郭昱琴 付國(guó)超 孫三健 吳 雙

1) 海南省地震局，海南?？?570203

2) 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

1910年里德（Reid）利用形變測(cè)量資料提出彈性回跳說，開創(chuàng)了以地殼中應(yīng)變積累與釋放這一矛盾的相互消長(zhǎng)解釋地震過程的科學(xué)思路，使地形變觀測(cè)成為探索地震前兆的主要途徑之一[1]。根據(jù)大量震例總結(jié)，在孕震過程中會(huì)出現(xiàn)形變前兆的階段性特征，即形變速率的變化、形變方向的變化和巖石力學(xué)性質(zhì)的變化[2]。其中，前兩項(xiàng)特征（形變速率和形變方向的變化）可以由地傾斜觀測(cè)數(shù)據(jù)直接獲得，第三項(xiàng)特征（巖石力學(xué)性質(zhì)）可以間接以固體潮振幅因子及波形形態(tài)來描述[3]。楊曉東等[4-5]、蘇維剛等[6]、夏超德[7]分別對(duì)陜西臺(tái)、韓城臺(tái)、寧波臺(tái)、格爾木臺(tái)等的傾斜模擬觀測(cè)和數(shù)字化垂直擺觀測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比研究。曹白倫等[8]對(duì)云縣臺(tái)水平擺和垂直擺觀測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比研究。楊玲英等[9]對(duì)云南垂直擺映震能力進(jìn)行了研究。胡煒等[10]對(duì)不同地震臺(tái)站水管傾斜儀數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了對(duì)比分析。這些研究較多的是對(duì)比分析在一個(gè)地區(qū)不同站點(diǎn)的垂直擺的觀測(cè)資料，而本文通過對(duì)五指山臺(tái)DSQ水管傾斜儀和VP垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)，精度內(nèi)在質(zhì)量以同震形變波分析，探討了五指山形變臺(tái)的水管傾斜儀觀測(cè)與VP垂直擺資料的可靠性。2套儀器的結(jié)構(gòu)和原理差別較大，加深這兩種傾斜儀記錄資料的對(duì)比分析，將有助于對(duì)不同儀器觀測(cè)資料的理解和利用。進(jìn)而為該區(qū)域地殼應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)的長(zhǎng)期變化研究提供寶貴資料。

1 臺(tái)站基本情況

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（18.79°N，109.53°E）（圖1），該區(qū)域廣泛出露二疊系花崗巖和三疊系花崗巖[11]。其中五指山臺(tái)周圍基巖裸露，均為花崗巖類，且10 km范圍內(nèi)無大斷裂通過，地殼穩(wěn)定性較好。

臺(tái)站洞體基巖堅(jiān)硬完整，致密均勻，測(cè)點(diǎn)周邊觀測(cè)環(huán)境也較為穩(wěn)定。臺(tái)站為無人值守臺(tái)站，觀測(cè)山洞由部隊(duì)防空洞改建。其中DSQ水管傾斜儀和SSY銦瓦棒伸縮儀布設(shè)在主洞室內(nèi)，兩者相同分量的儀器部件平行布設(shè)且共用同一槽體，而VP垂直擺則布設(shè)在主洞室南側(cè)的側(cè)洞室（圖1）。

圖1 五指山臺(tái)站構(gòu)造位置及儀器布設(shè)圖Fig. 1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan Station

2 觀測(cè)資料對(duì)比分析

2.1 觀測(cè)資料運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

完整率是檢驗(yàn)儀器運(yùn)行質(zhì)量的根本條件, 也是地殼形變學(xué)科組重點(diǎn)檢查對(duì)象[12]。表1為2015年1月1日—2017年12月31日五指山形變臺(tái)兩套地傾斜儀器觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表。通過分析認(rèn)為，影響資料完整性的主要原因是停電、儀器故障和調(diào)零等因素。

表1 五指山臺(tái)兩類傾斜儀運(yùn)行基本情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of the basic operating conditions of the two types of inclinometers at Wuzhishan Station

