作為觀測地殼形變的儀器可為監(jiān)測地殼年變規(guī)律演變、傾斜速率及動態(tài)變化提供優(yōu)質數(shù)據(jù)（陳德福，1993）。DSQ水管傾斜儀是我國自行研制的一種高精度固體潮觀測儀器，可用于自動測量地殼的傾斜變化。該儀器靈敏度較高，抗干擾性能相對較弱，因此對觀測條件要求較高（張榮挺等，2002）。近年來，國內(nèi)研究者開展了相關方面的研究，趙長紅等（2009）認為DSQ水管儀的精度主要受臺站所在地的地質條件、觀測場地形地貌、洞室條件等的影響；徐寧（2006）通過研究廣西地區(qū)地質環(huán)境和巖性，得出基巖種類、硬度和塊體大小決定噪聲水平的結果；盧雙苓等（2012）研究發(fā)現(xiàn)基巖的選擇直接關系到儀器的內(nèi)在精度，如泰安臺水管儀經(jīng)“九五”“十五”改造及硐室環(huán)境、基線墩密封改造后，精度有一定的提高，但沒有更大幅度的根本性提高，這說明在選定臺址后一般對基巖的選擇余地不大。

同震響應主要指地震發(fā)生后數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘在臺站觀測到的顯著波動和階躍變化（姚菲菲等，2016；胡瑋等，2017）。牛安福等（2005）研究了強地震引起的同震形變響應；楊躍文等（2010）對麗江臺水管儀進行了頻譜分析及同震震后效應研究；陳順云等（2013）利用Terra、Aqua衛(wèi)星地表溫度探索汶川地震同震熱響應；方宏芳等（2010）、楊婕等（2011）、馬棟等（2011）、張創(chuàng)軍等（2012）、方燕勛等（2014）、袁媛等（2014）、周江林等（2015）、鐘天任等（2016）分別研究了福建漳州、臺灣、河北、陜西乾陵、浙江湖州、上海、北京、廣東等地區(qū)數(shù)字形變資料的同震響應特征。

Venedikov調和分析方法是基于最小二乘法的一種固體潮分析方法（劉序儼等，1989），很多研究者將Venedikov調和分析方法用于水管儀效能分析。張遠城等（2003）、狄樑等（2013a）、薛生瑞等（2013）、趙小賀等（2014）分別運用Venedikov調和分析方法計算了常熟臺、離石臺、廈門臺、馬陵山臺水管儀的傾斜潮汐M2波潮汐因子γ值均方差，并進行了質量跟蹤。

本文選取位于鄂爾多斯塊體北緣的烏加河臺、包頭臺、烏海臺的觀測資料研究儀器特征參數(shù)，并進行Venedikov調和分析和同震響應分析，以期為提高儀器觀測精度提供一定的科學依據(jù)。

1 地震地質構造背景及臺站概況

鄂爾多斯塊體北緣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)，主要包括河套斷陷系和山西斷陷系北部（高立新等，2017），是鄂爾多斯塊體與陰山隆起之間的活動構造邊界帶，也是華北地區(qū)西北部的一條以拉張作用為主的地震構造帶（韓曉明等，2018）。20世紀70年代以來，鄂爾多斯塊體北緣發(fā)生了多次中強地震，如1976年和林格爾6.3級、八音木仁6.2級地震，1979年五原6.0級、5.2級地震，及1981年豐鎮(zhèn)5.8級地震、1983年磴口5.2級地震等（孫加林，1985）。

烏加河地震臺地處陰山緯向構造帶的中西段與狼山弧型構造帶的復合部位，臺址位于狼山山前第四紀活動斷裂附近，地理位置為內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮(zhèn)北，觀測專用洞室山體為花崗巖體，山洞海拔1052m，進深250m，整個山洞全部被覆，洞頂覆蓋厚度130m，側面厚度大于70m，洞口方位為SW40°；包頭地震臺地處華北地臺北部的陰山隆起帶與河套斷陷交匯區(qū)，位于包頭市九原區(qū)興勝鎮(zhèn)色氣灣村原駐軍100號坑道，山洞為軍事工程，山洞海拔1330m，巖石覆蓋厚度大于50m，基巖屬黑云角閃斜長片麻巖，洞內(nèi)日溫差小于0.03℃，年溫差小于0.10℃，相對濕度大于80%，背景干擾較小，觀測條件優(yōu)越；烏海地震臺位于華北地臺、西北地臺、天山-興蒙斷褶系交匯區(qū)，該區(qū)域屬鄂爾多斯西北緣、卓資山斷裂的西側，形變觀測洞室海拔1128m，巖性為片麻巖，伴有花崗巖巖脈，巖性較為完整，山洞進深200多m，為防止氣流干擾，在洞內(nèi)安裝3道船艙門，1道塑鋼門（包東健，2016）。

2 資料選取

本文共選取了2類數(shù)據(jù)，一類是位于鄂爾多斯塊體北緣的烏加河臺、包頭臺、烏海臺的DSQ水管儀2015～2017年觀測數(shù)據(jù)的日均值，另一類是3個臺站記錄到的8次具有代表性的地震的資料，分別對其進行觀測資料對比及同震響應分析（圖1、表2）。

