十堰台数字化水管仪倾斜潮汐观测质量评定*

孙伶俐 罗俊秋 吕品姬 郭熙枝 李 明 赵凌云 陈红波

(1)湖北省地震局，武汉 430071 2)十堰地震台 十堰442000)

十堰台数字化水管仪倾斜潮汐观测质量评定*

孙伶俐1)罗俊秋1)吕品姬1)郭熙枝1)李 明1)赵凌云1)陈红波2)

(1)湖北省地震局，武汉 430071 2)十堰地震台 十堰442000)

对十堰台的数字化水管仪2007—2010年倾斜潮汐观测资料进行全面质量评定后发现，运行3年以来的倾斜潮汐观测资料连续可靠，仪器工作正常稳定，零漂与年变幅等指标均在稳定范围内。长水管系列调和分析结果表明：倾斜潮汐观测在资料精确度、连续性和可用率3方面已接近国际同类水平，有些指标已超过国内优秀台站观测水平。倾斜资料于2009年3月曾因山洞附近土石开挖受到影响，出现高频微颤动和短时掉格下跃暂态事件，但固体潮汐很快恢复正常，排除地震前兆异常。同时在汶川8.0级地震前十堰台水管仪NS分量固体潮汐加卸载响应非潮汐比值显示有超出正常变化范围的波动现象。

倾斜固体潮汐;数字化水管仪;数据质量;暂态;加卸载响应比

1 引言

对地壳倾斜、应变数据进行定点连续观测，是检测和研究地震活动区域地壳水平、垂直相对运动和固体潮汐动态变化的一种基础方法［1］。倾斜观测提供地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等科学数据，帮助我们认清地震事件周期、应力的变化以及相关地壳变形之间的关系。本文试图通过十堰地震台水管倾斜仪观测资料的变化规律，对观测资料内在精度等指标进行全面质量评定，探讨观测中出现的暂态事件及大地震前的微动态变化，为地震分析预测积累经验。

2 台站观测条件概况

十堰地震台，位于湖北省鄂西北地区的十堰市张湾，原名中国第二汽车制造厂地震台，后改名为十堰地震台。该台于1976年8月建成，台站占地面积20.53亩，建筑面积为500 m2。在地质构造上，十堰台处于南秦岭造山带内、武当隆起北缘，南距北西西向白河-谷城大断裂约1.5 km、北距两郧断裂带约25 km(图1)。南秦岭造山带为中、强地震构造带，公元46年及公元788年曾发生过南阳6级和竹山宝丰6级破坏性地震，但现代小震活动频度不高。

十堰地震台由十堰台站、牛头山测点和柳林沟测点3部分组成，其中柳林沟为地壳形变类测点，其仪器布设于山洞内。该山洞海拔高度275 m，洞体岩石坚硬，为中远古代武当群中浅变质片岩，覆盖厚度约30 m，山顶植被茂盛，洞高3 m、宽2.5 m、长度1 430余米，洞内温度为18℃，年变化小于0.5℃。洞口内设有5道密封门。观测的NS、EW两分量互相独立(图2)，两端分别采用60～80 cm厚的水泥密闭墙体形成隔温腔体，具备进行地壳形变观测很好的基础条件［2-14］。

图1 十堰台形变测点与断裂分布示意图Fig.1 Sketch of distribution of the deformation site and faults at Shiyan station

地倾斜形变测量使用的是中国地震局地震研究所(武汉)研制的高灵敏度DSQ水管仪，该仪器的主要技术指标及参数如表1所示。

图2 十堰地震台形变观测仪器分布图Fig.2 Location of deformation instruments at the Shiyan seismostation

表1 十堰台DSQ水管仪主要技术指标及参数Tab.1 Main technical performances and parameters of DSQ water tube tiltmeter at Shiyan station

3 观测资料质量技术指标

柳林沟测点的水管仪为2007年新安装的观测仪器，从2007年7月至今，仪器工作稳定，资料连续可靠，能清晰地记录固体潮的变化，地倾斜日变固体潮曲线清晰、光滑，有明显的季节性变化特征。由于洞室内温度基本保持恒定，固体潮观测受自然环境因素的影响不明显(图3)。

