大同台地球物理台网观测数据跟踪分析

李文超，程冬焱，王鹏伟，刘 炜，殷 锴，闫美蓉，郝雪景

(1.山西省地震局大同地震监测中心站,山西 大同 037000; 2.山西省地震局,山西 太原 030021;3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,山西 太原 030025)

0 引言

2014年1月1日以来，为做好大同中心地震台(现更名为大同地震监测中心站)观测数据跟踪分析(以下简称“数据跟踪分析”)工作，台站工作人员严格按照“地震前兆台网观测数据跟踪分析技术指南”“前兆数据跟踪分析事件描述要素标准”和《地震前兆台网观测数据跟踪分析工作约定(试行)》要求，定期开展数据跟踪分析，系统分析台站所有观测数据的变化情况，在每月3日前完成上月数据跟踪分析月报,并提交省局区域中心[1]。同时，在规定时间内进行修改。根据多年的观测实践，将大同台不同前兆观测数据记录的各类事件归纳为7类，即：正常动态、观测系统故障、场地环境干扰、自然因素干扰、人为干扰、地球物理事件和不明原因变化[2]。

研究时，将观测数据在不受任何干扰情况下的变化动态作为正常动态，其反映了台站的地球物理(化学)观测数据序列的正常变化状态，对由观测系统、场地环境、自然因素、人为干扰影响下引起的观测数据偏离，反映短期地球运动与变化过程的地球物理事件，与有待查明诱因的不明原因事件进行区分[3]。对近五年的大同台数据及典型事件进行分析，掌握观测数据的正常动态及前兆台网各类仪器的运行状况。

1 大同台地球物理台网观测数据概况

大同台地球物理台网目前有5个台站16套仪器在运行，涉及形变、地电、地磁、流体等多测项观测手段。其中，形变观测仪器主要有钻孔体应变仪(1套)、四分量钻孔应变仪(3套)、VP垂直摆倾斜观测仪(1套)、钻孔倾斜仪(1套)、数字短水准仪(1套)；地磁观测仪器主要有FHD-2质子矢量仪(1套)、磁通门磁力仪GM4(2套)、OVERHAUSER磁力仪(1套)；地电观测仪器主要有ZD9A-Ⅱ地电场仪(1套)、ZD8BI地电阻率仪(1套)；流体观测仪器主要有LN-3A数字水位仪(2套)、SZW-1数字水温仪(2套)。

对2014年1月-2018年12月的数据统计，有5个台站15套仪器记录各类事件(不含正常)共计888条，其中14套仪器记录观测系统事件130条，10套仪器记录自然环境事件260条，4套仪器记录场地环境事件25条，14套仪器记录人为干扰事件131条，12套仪器记录地球物理事件292条，6套仪器记录不明原因事件50条。各类事件统计如表1所示。

表1 2014-2018年大同台地球物理台网数据跟踪分析各类事件分类统计Table 1 Statistical table of various events for tracking analysis data of Datong geophysical network from 2014 to 2018

2 典型事件分析

2.1 形变典型事件

大同台形变观测数据的非正常动态变化除人为干扰(标定、调零、人为进洞)外，主要为观测系统故障干扰、场地环境干扰、自然因素干扰、地球物理事件，且干扰主要表现为观测系统故障和自然因素。其中，观测系统故障主要为主机故障、传感器故障、供电系统故障。如，四分量钻孔应变观测(YRY-4)在2018年12月9日18:30至10日09:40数据噪声增大(见图1)，固体潮畸变，工作人员发现为供电系统故障导致，维修后数据恢复正常；自然因素干扰主要为雷电或短时强降雨产生负荷导致的数据阶变。如，体应变观测(TJ-2)在2016年7月24日20:34至23:59受短时强雷雨干扰，数据发生应变压性变化(见图2)。在雷雨结束后，逐渐恢复到正常背景值状态。

图1 大同台四分量钻孔应变仪观测供电故障干扰图Fig.1 Interference diagram of power supply fault observed by four component borehole strain gauge at Datong station

图2 大同台体应变观测雷电干扰图Fig.2 Lightning interference diagram of body strain observation at Datong station

2.2 地磁典型事件

大同台地磁观测数据非正常动态变化除场地环境影响外，主要受地球物理事件、观测系统和人为干扰。其中，地球物理事件干扰以记录到的电磁扰动为主(见第12页图3)。如，2017年7月16日06:01至18日14时FHD-2质子矢量磁力仪记录到急始型磁暴SC，急始变幅D为0.15′、H为0.8 nT、Z为0.9 nT，活动程度为m，最大扰动D为8.55′、H为226.0 nT、Z为44.1 nT，最大K指数为6。观测系统干扰主要为仪器主机死机故障，场地环境干扰为周围近距离施工，人为干扰为工作人员进入仪器探头室调试仪器或进行标定校准(见第12页图4)。如，2017年1月1日零点D分量出现台阶，为12月30日年底标定，对方位角进行归零时，产生台阶，根据学科规范要求，为使台阶留在年与年之间，对31日的全天数据进行台阶处理，台阶改正量为-8.77′，水平分量H、总强度F变化正常。