圖1 臺站分布

3 原理方法

DSQ水管儀利用的是連通管原理，即當臺基發(fā)生相對位移時，水管儀兩端點缽體內(nèi)液面會發(fā)生變化，通過浮子、位移傳感器等將其轉換成電信號輸出，然后將位移變化轉換為相應的地傾斜角（劉序儼等，1989）。參照地殼形變學科陳德福研究員等擬定的有關技術指標，用剔除每年人為調零的連續(xù)數(shù)據(jù)的日均值計算得到年零漂。

相對噪聲水平M1是衡量觀測資料長期穩(wěn)定性的一項重要指標，M1是用契比雪夫多項式與一個年度觀測資料的5日均值作30階擬合得到的（趙小賀等，2014），公式為

其中，n＝0，1，2，…，m。

Venedikov調和分析方法（VHAM）是在頻率域內(nèi)由隱含在觀測值中各波群的觀測振幅與理論振幅之比以及觀測相位與理論相位之差計算出來的（呂品姬等，2010）。VHAM的要點是：對連續(xù)48h的觀測數(shù)據(jù)使用Venedikov數(shù)字濾波器進行濾波，濾去觀測值中的漂移和長周期成分并將日波、半日波和1／3日波分離開，然后基于最小二乘法獨立求解日波、半日波和1／3日波的潮汐參數(shù)。該法的優(yōu)點主要有：①不要求整個觀測數(shù)據(jù)序列連續(xù)，只要求48h內(nèi)數(shù)據(jù)連續(xù)；②日波、半日波和1／3日波的潮汐參數(shù)獨立求解，使方程組的尺度大為減小，有利于內(nèi)存小、速度慢的計算機進行計算。由于固體潮的數(shù)學表達式是調和函數(shù)，任意時刻的值都可以表示成無數(shù)個簡單諧波之和，因此從理論上講，只要觀測序列的長度和精度足夠，直接使用基于最小二乘法的調和分析方法，即可分離出整個頻段的任何一個分波（周摯等，2005；唐九安等，1997；段華琛，1991；陳德福，1993）。

4 結果及分析

4.1 觀測資料分析

本文選用2015～2017年位于鄂爾多斯塊體北緣的3個臺站（烏加河臺、包頭臺、烏海臺）的觀測資料為基礎數(shù)據(jù)，通過年零漂、相對噪聲水平M1、M2波潮汐因子γ值均方差等特征參數(shù)的對比研究，衡量儀器的穩(wěn)定性、靈敏度等性能，評估儀器工作狀況，并且進一步分析得出影響觀測資料質量的關鍵因素，以期使觀測質量不斷提高。

儀器零漂是衡量觀測儀器和基墩穩(wěn)定程度的一個重要指標，通過計算2015～2017年烏加河臺、包頭臺、烏海臺的年零漂，得到如表1所示的結果。由表1可見，包頭臺年零漂波動較??；烏加河臺次之；烏海臺2017年NS向漂移較嚴重，其原因是洞室密封不好，氣流流動引起水分蒸發(fā)較快導致洞體干燥、濕度過低，經(jīng)常需要加水和調零，2017年全年共加水9次，每次加水20～40mL，6～7天調零1次。

表1 2015～2017年3個臺年零漂對比分析

對水管儀2015～2017年觀測數(shù)據(jù)的日均值作相對噪聲水平分析，結果如圖2所示。由圖2可見，烏加河臺水管儀NS向相對噪聲水平從2015年起逐漸上升；EW向2016年與2015年基本持平，但2017年也大幅上升，說明烏加河臺水管儀的穩(wěn)定性在下降。烏海臺水管儀的相對噪聲水平也在增加，且NS向變化較EW向更加明顯?？傮w來看，包頭臺相對噪聲水平除2015年EW向為0.0002以外，其他均穩(wěn)定在0.0001；烏加河臺相對噪聲水平為0.0001～0.0005，烏海臺相對噪聲水平為0.0002～0.0007，均符合優(yōu)秀臺站所要求的0.02″的指標。由相對噪聲水平越小則穩(wěn)定性越好可知，包頭臺的儀器穩(wěn)定性最好，烏加河臺次之，烏海臺最差。

剔除外界影響因素，應用VenediKov調和分析方法，按月對水管儀整點值數(shù)據(jù)作調和分析，求取表征觀測資料內(nèi)在質量的M2波潮汐因子 γ值均方差值，結果如圖3所示。由圖3可見，包頭臺水管儀NS向M2波潮汐因子γ值均方差mγ從2015年起逐漸上升，EW向基本持平；烏加河臺水管儀NS向2015、2017年的mγ均較大，EW向也基本持平；烏海臺水管儀2017年mγ顯著增加，且NS向變化較EW向更加明顯?？傮w來看，包頭臺mγ為0.002940～0.016263，烏海臺為0.004944～0.028126，烏加河臺為0.004447～0.014914，均符合形變觀測規(guī)范中mγ＜0.02的要求。