图3 水管仪NS、EW分量整点值年变趋势图Fig.3 Annual trend of the hourly of NS and EW component of tide curve of Shiyan titlmeter

对十堰台FSQ水管仪(2007-07—2010-07)观测资料的连续率、年零漂、年变幅及M2波γ值均方差Mγm2、相对噪声水平M1等质量指标［2，3］进行全面处理，得到的结果如下：

1)观测资料的连续率采用

计算。式中n为以小时为单位的年缺记时数。2007—2010年水管仪倾斜潮汐观测资料的年平均连续率都达到了99.623%。

2)年零漂

水管仪倾斜潮汐观测两分量的年零漂的均值分别为0.054″和0.438″，小于或接近全国倾斜潮汐台站的平均值(0.16″与0.40″)，其中NS分量的年零漂率仅为全国平均值的1/3。

3)年变幅

年变幅的计算方法为：在每个分量全年8 760个整点值中找出正负最大值后将两者的绝对值相加，即得该分量的年变幅。水管仪倾斜潮汐观测年变幅(表2、表3)均值分别为0.393″和0.964″，亦接近于全国均值(0.32″与0.93″)，两分量的年变幅都较为稳定，相对而言，EW分量的年变幅值要大于NS分量。十堰台的年变幅与全国平均值相比稍稍偏大，可能与洞室热弹性形变大和仪器运行时间不长有关［4］。

2007—2010年十堰台DSQ水管仪数字化观测资料完整率、年零漂与年变幅如表2所示，都保持了较稳定的工作状态。

表2 DSQ水管仪的资料完整率、年零漂与年变幅Tab.2 Quality of the continuity，annual zero-drift and annual variation of the observations with digitalized water tube tiltmeter

4)M2波γ值均方差Mγm2

应用Venedikov调和分析方法按月对水管仪倾斜潮汐观测资料整点值进行调和分析，求出倾斜潮汐因子M2波γ值均方差如图4所示。十堰台水管仪M2波均方差除2007初安装至2008年上半年因仪器自稳定影响、2009年初的标定器故障引起潮汐因子有波动影响外，其他时段均运行稳定，精度较高。

5)相对噪声水平M1

相对噪声水平M1是衡量倾斜潮汐形变观测资料年度稳定性的质量指标。应用契比雪夫多项式即一个年度观测资料的73个5日均值作30阶拟合而成。公式为：

图4 水管仪Venedikov潮汐因子γ与中误差年变趋势Fig.4 Tide factor γ and root mean square error of titlmeter (2007—2010)

式中：

表3列出的是2007—2010年十堰台DSQ水管仪倾斜潮汐观测Mγm2和M1的质量评定结果，从表3可看出，十堰台水管仪倾斜潮汐M2波γ值均方差Mγm2年均值小于0.003，最低时可达0.012，2009—2010年均稳定在0.002以下;相对噪声水平M1的年均值在0.0019—0.0024之间。

表3 DSQ水管仪倾斜潮汐观测Mγm2和M1年度均值Tab.3 Quality of annual average of Mγm2and M1tilt tide observed with DSQ water tube

6)观测质量对比

十堰台DSQ型水管仪自运行以来，其观测资料已多次参加全国形变学科资料评比，在2008年的82个参评台中名列第17名，经过两年左右的稳定，在2009年全国地倾斜潮汐观测水管单项资料评比中，迅速上升排至前三名，获得“倾斜潮汐观测单项台”第二名的好成绩，全年资料稳定表现优秀(表4)。从表4可看出，十堰台的观测精度与噪声水平指标质量较麻城、宜昌、黄梅等湖北省主要形变台站的均高。

表4 观测指标比较Tab.4 Comparison between some tile tide observed projects and quantitative index of Shiyan station with first－rank others

