郭昱琴　曾濤　楊世杰　李冬雅

摘要本文對2016年1月—2021年12月連續(xù)6年五指山形變臺定點形變觀測資料內在精度進行統(tǒng)計分析，臺站水管傾斜儀和銦瓦棒伸縮儀內在精度質量較好；寬頻帶傾斜儀兩個分量內在精度年均達到優(yōu)秀指標的概率僅50%，且自2020年1月出現(xiàn)觀測數據內在精度質量持續(xù)下降，導致觀測資料質量不高。提高數據內在高質量的重要條件是確保觀測數據的連續(xù)率，因此，提升臺站人員業(yè)務水平和保證必要的備機備件是當務之急。

關鍵詞傾斜儀；應變儀；潮汐因子；內在精度

中圖分類號： P315.72+5文獻標識碼： A文章編號：2096-7780（2023）06-0278-07

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-093

Internal accuracy analysis of fixed-point deformation observation data of Wuzhishan deformation station

Guo Yuqin1），Zeng Tao2），Yang Shijie2），Li Dongya1）

1） Hainan Earthquake Agency， Hainan Haikou 570203， China

2） Qiongzhong Central Station of Hainan Earthquake Agency， Hainan Qiongzhong 572900， China

Abstract Thispaperpresentsastatisticalanalysisoftheinternalaccuracyofthefixed-pointdeformation observation data of Wuzhishan deformation station from January 2016 to December 2021. The internal accuracy of the stations water pipe tiltmeter and indium tile rod extensometer is good. The probability that the internal accuracy of the two components of the broadband tiltmeter reaches the excellent index is only 50%. Since January 2020，the internal accuracy quality of the observation data has been decreasing，resulting in the low quality of the observation data. The important condition for improving the internal accuracy quality of data is to ensure the continuous rate of observation data. Therefore，it is urgent to improve the operational level of station personnel and to ensure the necessary spare parts.

Keywordstiltimeter; strain gauge; tide factor; internal accuracy

引言

有大量震例證明，孕震過程中形變會出現(xiàn)階段性前兆特征，即形變速率變化、形變方向變化和巖石力學性質變化[1]。其中，前兩項特征（形變速率和形變方向變化）可以從地傾斜數據直接獲得，而第三項特征（巖石力學性質）則是間接通過固體潮振幅因子及波形包絡形態(tài)描述獲得[2-3]。一般情況下，臺站日常監(jiān)測資料是連續(xù)動態(tài)觀測時間序列數據，序列數據中有多種有用信息，也有噪聲影響。為更好地使用資料和保障觀測系統(tǒng)正常運行，建立客觀、準確評估觀測資料序列數據內在精度的方法尤為重要。楊曉東等[4-7]對韓城臺、寧波臺、格爾木臺等的傾斜觀測和數字化垂直擺資料進行了對比研究；曹白倫等[8]對云縣臺水平擺和垂直擺資料進行了對比研究。然而，這些研究成果較多的是從單臺套地形變儀器資料得出的，本文針對五指山地震臺地傾斜（DSQ 水管傾斜儀和 VP 寬頻帶傾斜儀）及地應變（ SSY 銦瓦棒伸縮儀）3套形變儀器資料內在精度進行比較，評估臺站地形變資料的真實性和分析影響數據質量的因素，為研究該區(qū)域地殼應力—應變狀態(tài)的長期變化及規(guī)律提供支持和依據。

1 臺站概況

五指山形變臺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處，地理位置（18.79°N，109.53°E），該區(qū)域二疊系花崗巖和三疊系花崗巖出露顯著[9]。臺站洞體基巖堅硬完整，致密均勻，周邊觀測環(huán)境較為穩(wěn)定，四周無振動干擾源。“十五”期間，經技術改造，山洞架設了 D SQ 水管傾斜儀、 VP 寬頻帶傾斜儀和 S SY 銦瓦棒伸縮儀。其中，DSQ 水管傾斜儀和 SSY 銦瓦棒伸縮儀安裝在主洞室內，兩套儀器相同分量觀測部件平行布設在同一槽體，監(jiān)測該區(qū)域的大地傾斜和應變變化，VP 寬頻帶傾斜儀安裝在主洞南側耳洞室（圖1）。3套儀器均能記錄到完整的固體潮，觀測數據連續(xù)性好，同震記錄效應明顯。

