董傳雷 彭 澎 張榮杉 孫煜杰

（中國(guó)江蘇223800 宿遷地震監(jiān)測(cè)中心站）

0 引言

跨斷層定點(diǎn)測(cè)量是，應(yīng)用大地測(cè)量方法，在固定臺(tái)站上進(jìn)行跨斷層形變測(cè)量。目前采用短水準(zhǔn)測(cè)量方法，在臺(tái)站布設(shè)跨越斷層測(cè)線，周期性進(jìn)行往返觀測(cè)，以此來(lái)監(jiān)測(cè)活動(dòng)斷層的運(yùn)動(dòng)，提供主要活動(dòng)斷層和特定地區(qū)活動(dòng)斷層垂直運(yùn)動(dòng)的變化信息。

根據(jù)中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心（大地測(cè)技術(shù)管理部）相關(guān)文件要求，2018 年10 月1 日起，對(duì)跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量頻率進(jìn)行調(diào)整，從1 天1 測(cè)更改為5 天1 測(cè)。數(shù)據(jù)采樣頻率的下降是否會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響，本文即從該角度，以江蘇省斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)展開分析。

1 江蘇省水準(zhǔn)觀測(cè)建設(shè)概況

江蘇省共有4 個(gè)斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地9 條測(cè)線，分布于郯廬斷裂帶、茅山斷裂等地震重點(diǎn)防御區(qū)和特定區(qū)。除南京地震臺(tái)NS 分量（OC 測(cè)段）O 點(diǎn)為土層點(diǎn)外，其他測(cè)點(diǎn)均為基巖點(diǎn)。其中：①南京跨斷層定點(diǎn)水準(zhǔn)場(chǎng)地處于南京—自來(lái)橋大斷裂東側(cè)，長(zhǎng)江破碎帶南側(cè)，茅山東側(cè)大斷裂西側(cè)。1974 年投入觀測(cè)，布設(shè)EW 分量、NS 分量2 條測(cè)線20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)斷裂為近EW 向定淮門—馬群斷裂及附近一條隱伏斷裂；②南通跨斷層定點(diǎn)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地位于長(zhǎng)江之濱的狼山與劍山之間。1988 年投入觀測(cè)，布設(shè)NS 分量、EW 分量、NW 分量3 條測(cè)線18 個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)斷裂為狼山斷裂中NNE、NNW 向小型斷層；③宿遷地震臺(tái)跨斷層定點(diǎn)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地地處郯廬斷裂帶F1、F2之間。1976 年投入觀測(cè)，布設(shè)NE、NW、NS 分量3 條測(cè)線15 個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)斷裂為郯廬大斷裂帶上NNE 向破碎斷層f7；④新沂地震臺(tái)跨斷層定點(diǎn)水準(zhǔn)觀測(cè)場(chǎng)地處于郯廬斷裂帶F1、F5之間。1994 年投入觀測(cè)，布設(shè)EW 分量1 條測(cè)線16 個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)斷裂為郯廬大斷裂帶上NE 向破碎斷層f5。各臺(tái)測(cè)線分布詳見圖1。

圖1 各臺(tái)站測(cè)線分布Fig.1 The distribution of survey lines of each station

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

選取江蘇省4 個(gè)斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)開展質(zhì)量評(píng)價(jià)，不考慮系統(tǒng)性誤差，僅就不同采樣率下數(shù)據(jù)質(zhì)量做基礎(chǔ)性評(píng)估。關(guān)于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)性評(píng)估，薛金龍等（1996）、葉長(zhǎng)法等（1997）、盧二坡（2006）提出一套完整的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)，如針對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性、合理性提出的差錯(cuò)率、完整率、合格率等。楊海山等（2001）、李衛(wèi)東等（2005）、劉洪等（2006）提出3 種基于指標(biāo)的客觀評(píng)估方法，即比率法和最大、最小值法及加權(quán)平均法。其中，比率法是指用期望值與總值的比率來(lái)反映數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的方法；最大、最小值法適用于衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的單一指標(biāo)，且最小值法相對(duì)保守；加權(quán)平均法是指對(duì)多元維度的各類指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，與最大、最小值法相比，加權(quán)平均考慮了各類指標(biāo)的影響。

關(guān)于短水準(zhǔn)測(cè)量精度評(píng)價(jià)，1990 年中國(guó)地震局編制的《短水準(zhǔn)測(cè)量》一書中定義了2 個(gè)物理量M站、M公里。其中，M站是用往、返閉合差或環(huán)線閉合差來(lái)評(píng)定每個(gè)測(cè)站往返觀測(cè)高差中數(shù)的誤差值，公式如下

式中，Δ為測(cè)段往、返高差不符值，W為往、返高差中數(shù)計(jì)算的閉合差；n為不符值或閉合差個(gè)數(shù)，N為測(cè)線（測(cè)段或環(huán)線）的測(cè)站數(shù)。