4 日常观测中的暂态事件

在十堰地震台水管倾斜仪2007—2010的观测资料中发现，影响观测数据质量的因素主要有：仪器故障、供电系统故障、人为因素、同震变化等。现仅对2009年3月出现的高频微颤动和短时掉格阶跃这一特殊暂态现象加以分析。

2009年3月4日十堰台水管仪N端、S端分量开始出现高频颤动，3月6日18：50在斯瓦巴德以北地区发生了6.8级地震，地震前后N、S端数据畸变由4～5日的高频微幅颤动变成阶跃下降式畸变，导致NS分量高差数据也同样出现下跃式畸变;7日后恢复到正常形态。具体畸变过程如图5、图6所示。

本次固体潮畸变现象具有如下特征：

1)N端较S端畸变程度严重;

2)NS分量畸变分4段式(L1～L4)阶跃下降。L1的变化量达0.008″，L2的变化量达0.009″，L3的变化量达0.003″，L4的变化量达0.004″。L1～L4段均为先向N倾后向S倾，整体变化趋势为向S倾，整体倾斜量达到-0.038″。L1和L2处变化量较大，最大变化量为L2段。整个畸变至7日恢复正常，没有形成持续的趋势性异常变化。

文献［2］认为载荷变迁会对倾斜单分量产生影响。经现场落实和资料查证，认为十堰台水管仪2009年3月的短时畸变与洞体外载荷变迁有关。3月3日土石开挖工程开始，3月4至7日日固体潮观测曲线即出现微抖动后演变成类似阶跃畸变，持续时间达4天;3月7日后工程仍在继续，但开挖面积和深度未增加，倾斜NS分量固体潮观测整体微S倾未回复;尔后，在原开挖地基上建起8层高占地200 m2的建筑物，其间再未发生日固体潮畸变现象。

图5 十堰(柳林沟)台水管仪2009年3月6—7日分钟值畸变曲线Fig.5 Titl tide distortion curves of Shiyan station on March 6-7，2009

图6 水管仪NS分量整点值的畸变过程Fig.6 Titl tide distortion process of the hourly values of NS component of the water tube

5 汶川地震前十堰台倾斜潮汐加卸载响应比值变化与讨论

2008年5月12日汶川8.0级地震，震中距十堰台达500 km以上。运用调和分析、NAKAI检验、去潮汐及潮汐分析、加卸载响应比计算等多种方法对2008—2009年度的该台水管仪的整点值观测资料进行震前异常筛查发现，在2008年3—9月，两分量加卸载响应非潮汐特征比值曲线出现一些异常现象(图7)，这些异常现象主要有：

1)NS分量加卸载响应非潮汐特征比值表现明显的波动偏离，其频度与强度超过EW分量。

2)在主震发生前1～2月，NS分量加卸载响应非潮汐特征比值y升高(明显大于1)，并逐步呈上升偏离形态。

3)在主震发生的前夕NS分量加卸载非潮汐特征比值出现迅速下降至低值，在向正常值回归时发生了8.0级主震。

4)主震发生后的2～3月间，NS分量加卸载响应非潮汐特征比值y升高到最大值，达到最大振幅变化量;6月14日升至峰值，6月27日降至最低值，均突破2倍均方差阈值范围。

5)EW分量加卸载响应非潮汐特征比值在主震发生前1～2月未见明显偏离起点，特征比y值一直在1附近波动;于6月17日达到峰值并突破2倍均方差阈值界限后，快速回复至正常变化背景。

6)如图7所示，其他参量(加卸载拟合方差、振幅因子等)在两分量计算结果上未见明显异常。

图7 水管仪NS、EW分量加卸载响应非潮汐特征比值Fig.7 Load/unload response ratio in tide removing analysis of NS，EW component of water tiltmeter

6 结语

1)十堰台DSQ水管仪的倾斜潮汐资料连续、完整、可靠，仪器工作正常稳定。资料连续率高、年零漂与年变幅小，潮汐观测精度佳、相对噪声水平低。

2)十堰台DSQ水管仪自观测运行以来，除受土石开挖影响外观测值未出现与地震相关的前兆异常信息;潮汐因子在汶川地震前未见明显异常，但对整点值进行加载响应比计算结果显示，NS分量非潮汐特征比值在地震发生前2个月呈现系统编离现象，且波动的频度与强度均较大，临震前期急剧下降，至震后2～4月缓慢恢复。

1 陈德福，等.地震地形变观测技术［M］.北京：地震出版社，1995.