2 資料分析

固體潮觀測值相對其理論的偏離通常采用基于最小二乘法的維尼迪柯夫（Venedikov）調和分析方法，求解各個波群的觀測振幅與理論振幅之比，即潮汐因子。臺站傾斜資料調和分析精度也采用Venedikov調和分析方法，對月尺度傾斜資料進行調和分析，以 M2波中誤差 mγ作為評定傾斜觀測資料質量的一項指標，規(guī)范要求Ι類傾斜臺站觀測 M2波中誤差 m γ＜0.02。應變觀測資料調和分析精度同樣采用Venedikov調和分析方法，對月尺度的應變觀測資料進行調和分析，以 M2波振幅因子的相對中誤差σα/α指標作為評定應變資料質量的一項指標，規(guī)范要求Ι類應變臺站觀測資料σα/α＜0.05[10]。

定點形變觀測資料內在精度是指 M2波潮汐因子均方差，該指標是用來評定固體潮汐（地傾斜、地應變）觀測資料內在質量精度的一項定量化指標。本文采用了Venedikov調和分析法，分析臺站觀測資料的內在精度（地傾斜儀器精度由 M2波的中誤差 mγ表示，地應變儀器精度由 M2波振幅因子相對中誤差σα/α表示，文中統(tǒng)稱為“內在精度”），也是當前中國地震局地殼形變學科組通常公布的月評內在精度結果。通過統(tǒng)計2016年1月—2021年12月五指山臺定點形變觀測內在精度分析，我們發(fā)現(xiàn)五指山臺傾斜應變各儀器各分量內在精度變化規(guī)律各不相同（圖2）。對同一套觀測儀器而言，兩個觀測分量內在精度存在同步上升下降，如圖2a 所示，水管傾斜儀2019年6月、2020年3月、8月的漸變現(xiàn)象；或兩個觀測分量內在精度變化不一致或單觀測分量內在精度下降，如圖2b 中洞體應變伸縮儀所描述的。

根據計算儀器觀測數據的內在精度，我們再對五指山臺3套儀器不同分量計算內在精度均值，然后，定義a為地傾斜或地應變儀器 NS 分量內在精度與 EW 分量內在精度之比，a值可較直觀地顯示出同一儀器兩個分量內在精度的差異[11]，a值越趨近于1，儀器兩個分量的內在精度越相近，表明數據內在質量越好，反之亦同。統(tǒng)計數據見表1。

由表1計算數據可知：

（1）水管傾斜儀、銦瓦棒伸縮儀兩個分量內在精度較好，a值趨向于1，接近優(yōu)秀指標；而寬頻帶傾斜儀兩個分量內在精度年均達到優(yōu)秀滿分概率僅50%（圖2c），出現(xiàn)自2020年1月地傾斜儀數據內在精度下降趨勢，導致數據質量不高。

（2）同臺站地傾斜類儀器 NS 分量內在精度均高于 EW 分量，水管傾斜儀和寬頻帶傾斜 EW 分量內在精度優(yōu)于 NS 分量（圖2）。

（3）寬頻帶傾斜儀 NS 分量和 EW 分量內在精度平均值差距較大，寬頻帶傾斜儀的a值為3.5072，銦瓦棒伸縮儀和水管傾斜儀 NS 分量和 EW 分量內在精度接近，a值分別為1.2424、1.0763（表1）。

3 影響內在精度因素探討

3.1 儀器穩(wěn)定性

儀器故障是臺站數據完整率和連續(xù)率的重要影響因素。缺數或干擾太多進而影響數據質量。五指山臺周邊觀測環(huán)境較為穩(wěn)定，四周無振動干擾源，且觀測硐室溫度年變化為0.1℃。寬頻帶傾斜儀自安裝運行以來，因儀器 NS 分量自身穩(wěn)定性能差致使后續(xù)故障頻發(fā)，尤其是漂移現(xiàn)象造成調零頻繁和超量程。如圖3所示，2021年1—12月寬頻帶傾斜儀數據曲線 NS 分量持續(xù)向南傾斜，EW 分量持續(xù)向東傾斜。NS 分量數據統(tǒng)計計算內在精度滿足0.02評價指標的月份僅5個月，其中2、3、5、6、8、9、10月內在精度均未滿足評價指標0.02（圖4a），EW 分量要好些，滿足0.02評價指標的月份達11個月，僅3月內在精度未滿足評價指標0.02（圖4b）。