2.2 漂移量

在硐室形變觀測(cè)中，儀器零漂一般受儀器自身漂移、地球內(nèi)部密度變化或物質(zhì)遷移、外部干擾（包括溫度、氣壓、電壓、濕度等變化）的影響[12]。年零漂是用來衡量觀測(cè)儀器及墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)。其計(jì)算方法有日均值法和潮汐值法。日均值法是將該年度12月31日的日均值減去當(dāng)年1月1日的日均值，該年零漂值有正有負(fù)。潮汐值法是將12月31日23點(diǎn)整點(diǎn)值數(shù)據(jù)減去同年1月1日零點(diǎn)值。本文采用潮汐值法計(jì)算水管儀漂移量，從表2來看，水管傾斜儀NS分量2016年比較穩(wěn)定，但2017年年漂移量加大，緩速向南端傾斜，而2017水管傾斜儀儀器正常且無大的故障和干擾，漂移加快應(yīng)是地殼運(yùn)動(dòng)的真實(shí)反映。VP垂直擺NS分量基本持平，EW分量日漂移量均值為0.45×10-3″，VP垂直擺日漂移量的設(shè)計(jì)指標(biāo)小于5×10-3″，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 DSQ水管傾斜儀、VP垂直擺年漂移量 （單位：10-3″）Table 2 Annual drift of DSQ water pipe inclinometer and VP vertical pendulum （unit：10-3″）

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)精度對(duì)比

關(guān)于形變類觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)價(jià)，以調(diào)和分析M2波潮汐因子中誤差和長(zhǎng)周期擬合相對(duì)噪聲水平作判定指標(biāo)。按中國(guó)地震局形變Ⅰ類臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)[13]，傾斜要求M2波潮汐因子中誤差mγ≤0.02，長(zhǎng)周期擬合相對(duì)噪聲水平m1≤0.02″。

五指山水管傾斜儀2014年安裝，2015年數(shù)據(jù)逐漸穩(wěn)定，從M2波潮汐因子中誤差來看，NS分量很多時(shí)段中誤差未達(dá)標(biāo)，其中2016年5月和7月mγ受洞室建筑施工影響致NS向高達(dá)0.7，2017年7月mγ=0.7是由于累計(jì)25天傳感器故障影響；EW分量固體潮畸變與突變異常較多，也出現(xiàn)很多時(shí)段中誤差未達(dá)標(biāo)。從相對(duì)噪聲水平來看，兩分量噪聲水平，2015—2018年均達(dá)標(biāo)（圖2）。

圖2 五指山臺(tái)DSQ水管傾斜儀（a） 、VP垂直擺傾斜儀（b） 精度曲線Fig. 2 Accuracy curves of DSQ water pipe inclinometer （a），VP vertical pendulum inclinometer （b） at Wuzhishan Station

VP垂直擺除了部分時(shí)間段格值變化或儀器故障造成潮汐因子臺(tái)階變化，格值變大，其潮汐因子也明顯變大；并且NS分量的潮汐因子均明顯高于EW分量，2016年硐室改造后，更換儀器仍出現(xiàn)相似的特征，排除了硐室環(huán)境和儀器的因素，可能與該區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)背景有關(guān)，使得儀器不能明顯記錄到水平NS方向潮汐變化。

2.4 同震形變波的觀測(cè)對(duì)比

前人對(duì)形變觀測(cè)儀器的映震能力進(jìn)行了較深入研究[14-16]，尤其是對(duì)全國(guó)93套鉆孔應(yīng)變儀器記錄到2011年日本9.0級(jí)地震造成的應(yīng)變階性質(zhì)的研究和對(duì)川滇地區(qū)鉆孔應(yīng)變記錄到的汶川8.0級(jí)地震和蘆山7.0級(jí)地震的同震應(yīng)變階的分析研究，均表明應(yīng)變觀測(cè)有較強(qiáng)的映震能力。本文統(tǒng)計(jì)了五指山臺(tái)兩套傾斜儀2015年1月1日—2017年12月31日記錄的全球地震共277條，發(fā)現(xiàn)五指山臺(tái)兩套地傾斜觀測(cè)固體潮記錄清晰，映震能力較強(qiáng)，對(duì)東南亞中強(qiáng)地震有較好的反應(yīng)，對(duì)全球6級(jí)以上地震有較好的同震響應(yīng)（圖3）。