2 陈德福，聂磊.液体静力水准仪及其应用［M］.北京：地震出版社，2008

3 中国地震局监测预报司.地形变测量［M］.北京：地震出版社，2008：320-343

4 聂磊，等.DSQ型短基线水管倾斜仪及其标定装置的研制［J］.地壳形变与地震，2001，(3)：74-81.

5 邓建刚，李泽民，张志俊.麻城台倾斜潮汐形变观测资料质量与映震效能评定［J］.大地测量与地球动力学，2009，(6)：74-78.

6 于天龙，等.长春双阳地震台数字水管仪倾斜潮汐观测质量评定［J］.大地测量与地球动力学，2007，(专刊)：89-92.

7 黄晓华，厦门地震台数字化水管倾斜仪观测资料分析［J］.大地测量与地球动力学，2009，(增刊)：72-75.

8 G Dal Moro and M Zadro.Subsurface deformations induced by rainfall and atmospheric pressure：tilt/strain measurements in the NE-Italy seismic area［J］.Earth and Planetary Science Letters，1998，164：193-203.

9 王梅，等.数字化形变观测干扰识别［J］.大地测量与地球动力学，2004，(1)：94-98.

10 刘序俨，林继华，黄声明.福建厦门、漳州、泉州倾斜固体潮特征及其动力学解释［J］.地壳形变与地震，1998，(1)：70-75.

11 蒋骏，等.地震前兆信息处理与软件系统EIS2000［M］.成都：成都地图出版社，2002.

12 陆远忠，等.基于GIS的地震分析预报系统［M］.成都：成都地图出版社，2002.

13 冯锐.地倾斜与地震［M］.北京：地震出版社，1978.

14 铁摩辛柯，古地尔著.符芝纶译.弹性理论(第三版)［M］.北京：清华大学出版社，2004.

对十堰台DSQ型水管倾斜仪2007—2010年倾斜潮汐观测资料质量的全面评定，有如下认识：

QUALITY EVALUATION OF TILT TIDE OBSERVATION WITH DIGITAL WATER TUBE AT SHIYAN SEISMOSTATION

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Shiyan Seismostation，Shiyan442000)

Tilt tide measurement data with digital water tube is collected at Hubei Shiyan seismostation from 2007-2010.The results of data analysis indicate that the tilt tide observation for 3 years werecontinuous and reliable，the instrument works normally and stably which has small annual zero drift and change amplitude and so it is with the low noise level.The overall quality nearly reach the international level in terms of data accuracy，continuity and applicability，though the data had been affected by the local station cave excavates in March，2009，which were high-frequency vibration and the short-time drift.The earth tide returned soon to regular level very approximately and this short-time Anomaly had been not believed firmly as an earthquake precusor.In the same time，it is revealed that in the tilt components evident signal occurs together with significant perturbations of load/unload-response-ratio(LURR)of earth tide before the Wenchuan M8.0 earthquakes.

tilt tide;digital water tube titlmeter;data quality evaluation;short-time anomaly;LURR(Load/Unload-Response-Ratio)

Sun Lingli1)，Luo Junqiu1)，Lü Pinji1)，Guo Xizhi1)，Li Ming1)，Zhao Lingyun1)and Chen Hongbo2)

1671-5942(2011)Supp.-0059-05

2011-03-16

中国地震局震情跟踪合同制项目(2011020205);中国地震局三结合课题(22004041828);中国地震局地震研究所所长基金(IS200946086)

孙伶俐，女，1977年生，工学硕士，工程师，从事地壳形变观测技术研究.E-mail：sunll777@sina.com

P315.72+6

A