3.2 人為因素

影響數據的人為因素主要有檢修儀器過程、人行走進洞干擾、人為操作調零及標定等，表現(xiàn)為數據突跳、數據出錯誤或階躍變化。如2020年5月水管傾斜儀主機供電模塊故障，剔除產出的錯誤數據，出現(xiàn)缺數情況（圖5），導致無法統(tǒng)計計算內在精度（圖6）。另外還存在其他的人為因素，如臺站人員運維水平有限，對臺站儀器性能了解、故障排查檢修能力不足，只能等待廠家維修，導致故障斷記時間較長，直接影響數據內在精度。

3.3 同震影響

地震對臺站3套儀器觀測數據的影響表現(xiàn)上階躍、下階躍或階躍式振蕩重疊同震響應現(xiàn)象，在統(tǒng)計2016年1月—2021年12月連續(xù)6年記錄數據中發(fā)現(xiàn)，伸縮儀對應7級以上地震才出現(xiàn)同震效應。而水管傾斜儀和 VP 垂直擺對應不同震中距的地震響應存在較大差異：

（1）震中距較小時，水管儀基本無同震響應，VP 垂直擺同震波記錄清晰；

（2）震中距＞6000km 時，兩種觀測儀器記錄應震能力相當[12]。這種響應主要以高頻振蕩衰減的形式疊加在所記錄的固體潮曲線上，震級越大，同震階變數量越多，震蕩時間越長，數據內在精度會越差（圖7）。如寬頻帶傾斜儀受同震干擾影響有2021年 7月和8月的數據內在精度與其他月份及同期的水管傾斜儀和伸縮儀相比均表現(xiàn)為能力明顯降低（圖4）。

4 結語

通過統(tǒng)計2016年1月—2021年12月五指山臺定點形變觀測內在精度變化情況，得出以下結論：

（1）水管傾斜儀和銦瓦棒伸縮儀兩個分量內在精度較好，基本滿足優(yōu)秀評價指標0.02；寬頻帶傾斜儀兩個分量內在精度年均達到優(yōu)秀指標的概率僅50%（圖2c）；自2020年1月內在精度持續(xù)下降，超量程故障頻繁，觀測資料質量不高，亟待需要對儀器進行全方面檢修或更新改造。

（2）地傾斜儀與地應變觀測儀觀測數據均為 EW 分量內在精度優(yōu)于 NS 分量，分析其原因可能是安裝儀器正交方位或夾角參數不準確導致不一致所致。同時，可能原因是山洞儀器長期運行老化性能變差，或山洞地質構造環(huán)境特殊，這方面尚未做進一步探討。

（3）儀器穩(wěn)定性、人為因素和同震干擾等因素都會影響數據質量，導致數據內在精度降低。因此，提高臺站儀器運行率，保證記錄數據連續(xù)完整性，是提高數據內在精度的一個重要技術環(huán)節(jié)。當然，客觀干擾因素無法避免，如每年沿海臺風、雷暴雨、地震或近場爆破等。另外，盡快提升臺站人員熟悉儀器原理、性能業(yè)務水平和儀器故障排查技術能力勢在必行，配置必要的備機備件也應當考慮。所以亟待解決的問題是臺站人才培養(yǎng)、業(yè)務培訓和備機備件。

參考文獻

［1］劉曉霞，江在森，武艷強.唐山、汶川地震地殼形變特征綜合研究[J].地球物理學進展，2018，33（3）：941-950

Liu X X，Jiang Z S，Wu Y Q. Characteristic of crustal deformation related to Tangshan and Wenchuan earthquakes[J]. Progress in Geophysics，2018，33（3）：941-950