圖3 五指山臺(tái)DSQ水管傾斜儀（左） 、VP垂直擺（右） 同震響應(yīng)對(duì)比圖Fig. 3 Comparison of co-seismic response of DSQ water pipe inclinometer （left） and VP vertical pendulum （right） at Wuzhishan Station

水管傾斜儀記錄的最小地震震級(jí)為3級(jí)，相應(yīng)的震中距為892 km；所記錄到的最遠(yuǎn)地震分別為2015年2月12日阿根廷6.7級(jí)地震和2015年3月23日智利北部地區(qū)6.1級(jí)地震，相應(yīng)的震中距分別為19 410 km、19 891 km。記錄到的5級(jí)左右最小震中距地震為2015年3月1日云南省臨滄市5.5級(jí)地震，最遠(yuǎn)震中距地震為2015年2月18日所羅門群島5.8級(jí)地震；VP垂直擺的頻率響應(yīng)范圍較寬，記錄到最小且震中距較近的地震為廣東徐聞3.8級(jí)地震，震中距約192 km。

以水管儀與VP垂直擺同日的地震響應(yīng)為例，2016年8月24日印尼ML5.9、緬甸ML6.9和意大利ML6.1記錄到的3次地震，震中距分別為：2 625 km、1 574 km和9 119 km（圖4）。

圖4 2016年8月24日水管儀與VP垂直擺同震響應(yīng)對(duì)比曲線Fig. 4 Comparison curves of co-seismic response between plumbing instrument and VP vertical pendulum on August 24，2016

兩套傾斜儀器記錄遠(yuǎn)震能力基本相當(dāng)。VP垂直擺對(duì)近距離小震比較敏感，較近距離的爆破和塌方均能使之掉格，也可能與儀器的不穩(wěn)定有關(guān)，可以認(rèn)為是由儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)包括基墩由于振動(dòng)使機(jī)械結(jié)構(gòu)松動(dòng)或錯(cuò)位引起的，與儀器的穩(wěn)定性無關(guān)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從連續(xù)率、漂移量、潮汐參數(shù)和噪聲水平對(duì)五指山臺(tái)兩套傾斜儀進(jìn)行檢驗(yàn)分析，認(rèn)為連續(xù)率、漂移量、潮汐參數(shù)和噪聲水平等資料質(zhì)量指標(biāo)均符合形變要求規(guī)范。自2014年3月試運(yùn)行以來，五指山臺(tái)經(jīng)歷了2015年防雷改造，2016年洞體改造，目前觀測(cè)資料連續(xù)、可靠、有較強(qiáng)的映震能力。但是五指山臺(tái)為無人值守臺(tái)，儀器運(yùn)行受到儀器維修周期長(zhǎng)、儀器調(diào)修帶來的相互干擾等因素的制約，在一定程度上影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）通過分析認(rèn)為，影響資料完整性的主要原因是停電、儀器故障和調(diào)零等因素。

（2）水管傾斜儀NS分量2016年比較穩(wěn)定，但2017年年漂移量加大，持續(xù)緩速向南端傾斜，經(jīng)兩次現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，分析后認(rèn)為，該現(xiàn)象為前兆異常。VP垂直擺NS分量基本持平，EW分量日漂移量均值為0.45×10-3″，VP垂直擺日漂移量的設(shè)計(jì)指標(biāo)小于5×10-3″，符合設(shè)計(jì)要求。

（3）參考我國(guó)中東部地區(qū)20個(gè)臺(tái)站EW測(cè)項(xiàng)半日波（M2）的潮汐因子γ值的均值約0.699±0.016，五指山臺(tái)水管傾斜儀及VP垂直擺EW分量潮汐因子γ值的均值分別為0.830 4和0.750 2，可認(rèn)為未受海潮影響。

（4）水管傾斜儀和VP垂直擺對(duì)不同震中距的地震記錄存在較大差異： ① 當(dāng)震中距較小時(shí)，水管儀無同震響應(yīng)，VP垂直擺同震記錄清晰； ② 當(dāng)震中距＞6 000 km，兩種儀器記錄能力相當(dāng)。