山东水管倾斜仪观测运行分析

李希亮，陆汉鹏，孟建国，胡尊迎，田凤东

（1.山东省地震局，山东 济南 250014；2.山东泰安地震台，山东 泰安 271004；3.山东马陵山地震台，山东 临沂 276114；4.山东日照市地震局，山东 日照 261000）

0 引言

水管倾斜仪（以下简称水管仪）是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，除用来测定缓慢倾斜变化、倾斜固体潮和捕捉临震前兆信息外，还可用于地球动力学与精密工程测量等方面，可为研究地壳倾斜变化和固体潮水平分量变化规律提供数据，也为地球弹性研究提供重要数据。一些研究结果已经证实［1－2］，利用水管仪的观测资料，在没有对资料进行去固体潮处理的情况下，采用功率谱密度估计方法，可以提取到大地震激发的地球球型振荡，实测振荡周期与PREM预测的振荡周期吻合。由大量震例统计可知［3－4］，孕震过程中，可从倾斜观测数据直接获得形变速率和方向的变化，可间接以倾斜固体潮潮汐因子波形形态来描述岩石弹性力学性质变化。因此，高质量的水管仪观测资料能给相关的地震研究提供数据支持。我国地倾斜观测起步于1966年邢台地震后，据统计，目前全国已经安装了96套水管仪。山东省的水管仪观测始于1976年，该地区现运行的3套水管仪均为DSQ型。

1 台站概况

山东水管仪观测布局兼顾该地区主要的地震断层、活动断裂以及地震重点监视防御区。但其测点密度低，与仪器工作环境和台站堪选的难度有关。山东地区3个水管仪观测台站（见图1），分别是泰安基准地震台（以下简称泰安台）、郯城马陵山地震台（以下简称郯城台）和烟台地震监测中心台（以下简称烟台台）。

图1 台站平面位置图Fig.1 Location of the station

泰安台1980年至1985年目视水管仪进行观测，1984年至1998年，FSQ型自记水管仪观测，1998年进行“九五”改造，升级为DSQ型水管仪，2009年 “十五”改造并运行至今。其基线南北向为31m，东西向为10m。该测点地处莱芜弧形断裂带（第四纪活动断裂）北侧（台址附近段称为泰山山前断裂），台基为太古代泰山群（Art）花岗片麻岩体。洞体岩性为太古界泰山群花岗片麻岩，岩体较完整，山洞洞室最大覆盖厚度29m，总面积为464m2，总进深130m。洞室年温差小于0.06℃，日温差小于0.004℃，洞室内相对湿度小于90%，观测环境良好。

烟台台1998年安装了DSQ型水管仪，2010年仪器更新改造，与伸缩仪安装在同一观测墩上。其基线长度东西向为28.73m，南北向为21.12m。台基以云母角闪片岩为主，夹有透闪石大理岩、长英岩脉等，岩石裸露，节理发育，风化层深达15m～20m。距台站10km有北东向桃村断裂及北西向蓬莱—威海断裂两条中等规模的活动断裂。台站地处丘陵缓坡园林区，北临黄海，距海约2 200m，观测环境良好。洞室温度保持在14.0℃左右，年温差不超过0.5℃。

郯城台1976年至1992年目视水管仪观测，1988年至1998年FSQ型自记水管仪观测，1998年升级为DSQ型水管仪，2011年仪器更新改造，与伸缩仪并行安装在同一观测墩上。其基线长度东西向为18.20m，南北向为29.22m。台站地处沂沭断裂带南段，跨安丘－莒县断裂。台基为破碎白垩系红色砂岩，岩层倾向东南，倾角60°～70°。台站山洞进深1 754m，洞顶覆盖最厚约70m，洞内年平均温度为16.0℃，年温差小于0.2℃，周围无干扰。

2 质量分析

2.1 资料的连续性和完整性

观测数据连续率和完整率是衡量地震前兆观测数据质量的重要指标之一，连续率统计对象是原始观测数据，即由观测仪器直接产出未经任何处理的数据。完整率统计对象是预处理数据，即按照各学科观测技术规范和技术要求进行预处理后的数据。