M公里是用日均值按均方連差來(lái)評(píng)定每千米往返觀測(cè)高差中數(shù)的中誤差，公式如下

式中，n為參與統(tǒng)計(jì)的日均值個(gè)數(shù)，L為測(cè)線長(zhǎng)度。

為進(jìn)一步突出數(shù)據(jù)波動(dòng)變化，引入一階差分量δ。δ是本次與前一次測(cè)量的測(cè)線高差差值，公式如下

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

選取江蘇省4 個(gè)斷層形變臺(tái)站2017 年10 月至2019 年9 月短水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，其中2017 年10 月至2018 年9 月數(shù)據(jù)測(cè)量頻率為1 天1 測(cè)（用符號(hào)“J”表示）；2018 年10 月至2019 年9 月數(shù)據(jù)測(cè)量頻率為5 天1 測(cè)（用符號(hào)“X”表示），基于最大和最小值法、趨勢(shì)變化、測(cè)量精度及一階差分統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)分析。

（1）最大、最小值法。采用最大、最小值法對(duì)所選數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1。由表1 可知，除南京臺(tái)“01”測(cè)線外，測(cè)量頻率更改前后，各臺(tái)站各測(cè)線最大值、最小值符合年變水平，且方差均小于0.1，變化相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)一致性較好。南京臺(tái)“01”測(cè)線基準(zhǔn)點(diǎn)O 為土層點(diǎn)，受降雨等環(huán)境因素影響較大，對(duì)比性相對(duì)較差（王鋒，2013）。

表1 江蘇省跨斷層定點(diǎn)臺(tái)站測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of fixed point leveling observations in Jiangsu Province

（2）趨勢(shì)變化。繪制2016—2021 年4 個(gè)斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)各測(cè)段趨勢(shì)變化圖，見圖2 所示，可見：2017 年初（測(cè)量頻率更改前）宿遷臺(tái)短水準(zhǔn)OA 段（EW 向）出現(xiàn)破年變異常，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為持續(xù)高值波動(dòng)；南京臺(tái)測(cè)線由于O 點(diǎn)為土層點(diǎn)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)受降雨影響大，曲線波動(dòng)較大；除宿遷臺(tái)2017 年初OA 段及南京臺(tái)外，各臺(tái)站其他測(cè)線測(cè)向，曲線波動(dòng)雖然程度增大，但整體趨勢(shì)（或年變趨勢(shì)）未發(fā)生明顯變化，表明測(cè)量頻率改變不會(huì)對(duì)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量與映震效能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

圖2 2016—2021 年斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化Fig.2 The data trends of leveling observations at Jiangsu fault deformation stations from 2016 to 2021

（3）測(cè)量精度。繪制4 個(gè)臺(tái)站M站、M公里統(tǒng)計(jì)圖，見圖3。由圖3 可見：M站統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，4 個(gè)臺(tái)站均表現(xiàn)為：測(cè)量頻率更改前數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，更改后數(shù)據(jù)波動(dòng)較大；M公里統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，除南京臺(tái)外，其他3 臺(tái)統(tǒng)計(jì)曲線整體變化趨勢(shì)與M站統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致，測(cè)量頻率更改前數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，更改后數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。此類現(xiàn)象由參與計(jì)算的數(shù)據(jù)成倍數(shù)減少所致，但數(shù)據(jù)真實(shí)性與反映地下結(jié)構(gòu)變化的可靠性并未發(fā)生改變。

圖3 M站與M公里統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of M站 and M公里

（4）一階差分統(tǒng)計(jì)。繪制4 個(gè)臺(tái)站一階差分δ統(tǒng)計(jì)圖，見圖4，可見：測(cè)量頻率更改前后，4 個(gè)臺(tái)站δ分布在±0.5 mm 范圍內(nèi)的短水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)分別占比95.2%、93.3%，更改后占比相對(duì)較低；南京臺(tái)一階差分量條帶相對(duì)較寬，應(yīng)由測(cè)線固有屬性引起；宿遷臺(tái)一階差分量前期條帶較寬，后期有所改善。眾所周知，短水準(zhǔn)數(shù)據(jù)質(zhì)量受人為干擾影響較大，該臺(tái)前期操作人員頻繁更換，后期測(cè)量人員相對(duì)固定，故出現(xiàn)以上變化（張榮杉，2018）；南通臺(tái)與新沂臺(tái)一階差分量條帶分布較好，測(cè)量頻率更改前后δ分布在±0.5 mm 范圍內(nèi)比例較高，尤其是新沂臺(tái)，在435 次測(cè)量中僅1 次超出該范圍。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果充分證明，改變測(cè)量頻率不會(huì)對(duì)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量與映震效能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

圖4 江蘇省斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)一階差分統(tǒng)計(jì)Fig.4 First-order difference chart of leveling observations at Jiangsu fault deformation stations

4 結(jié)論

選取江蘇省4 個(gè)斷層形變臺(tái)站水準(zhǔn)觀測(cè)不同觀測(cè)頻率下水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)，基于幾種常用評(píng)價(jià)方法進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，結(jié)果表明，更改測(cè)量頻率不會(huì)對(duì)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，跨斷層水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)屬于中長(zhǎng)期地震前兆手段，測(cè)量頻率的降低，不會(huì)改變數(shù)據(jù)年變化趨勢(shì)，能夠反映地下地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)律，映震效能未發(fā)生實(shí)質(zhì)變化。需要注意的是，數(shù)據(jù)采集頻率的下降，造成數(shù)據(jù)量減少，導(dǎo)致外部干擾，尤其是人為干擾，對(duì)整體數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響加大，在觀測(cè)過程中務(wù)必保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性，才能為相關(guān)研究提供準(zhǔn)確而翔實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。