江苏省断层形变台站水准观测数据质量评价

董传雷 彭 澎 张荣杉 孙煜杰

（中国江苏223800 宿迁地震监测中心站）

0 引言

跨断层定点测量是，应用大地测量方法，在固定台站上进行跨断层形变测量。目前采用短水准测量方法，在台站布设跨越断层测线，周期性进行往返观测，以此来监测活动断层的运动，提供主要活动断层和特定地区活动断层垂直运动的变化信息。

根据中国地震局第一监测中心（大地测技术管理部）相关文件要求，2018 年10 月1 日起，对跨断层短水准测量频率进行调整，从1 天1 测更改为5 天1 测。数据采样频率的下降是否会对数据质量造成影响，本文即从该角度，以江苏省断层形变台站水准观测数据展开分析。

1 江苏省水准观测建设概况

江苏省共有4 个断层形变台站水准观测场地9 条测线，分布于郯庐断裂带、茅山断裂等地震重点防御区和特定区。除南京地震台NS 分量（OC 测段）O 点为土层点外，其他测点均为基岩点。其中：①南京跨断层定点水准场地处于南京—自来桥大断裂东侧，长江破碎带南侧，茅山东侧大断裂西侧。1974 年投入观测，布设EW 分量、NS 分量2 条测线20 个测点，观测断裂为近EW 向定淮门—马群断裂及附近一条隐伏断裂；②南通跨断层定点水准观测场地位于长江之滨的狼山与剑山之间。1988 年投入观测，布设NS 分量、EW 分量、NW 分量3 条测线18 个测点，观测断裂为狼山断裂中NNE、NNW 向小型断层；③宿迁地震台跨断层定点水准观测场地地处郯庐断裂带F1、F2之间。1976 年投入观测，布设NE、NW、NS 分量3 条测线15 个测点，观测断裂为郯庐大断裂带上NNE 向破碎断层f7；④新沂地震台跨断层定点水准观测场地处于郯庐断裂带F1、F5之间。1994 年投入观测，布设EW 分量1 条测线16 个测点，观测断裂为郯庐大断裂带上NE 向破碎断层f5。各台测线分布详见图1。

图1 各台站测线分布Fig.1 The distribution of survey lines of each station

2 数据质量评价方法

选取江苏省4 个断层形变台站水准观测数据开展质量评价，不考虑系统性误差，仅就不同采样率下数据质量做基础性评估。关于统计数据质量的基础性评估，薛金龙等（1996）、叶长法等（1997）、卢二坡（2006）提出一套完整的数据质量评估指标，如针对数据准确性、完整性、合理性提出的差错率、完整率、合格率等。杨海山等（2001）、李卫东等（2005）、刘洪等（2006）提出3 种基于指标的客观评估方法，即比率法和最大、最小值法及加权平均法。其中，比率法是指用期望值与总值的比率来反映数据质量好坏的方法；最大、最小值法适用于衡量数据质量的单一指标，且最小值法相对保守；加权平均法是指对多元维度的各类指标进行加权，与最大、最小值法相比，加权平均考虑了各类指标的影响。

关于短水准测量精度评价，1990 年中国地震局编制的《短水准测量》一书中定义了2 个物理量M站、M公里。其中，M站是用往、返闭合差或环线闭合差来评定每个测站往返观测高差中数的误差值，公式如下

式中，Δ为测段往、返高差不符值，W为往、返高差中数计算的闭合差；n为不符值或闭合差个数，N为测线（测段或环线）的测站数。

M公里是用日均值按均方连差来评定每千米往返观测高差中数的中误差，公式如下

式中，n为参与统计的日均值个数，L为测线长度。

为进一步突出数据波动变化，引入一阶差分量δ。δ是本次与前一次测量的测线高差差值，公式如下

3 数据质量分析

选取江苏省4 个断层形变台站2017 年10 月至2019 年9 月短水准测量数据，其中2017 年10 月至2018 年9 月数据测量频率为1 天1 测（用符号“J”表示）；2018 年10 月至2019 年9 月数据测量频率为5 天1 测（用符号“X”表示），基于最大和最小值法、趋势变化、测量精度及一阶差分统计，进行数据质量评价分析。

（1）最大、最小值法。采用最大、最小值法对所选数据进行质量评价，结果见表1。由表1 可知，除南京台“01”测线外，测量频率更改前后，各台站各测线最大值、最小值符合年变水平，且方差均小于0.1，变化相对稳定，数据一致性较好。南京台“01”测线基准点O 为土层点，受降雨等环境因素影响较大，对比性相对较差（王锋，2013）。

表1 江苏省跨断层定点台站测量数据统计Table 1 Statistics of fixed point leveling observations in Jiangsu Province

（2）趋势变化。绘制2016—2021 年4 个断层形变台站水准观测各测段趋势变化图，见图2 所示，可见：2017 年初（测量频率更改前）宿迁台短水准OA 段（EW 向）出现破年变异常，数据表现为持续高值波动；南京台测线由于O 点为土层点，导致数据受降雨影响大，曲线波动较大；除宿迁台2017 年初OA 段及南京台外，各台站其他测线测向，曲线波动虽然程度增大，但整体趋势（或年变趋势）未发生明显变化，表明测量频率改变不会对水准数据观测质量与映震效能产生实质性影响。

图2 2016—2021 年断层形变台站水准观测数据趋势变化Fig.2 The data trends of leveling observations at Jiangsu fault deformation stations from 2016 to 2021

（3）测量精度。绘制4 个台站M站、M公里统计图，见图3。由图3 可见：M站统计结果显示，4 个台站均表现为：测量频率更改前数据相对稳定，更改后数据波动较大；M公里统计结果显示，除南京台外，其他3 台统计曲线整体变化趋势与M站统计结果一致，测量频率更改前数据相对稳定，更改后数据波动较大。此类现象由参与计算的数据成倍数减少所致，但数据真实性与反映地下结构变化的可靠性并未发生改变。

图3 M站与M公里统计Fig.3 Statistics of M站 and M公里

（4）一阶差分统计。绘制4 个台站一阶差分δ统计图，见图4，可见：测量频率更改前后，4 个台站δ分布在±0.5 mm 范围内的短水准测量数据分别占比95.2%、93.3%，更改后占比相对较低；南京台一阶差分量条带相对较宽，应由测线固有属性引起；宿迁台一阶差分量前期条带较宽，后期有所改善。众所周知，短水准数据质量受人为干扰影响较大，该台前期操作人员频繁更换，后期测量人员相对固定，故出现以上变化（张荣杉，2018）；南通台与新沂台一阶差分量条带分布较好，测量频率更改前后δ分布在±0.5 mm 范围内比例较高，尤其是新沂台，在435 次测量中仅1 次超出该范围。以上统计结果充分证明，改变测量频率不会对水准数据观测质量与映震效能产生实质性影响。

图4 江苏省断层形变台站水准观测一阶差分统计Fig.4 First-order difference chart of leveling observations at Jiangsu fault deformation stations

4 结论

选取江苏省4 个断层形变台站水准观测不同观测频率下水准测量数据，基于几种常用评价方法进行质量评估，结果表明，更改测量频率不会对水准数据观测质量产生实质性影响，跨断层水准监测属于中长期地震前兆手段，测量频率的降低，不会改变数据年变化趋势，能够反映地下地质构造运动规律，映震效能未发生实质变化。需要注意的是，数据采集频率的下降，造成数据量减少，导致外部干扰，尤其是人为干扰，对整体数据质量的影响加大，在观测过程中务必保证数据的真实性、可靠性，才能为相关研究提供准确而翔实的基础数据。