根据公式（1）和（2），对2007年—2011年山东地区水管仪观测数据的连续率和完整率分别进行统计，结果详见表1和表2。各台的连续率和完整率较高，观测资料保持较好的连续性，表明各台仪器稳定性较高，观测系统运转正常，能很好地为地震研究提供数据支持。水管仪的更新改造一般都会造成4至5天断记，因此，对相应年份的观测资料连续率和完整率有影响。如，2008年泰安台仪器更新改造，2010年烟台台仪器更新改造，2011年郯城台仪器更新改造。

表1 山东水管倾斜仪2007年—2011年观测数据连续率Table.1 Continuity of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

表2 山东水管仪2007年—2011年观测数据完整率Table.2 Integrity rate of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.2 年零漂

年零漂是衡量观测仪器及墩基稳定程度或地壳继承性新构造运动［5］。文章采用日均值法计算水管仪的年零漂。日均值法是，将该年度12月31日日均值减去当年1月1日日均值，其差值为该年零漂值（有正负之分）（见表3）。各台站的年零漂值均满足地倾斜年零漂小于2″的要求［6］，但泰安台仪器更新后的年零漂高于我国水管倾斜仪的平均值为0.165″［7］，这可能与仪器自身的漂移有关，烟台台和郯城台南北向低于平均值，而东西向却高于平均值。

表3 2007年—2011年山东水管仪观测数据年零漂统计表Table.3 Annual zero drift statistics of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.3 年变幅

年变幅计算方法是用全年整时值中找出最大值与最小值，二者之差即为年变幅。我国水管仪的年变幅平均值为0.318″［8］。从表4可知，山东水管仪的年变幅均值都大于0.318″，烟台台两分量的年变幅较为稳定，其中2008年和2011年低于全国平均值。

表4 2007年—2011年山东水管仪观测数据年变幅统计表Table.4 Annual amplitude variation of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.4 M2波γ因子均方差

M2波γ因子均方差mγ采用VenediKov调和分析计算得出［5］，即按月对倾斜观测整时值进行调和分析，求取倾斜潮汐M2波的潮汐因子γ值均方差。按照地震及前兆数字观测技术规范要求，mγ地倾斜小于0.02［7］，我国水管仪 mγ加权平均值为小于0.005 2［9］。从表5中可以看出，泰安台水管仪mγ均小于全国平均值0.005 2，完全满足规范要求的小于0.02的技术指标值，但与全国最好水平的台站还有一定差距。烟台台受海潮影响较大，mγ达不到规范要求的技术指标值。郯城台2011年仪器升级改造后，工作不稳定，缺记较多，之前4年mγ基本达到小于0.02的规范要求。

2.5 噪声水平

相对噪声水平是用来判断水管仪观测资料长期稳定性的一项定量指标［7］。相对噪声水平M1由年度观测资料的73个5日均值用契氏多项式30阶拟合计算得出，其计算公式为：

表5 山东水管倾斜仪M2波γ因子均方差Table.5 Mean square deviation of factorγof M2wave in water tube tiltmeter in Shandong Province

地震及前兆数字观测技术规范［7］要求地倾斜M1＜0.02″。从表6可以看出，山东水管仪的噪声水平为0.004″左右，低于规范的要求值0.02″，三台站相比，泰安台稍好，郯城台的噪声水平偏大。

表6 山东水管倾斜仪噪声水平Table.6 Noise level of water tube tiltmeter in Shandong Province

3 主要干扰

3.1 气压干扰

气压对洞室形变观测的短时微动态影响类似于强震前驱波异常图像，通过与当地气压的对比分析，较容易判断是否为气压的短时微动态影响［10］。2007年8月7日的气压骤变（15时17分为989.55hPa，28分为992.56hPa），郯城台水管仪4个端点的电信号出现不同程度的畸变，与气压变化同步（见图2），进一步说明气压变化对洞室形变观测的影响比较普遍，当气压出现短周期骤变时，才会出现比较明显的固体潮畸变［11］。但是对于同一套仪器的不同测项，气压影响存在差异，在固体潮汐曲线上有不同的体现。由于气压影响的同步性，可以推断固体潮畸变是否为气压的影响。