图3 大同台质子矢量仪急始磁暴干扰图Fig.3 Interference map of proton vectoring instrument in Datong station

图4 大同台质子矢量仪仪器校准干扰图Fig.4 Interference diagram of proton vector instrument calibration in Datong station

2.3 地电典型事件

大同台地电观测数据非正常动态变化根据表1统计显示，主要受自然环境干扰较多(占77%)，其次为场地环境和观测系统干扰。自然环境干扰主要表现为雷电、雨雪、大风等对不同测道数据产生不同程度的干扰(见第12页图5)，且不同类型、不同程度的自然环境变化，对不同测道产生的干扰程度均不同。

图5 大同台地电场仪自然因素干扰图Fig.5 Interference diagram of natural factors of geoelectric field instrument at Datong station

2015年11月5日00:00至6日23:59，测区降雨雪，降水量约17 mm，对ZD9A-Ⅱ地电场仪各道数据造成干扰，变幅为3.37～19.02 mV/km。雨雪结束后，数据恢复至背景值状态。

ZD8BI地电仪2016年5月12日02:00至14日09:00EW向观测数据受降雨干扰，产生数据阶变(见第13页图6)，阶变期间的降水量约19 mm。降雨导致电阻率EW向5月12日2时至3时上升0.248 Ω·m，4时至5时下降0.327 Ω·m，13日20时至21时上升0.56 Ω·m，降雨结束后，14日8时至9时EW向数据下降1.03 Ω·m，恢复到之前背景值，其他测道数据正常。

图6 大同台地电仪自然因素干扰图Fig.6 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

2016年10月21日0时开始降雨，持续18小时左右，累计降水量为12 mm，ZD8BI地电仪三道电阻率测值均未出现阶变和突跳。EW向自然电位差从12时至16时下降4.5 mv(见第13页图7)，NS向自然电位差在同一时段下降6.3 mv。降雨结束后，两测向自然电位差数据逐渐恢复到正常背景值状态，其他测道数据未出现干扰情况。

图7 大同台地电仪自然因素干扰图Fig.7 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

ZD8BI地电仪2016年3月1日至14日地电阻率EW向自然电位差疑似受春季气温回暖,测区地表解冻、湿度增加影响而产生变化,最大变化量约20.800 mv(见第13页图8),随着温度逐渐回升,数据恢复正常。往年同期，EW向均有类似该形态的数据变化,可能与测区环境有关(场地高差较大且此测线沿线有村里吃水用井)。其他各测向分量背景噪声达标，数据变化正常。

图8 大同台地电仪自然因素干扰图Fig.8 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

2.4 流体典型事件

大同台流体观测数据非正常动态变化主要有地球物理事件、不明原因、自然环境、人为因素干扰，多数为地球物理事件和不明原因干扰。其中，地球物理事件为水位仪记录到同震响应，不明原因干扰主要为不明原因引起的水位阶变。如，2018年3月20日，朔州井水位记录到当日17∶22台湾M5.1地震同震波形(见图9)，持续19 min，同震最大变幅0.097 m。

图9 大同台水位仪同震响应Fig.9 Coseismic response of water level meter at Datong station

2018年5月1日至18日，镇川地震台井水位与往年同期相比，存在破年变现象，出现多次突升、突降变化(见图10)，特别是在17、18日出现突升-突降变化。在经历多次突升后，18日17:23出现较大幅度的突降变化，之后恢复至突升前的水平，在此期间水位变幅约0.475 m。工作人员经现场核实认为，这次突变与泄流管堵塞有关。

图10 大同台水位仪不明原因干扰图Fig.10 Unexplained interference diagram of water level meter in Datong station

3 结论与认识

通过对大同台数据跟踪分析工作不断深入，对观测数据反映的各类事件进行调查与分析，得出如下结论与认识。

各测项数据非正常动态变化除人为干扰(标定、调零、进洞)外，主要有观测系统故障、场地环境、自然因素、地球物理事件、不明原因等干扰。由事件统计及典型干扰事件分析看出，干扰主要表现为观测系统故障、自然因素和地球物理事件三类。其中，观测系统故障主要为主机故障、传感器故障、供电系统故障，其干扰形态为数据缺测断计及记录到错误数据；自然因素干扰主要为大风、降雨、雷电以及季节性变化对不同仪器测项产生的干扰，且同一仪器不同测项分量所受的自然干扰在形态以及持续时间上重现性较好，易于识别，干扰幅度随不同程度干扰而不同；地球物理事件主要为各类仪器记录到的地震同震响应、电磁扰动、磁暴、地电暴事件，在形态、时间上具有较好的一致性和可识别性，但不同类型仪器测项的记录幅度有很大差别。

通过跟踪分析，台站人员对观测数据及时跟踪研判、排除干扰故障，掌握数据变化趋势，提取前兆数据异常信息，发挥前兆数据在地震预测预报中的作用，明确数据跟踪分析的意义；通过数据跟踪分析软件对各类事件的分类统计，直观了解影响观测数据质量的主要因素，并采取相应措施；依据数据跟踪分析分类统计结果及典型干扰图，分析干扰成因，提出解决办法，为仪器更新改造、备机备件购置、观测数据异常核实及观测环境改造提供参考依据。