［2］張英杰，江永建，李曉鵬，等.河北涉縣臺伸縮儀穩(wěn)定性及資料與映震分析[J].地震工程學報，2018，40（增刊1）：112-116

Zhang Y J，Jiang Y J，Li X P，et al. Stability and reflecting earthquake analysis of the extensometer at Shexian Seismic Station[J]. China Earthquake Engineering Journal，2018，40（S1）：112-116

［3］史小平，閆萬龍，龍艷.白銀形變觀測站 DSQ 型水管傾斜儀觀測資料分析[J].地震地磁觀測與研究，2014，35（3/4）：178-181

Shi X P，Yan W L，Long Y. Preliminary analysis on observational data of DSQ type water tube tilted instrument at Baiyin Seismic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2014，35（3/4）：178-181

［4］楊曉東，張晨蕾，吳明，等.陜西省 VP 型垂直擺傾斜儀觀測對比分析[J].地震科學進展，2021，51（8）：371-375

Yang X D，Zhang C L，Wu M，et al. Comparative analysis of VP type vertical pendulum tiltmeter in Shaanxi Province[J]. Progress in Earthquake Sciences，2021，51（8）：371-375

［5］蘇維剛，馮麗麗，馬茹瑩，等.水平擺與垂直擺傾斜儀觀測資料干擾特征對比[J].地震地磁觀測與研究，2018，39（4）：149-153

Su W G，F(xiàn)eng L L，Ma R Y，et al. Comparative of disturbance characteristics from horizontal pendulum and vertical pendulum tiltmeter[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2018，39（4）：149-153

［6］夏超德.強冷空氣對寧波地震臺垂直擺記錄影響[J].地震地磁觀測與研究，2016，37（3）：82-85

Xia C D. Influence of strong cold air on the observation of vertical pendulum tiltmeter at Ningbo Seismic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2016，37（3）：82-85

［7］楊曉東，韓曉飛，潘存英，等.韓城臺模擬金屬擺與數字石英擺的對比研究[J].通信電源技術，2016，33（2）：76-77

Yang X D，Han X F，Pan C Y，et al. A comparative study on the simulation of metal pendulum and digital quartz pendulum in Hancheng[J]. Telecom Power Technologies，2016，33（2）：76-77

［8］曹白倫，匡福江，段勇，等.云縣臺 SQ 水平擺與 VP 垂直擺觀測資料對比分析[J].內陸地震，2020，34（2）：196-206

Cao B L，Kuang F J，Duan Y，et al. Comparative analysis of observational data between SQ horizontal pendulum tiltermeter and VP vertical pendulum tiltermeter at Yunxian Seismic Station[J]. Inland Earthquake，2020，34（2）：196-206

［9］張卓.海南五指山地區(qū)早二疊世（強）過鋁花崗巖成因及構造意義[D].南昌：東華理工大學，2014

Zhang Z. Petrogenesis of the Early Permian（ strongly） peraluminous granites from Wuzhishan area，Hainan and its geotectonic implications[D]. Nanchang：East China University of Technology，2014

［10］中國地震局監(jiān)測預報司.地形變觀測[M].北京：地震出版社，2008：1-2

Monitoring and Forecasting Department of China Earthquake Administration. Terrain deformation observation[M]. Beijing： Seism- ological Press， 2008：1-2

［11］楊祺，楊玲英，方偉，等.云南地傾斜定點形變 M2波月潮汐因子精度淺析[J].地震地磁觀測與研究，2020，41（4）：129-135

Yang Q，Yang L Y，F(xiàn)ang W，et al. Analysis of the accuracy of the M2 wave moon tidal factor using deformation observations at fixed-points in Yunnan[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2020，41（4）：129-135

［12］郭昱琴，付國超，孫三健，等.五指山臺 DSQ 水管傾斜儀和 VP 垂直擺觀測數據質量對比分析[J].地震科學進展，2022，52（5）：232-237

Guo Y Q，F(xiàn)u G C，Sun S J，et al. Analysis on the observation data of DSQ water pipe inclinometer and VP vertical pendulum in Wuzhishan station，Hainan Province[J]. Progress in Earthquake Sciences，2022，52（5）：232-237