3.2 降雨干扰

降雨对地倾斜观测的影响主要表现在，雨水渗入洞体岩石裂隙，岩体膨胀，造成地表倾斜或伸缩变化，这些变化会反应在固体潮观测曲线上，降雨影响主要与洞室基岩条件有关，同一测项每次降雨引起的异常形态相似［11］。2010年6月—9月，郯城台共降雨537.9mm，水管仪NS和EW均受降雨影响，伴随降雨出现向上伸张性变化，随雨量加大而伸张加速，但雨季过后明显恢复到正常变化趋势（见图3），这与郯城台所处断裂和洞体岩石基础破碎度有密切关系。降雨对水管仪观测的影响比较复杂，不但与降雨量、降雨持续时间有关，还与洞室基础岩性、岩石倾角、当地干旱程度等因素有关。因此，降雨的影响无法定量排除，给数据分析带来一定的难度。

图2 2007年8月7日郯城台水管倾斜仪受气压的干扰Fig.2 Barometric pressure interference with water tube tiltmeter at Tancheng Station on Aug.7th，2007

图3 郯城台水管倾斜仪受降雨的干扰Fig.3 Rainfall interference with water tube tiltmeter at Tancheng Station

3.3 观测环境变化干扰

良好的观测环境是地震前兆观测数据质量的保证，洞室周边的大型施工、爆破和洞室改造施工等因素直接影响洞体形变观测，近距离干扰，观测资料会出现固体潮畸变或较大幅度突跳和台阶变化。2011年5月17日—20日，泰安台安装新水平摆倾斜仪，给其他洞室仪器带来了不同程度的影响，水管仪EW向最为严重（见图4），原因是水平摆和水管仪EW向洞室相通。5月17日16：40—17：25，仪器安装人员进山洞查看仪器房，做水平摆倾斜仪的安装准备工作。5月18日9：06—23：52，5月19日09：03—16：44，5月20日9：22—11：25为水平摆安装时段，给水管仪的固体潮观测带来严重的干扰。人为因素干扰是洞室形变观测不可避免的，仪器的安装调试和人为参观，都会对形变观测造成不同程度的影响。因此，台站工作人员需做好详细的工作日志，为资料分析提供依据。

图4 泰安台仪器安装存在的干扰Fig.4 Interference with instrument installation at Tai’an Station

3.4 仪器调修干扰

山东地区洞体应变仪的布设均采取了与伸缩仪共墩的方式，此布设方式就决定了在仪器调试和维修过程中，两套仪器间的相互干扰。虽然在同一个地震观测山洞内，不同的仪器安装在不同的观测室，但由于观测仪器的高灵敏度，人为因素对水管仪的干扰也不可避免，都会造成固体潮曲线出现畸变。水管仪蒸馏水的定期更换、传感器故障、数采故障和其他仪器的调修等因素都会影响仪器的观测质量，给数据的分析带来干扰，因此，需要台站工作人员详细填写观测日志，降低数据分析的难度。

4 结论

简单介绍山东地区3个水管仪观测台的概况，对2007年—2011年各台的观测质量和受干扰情况进行分析和探讨，得出如下结论：

（1）山东水管仪的连续率和完整率较高，观测资料保持了较好的连续性，表明各台站仪器稳定性较高，观测系统运转正常，能很好地为地震研究提供数据支持；各台站均满足地倾斜年零漂小于2″的要求，但是泰安台仪器更新后的年零漂高于我国水管倾斜仪的平均值为0.165″，烟台台和郯城台南北向低于平均值，而东西向却高于平均值；三台站的年变幅均值都大于我国水管仪的平均值0.318″；泰安台水管仪mγ小于全国平均值0.005 2，满足规范要求的小于0.02的技术指标值，但与全国最好水平的台站还有一定差距；烟台台受海潮影响较大，mγ大于0.02；郯城台2011年仪器升级改造后，工作不稳定，缺记较多，之前4年mγ基本小于0.02；山东水管仪的噪声水平为0.004″左右，低于规范的要求值0.02″，三台站相比，郯城台的噪声水平较大。

（2）在日常观测中，山东地区水管仪倾斜观测主要受气压、降雨、观测环境变化和仪器调修等因素影响。以上干扰因素，有时会叠加在一起，导致观测值曲线变化形态复杂。观测中的干扰识别，是一个不断探索和经验积累的过程，正确排除各种干扰，获得真实信息，对提取地震前兆信息有很大的帮助。

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