林苗祿 薛 飛 林立峰 鄧 聰
(1.福州地震監(jiān)測中心站,福建 福州 350000;2.福建省海洋地震觀測中心,福建 廈門 361021)
地傾斜觀測是研究固體潮和地震前兆的一種重要手段[1]。VS型垂直擺傾斜儀是武漢地震科學儀器研究院研制的一種高精度儀器,能測量地面傾斜的細微變化,采樣率為分鐘值,儀器的靈敏度為0.001 ms,日零漂為0.005 ms。福州臺于2010年安裝的垂直擺已連續(xù)觀測十余年,記錄了大量寶貴的地傾斜觀測數(shù)據(jù)。本研究選取2015—2022 年的觀測資料,利用各類數(shù)據(jù)處理分析軟件,計算內在精度,分類識別各類典型干擾,為提高臺站地傾斜觀測資料數(shù)據(jù)質量提供參考[2]。
福州地震臺地處福建省東部,位于長樂-詔安斷裂帶北段,臺站基巖為二長花崗巖,北西向閩江斷裂帶的交匯地區(qū),區(qū)內斷裂構造較發(fā)育,具有多期和不同性質的活動特征。2010 年9 月19 日,根據(jù)福建省防震減災二期工程“十一五”重點項目——GPS 觀測臺網(wǎng)、烈度速報臺網(wǎng)建設要求,福州臺安裝VS 型垂直擺傾斜儀(以下簡稱垂直擺)并進入試運行,于2012 年11 月26 日接入十五管理系統(tǒng)正式運行。觀測山洞就位于臺站地下,重力、垂直擺、測震共用一個面積約5.83 m2的獨立洞室,全室用聚苯乙烯泡沫塑料做內襯,并用同種泡沫做垂直擺儀器做全包式保溫密封罩,電源機箱和IP 數(shù)采機箱安裝在山洞口觀測室機柜上[3]。
垂直擺觀測十余年,運行情況總體上穩(wěn)定,儀器校準正常,觀測曲線日變形態(tài)固體潮清晰,總體變化平穩(wěn)。主要問題是儀器零點漂移,由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)超差、儀器調零及兩分量相互干擾所造成的數(shù)據(jù)缺數(shù)。
地震前兆儀器的內在質量精度是衡量儀器觀測結果好壞的重要指標,本研究從運行率、相對噪聲水平和潮汐參數(shù)等方面對數(shù)據(jù)內在精度進行分析[4]。
VS 垂直擺傾斜儀數(shù)據(jù)年統(tǒng)計(2015—2022 年)見表1。由表1 可知,2017、2018 和2020 年儀器連續(xù)率達到100%,其余年基本在99.5%以上,保持較高的運行率,其中EW 分量完整率高于NS 分量。2021年儀器完整率降低是因為工作人員進洞安裝洞體伸縮儀產(chǎn)生的干擾,造成觀測曲線多處畸變,在數(shù)據(jù)預處理中采取刪數(shù)處理影響完整率。
表1 VS垂直擺傾斜儀數(shù)據(jù)年統(tǒng)計(2015—2022年)
VS 垂直擺年相對噪聲水平年統(tǒng)計(2015—2022年)見表2。從表2可以看出,EW 向的相對噪聲水平高于NS 向,但都小于0.02 ms,達到《傾斜應變臺網(wǎng)觀測與運行工作細則》規(guī)定的優(yōu)秀水平。2020 年和2021 年數(shù)據(jù)偏高,可能是受山洞照明系統(tǒng)改造和洞體伸縮儀安裝的影響。
表2 VS垂直擺年相對噪聲水平年統(tǒng)計(2015—2022年)
垂直擺潮汐參數(shù)計算結果(2015—2022年)見表3,由表3可知,通過調和分析計算出潮汐因子和潮汐因子均方差,EW分量都優(yōu)于NS分量,其中有4年EW分量潮汐因子均方差小于0.02,達到優(yōu)秀水平。
表3 垂直擺潮汐參數(shù)計算結果(2015—2022年)
綜上可知,福州臺垂直擺整個運行率高,EW 分量觀測數(shù)據(jù)內在精度優(yōu)于NS分量。
地震前兆異常識別較為復雜,觀測數(shù)據(jù)經(jīng)常受到各種因素的干擾,需要進行全面、準確的異常核實,識別各類干擾[5]。對福州地震臺觀測資料整理分析發(fā)現(xiàn),垂直擺受到的自然環(huán)境干擾主要為降雨和雷電,對洞溫變化不敏感;受到的其他干擾主要為數(shù)據(jù)容易超限,以及調零產(chǎn)生的人為干擾。