4.2 同震響應分析

圖3 2015～2017年3個臺M2波潮汐因子γ值均方差mγ

本文選取2015～2017年記錄到的8個地震為研究對象，其震級4.0≤ML≤7.0，既有國內(nèi)地震又有國外地震，因選取地震的震中與烏加河臺、包頭臺、烏海臺之間的距離相近，故主要從水管儀的響應延遲時間、持續(xù)時間和最大振幅等3個方面進行同震響應分析。8次地震包括僅烏加河臺水管儀NS向記錄到的蒙古國4.0級地震，震級相近震中距不同的中國四川九寨溝7.0級和俄羅斯7.0級地震，震中距相近震級不同的尼科巴群島5.9級、俄羅斯6.7級地震、中國新疆6.2級及6.6級地震、俄羅斯6.7級地震等（表2）。

由表2可見，隨著震中距的增加，響應延遲時間整體上呈現(xiàn)增加的趨勢，但不是嚴格的線性增加，這與地震波在地下介質中的傳播速度有關。如震中距為1759～2239km時（中國新疆昌吉州呼圖壁縣6.2級、6.6級地震）的響應延遲時間明顯大于震中距為3866～4142km時（俄羅斯7.0級地震），這是由于地震波在不同介質中的傳播速度不同而導致的響應延遲時間的差異。

由表2還可見，包頭臺給出的結果較為穩(wěn)定，隨著震級的增加，水管儀同震響應的最大振幅也相應的增加，即最大振幅與震級間呈正相關；烏加河臺和烏海臺除個別地震外，水管儀最大振幅與震級間也基本呈正相關。如2016年1月21日01：13：13中國青海海門州門源縣6.4級地震，烏加河臺、烏海臺水管儀的最大振幅分別為42.67″、37.74″，遠大于2017年8月9日07：27：52中國新疆博爾塔拉州精河6.6級地震時的最大振幅9.75″、19.14″及2017年3月29日12：09：23俄羅斯6.7級地震時的17.14″、23.73″。烏海臺2017年8月8日21：19：46中國四川九寨溝7.0級地震時的最大振幅為37.35″，遠小于2016年1月30日11：25：10俄羅斯7.0級地震時的60.65″。由此可見，烏加河臺和烏海臺最大振幅與震級間的關系相對來說不如包頭臺體現(xiàn)的好。

表2 同震響應參數(shù)

此外，由表2還可見，隨著震級的增加響應持續(xù)時間整體上呈現(xiàn)增加的趨勢，但不是嚴格的線性增加，這是因為響應延遲時間除了與震級有關之外，還與震中距和儀器阻尼有關。

通過對上述震例進行對比分析，可以得出：水管儀對5級以下地震響應幅度較小，如蒙古國4.0級地震，僅烏加河臺水管儀NS向有記錄，但幅度較小；通過對比中國新疆6.2級與6.6級、尼科巴群島5.9級與俄羅斯6.7級、俄羅斯6.7級與俄羅斯7.0級地震可以發(fā)現(xiàn)，震級越大，響應延遲時間越短，持續(xù)時間越長，最大振幅越大。研究表明，響應延遲時間與震中距間呈正相關，即震中距越大，響應延遲時間越長；最大振幅與震級間呈正相關，即震級越大，最大振幅越大；響應持續(xù)時間的長短依賴于震級、震中距和儀器阻尼等的大小。

5 結論與討論

通過對2015～2017年烏加河臺、包頭臺、烏海臺DSQ水管傾斜儀觀測資料的對比分析和同震響應分析，得出以下結論：

（1）在儀器運行方面，包頭臺水管儀運行平穩(wěn)，故障率低；烏加河臺水管儀受傳感器故障和人為干擾影響較大；烏海臺水管儀由于密封門無法關嚴，長期受到氣流影響，洞體干燥，水分蒸發(fā)較快，水管儀NS向漂移嚴重，從2016年1月2日起頻繁調零、加水。

（2）在儀器內(nèi)精度方面，排除儀器故障和人為干擾對觀測數(shù)據(jù)的影響，通過計算年零漂、相對噪聲水平M1和M2波潮汐因子γ值均方差發(fā)現(xiàn)，包頭臺水管儀的精度和穩(wěn)定性都比其他臺站要好，這主要得益于包頭臺背景干擾較少，觀測條件優(yōu)越，儀器運行穩(wěn)定。

（3）在同震響應方面，水管儀記錄到的同震響應延遲時間與震中距間呈正相關，這是由地震波的傳輸時間直接決定的；最大振幅與震級間呈正相關，主要是由震源及衰減特性所決定的；響應持續(xù)時間的長短依賴于震級、震中距離和儀器阻尼等的大小。

本文在計算年零漂的時，假設了觀測資料的趨勢性變化完全由儀器零漂所引起，并且采用了0階模型描述（即僅考慮平均值，不考慮線性項及高階項）。實際上每個臺站的零漂規(guī)律十分復雜，在今后的研究中將重點關注年零漂的影響因素，從而區(qū)分出趨勢性變化是由儀器零漂所引起的還是由地殼形變所致，解決線性及高階項在零漂中所占比例等問題。