根據(jù)相關研究,降雨時有一部分雨水滲入山體山石的土層或裂縫中,巖石的不規(guī)則裂縫發(fā)生膨脹,使巖體產(chǎn)生變形,地面發(fā)生傾斜[6]。同時,由于土層與縫隙中雨水的存在,山洞覆蓋層變重,造成觀測數(shù)據(jù)發(fā)生傾斜變化。2015 年8 月8 日18:00 至9 日11:11 臺風“蘇迪羅”引起的降雨,降雨量為168 mm,導致NS 向測值上升,上升幅度為69.31 ms;EW 向測值下降,下降幅度為69.72 ms。2021 年8 月5 日12:32至9日16:10受降雨影響,降雨量為327.4 mm,NS向數(shù)據(jù)曲線向北傾漂移,幅度達到364.22 ms,EW 向數(shù)據(jù)曲線呈西-東轉折漂移,隨著降雨結束,觀測數(shù)據(jù)恢復正常。受強降雨影響,山洞觀測房內積水嚴重,對山洞內儀器進行斷電,線路正常后于7日09:29起開始恢復供電(如圖1所示)。
圖1 垂直擺受降雨干擾曲線
目前,地震臺站大多都配備防雷裝置,但雷電對儀器正常觀測的干擾仍不能完全避免[7]。雷電產(chǎn)生的感應磁場會在地面產(chǎn)生高壓電場,從而會對儀器內部的電子元件進行放電,造成儀器性能不穩(wěn)定,觀測曲線出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變。2022年8月2日15:08至15:11 受雷電干擾,觀測曲線突跳,NS 向變化幅值為5.11 ms、EW向變化幅值為8.19 ms(如圖2所示)。
圖2 2022年8月2日垂直擺受雷電干擾曲線
垂直擺運行多年基本上沒有大故障,觀測系統(tǒng)對其的干擾主要為儀器超量程造成的數(shù)據(jù)超差和固體潮觀測數(shù)據(jù)的缺數(shù)處理,其中NS 向不穩(wěn)定,零漂更頻繁。EP 系列數(shù)據(jù)采集器的量程是0~±2 V,超出了量程的數(shù)據(jù)不能真實反映觀測情況,不能記錄到固體潮,需要人工進行調零[8]。觀測數(shù)據(jù)NS 向2016 年9 月15 日14:12 至19:55、16 日01:18至09:44 儀器超量程故障造成數(shù)據(jù)超差,缺數(shù)處理;EW 向呈正常動態(tài)變化;NS 向儀器超量程故障16 日09:45 至10:13 進洞調零恢復正常,調零造成干擾缺數(shù)、臺階處理,臺階改正量為140 ms;EW向16日09:40至10:12受NS進洞調零造成干擾,缺數(shù)、臺階處理,臺階改正量為3.89 ms。
人為干擾主要表現(xiàn)為工作人員進洞操作和維修設備,造成干擾,影響正常固體潮記錄。福州臺垂直擺主要受到的人為干擾包括標定、調零、參觀檢查、洞內各類儀器維修和線路升級改造等。2017 年6 月2日16:51至16:59進洞檢查山洞電源系統(tǒng),導致儀器受到干擾,觀測曲線畸變,缺數(shù)處理。NS向最大幅值為37.79 ms;EW向最大幅值為20.5 ms(如圖3所示)。
圖3 2017年6月2日垂直擺受人為干擾曲線
多年觀測結果表明,福州臺垂直擺有很好的同震變化和震后效應,與同觀測室內測震儀記錄的地震波形態(tài)一致性好。2021 年7 月29 日14:33 至18:01 垂直擺記錄到美國阿拉斯加州以南海域(北緯55.4°,西經(jīng)158.0°)14:15:46 發(fā)生的8.1 級地震,震源深度10 km,震中距7 373 km 表現(xiàn)形態(tài)為震蕩,北南向最大幅值為48.61 ms、東西向最大幅值為26.00 ms(如圖4所示)。
圖4 2021年7月29日垂直擺同震響應曲線
①垂直擺運行十余年,保持較高的運行率,固體潮日變形態(tài)清晰,對遠震反應敏感,EW 分量內在精度優(yōu)于NS分量。
②降雨干擾影響固體潮整體形態(tài),雷電干擾表現(xiàn)為小突跳并馬上恢復,日常觀測中要做好翔實的日記記錄工作。
③觀測系統(tǒng)基本上沒有大故障,主要受NS分量零漂影響,導致數(shù)據(jù)超差,影響數(shù)據(jù)完整率。
④觀測員每天必須加強原始數(shù)據(jù)監(jiān)視,當收到前兆臺網(wǎng)運維APP 數(shù)據(jù)超限告警時,及時對觀測儀器進行調零操作,避免觀測數(shù)據(jù)因儀器零點漂移而產(chǎn)生數(shù)據(jù)超差,減少數(shù)據(jù)超差所造成的數(shù)據(jù)缺數(shù)時間,提高觀測數(shù)據(jù)的完整率。