五指山台水管倾斜仪北南向变化的异常判定＊

郭昱琴 李 盛 张 慧 胡久常 孙三健

（海南省地震局，海南海口 570203）

引言

形变观测信息中包含固体潮汐和非固体潮汐信息，固体潮汐是由于日、月和近地行星对地球的引力变化所导致的地球内部和表面的周期性形变[1]，非潮汐信息反应的则是地表倾斜和应变的变化。因此，倾斜观测可作为地震前兆定点形变观测的重要手段。前人针对形变观测进行了大量研究，陈德福和张锡令[2]在搜集整理了大量的倾斜异常图像后对倾斜异常形态进行了分类和特征分析；王梅等[3]、曹建玲和石耀霖[4]论述了气压、雷电、地表温度和环境载荷等干扰对观测记录的影响及其机理。由于影响机理复杂，在地震预报实践中，如何提取较为可靠的前兆异常信息就显得尤为重要[5-6]。研究区域地下水环境复杂，随时间推移，由水体质量变化引起的孔隙压力扩散和渗流效应，对地形变将产生不同影响[7]。目前定点形变仪器种类较多，不同类型仪器的观测物理量和信号频段不同，捕捉到的前兆异常具有一定的差异性[8-10]。本文对五指山台水管倾斜仪北南向变化从观测系统、洞室温度、辅助观测资料情况和周围环境因素变化等多方面进行详细论证，排除前兆异常现象。将有助于对台站观测资料的理解和利用，进而为该区域地壳应力——应变状态的长期变化研究提供宝贵资料。

1 台站基本情况

海南岛以琼州海峡与华南大陆相隔，由北向南发育有王五——文教、昌江——琼海、尖峰——吊罗和九所——陵水等4条近东西向隐伏断裂，由西向东发育北南向戈枕断裂和白沙断裂[11]。五指山台位于五指山市冲山镇阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（图1），距台站 10 km 处有一条隐形平移断层，而台站正南方25 km有尖峰——吊罗深大断裂，该区域广泛出露二叠系花岗岩和三叠系花岗岩[11]。台站周围基岩裸露，观测硐室的台基为角闪黑云二长花岗岩，厚度较大，约40 m。基岩性坚硬完整、致密均匀，测点周边观测环境也较为稳定。台站为无人值守台站，年平均气温22.4℃，年平均气压977.9 hPa，年平均降雨量1690 mm。硐室内共布设3套形变观测仪器，分别为DSQ水管倾斜仪、SSY铟瓦棒伸缩仪和VP宽频带倾斜仪，均为 “十五” 数字化观测项目所选用的仪器。其中DSQ水管倾斜仪和SSY铟瓦棒伸缩仪布设在主洞室内，两者相同分量的仪器部件平行布设且共用同一槽体，VP宽频带倾斜仪布设在主洞室南侧的侧洞室。气象三要素综合观测仪架设于距台站2.4 km处的五指山市地震局，观测环境稳定。

图1 五指山台站构造位置及仪器布设图Fig.1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan station

2 异常判定分析

2.1 观测数据异常变化情况

2015年1月——2017年4月，五指山台水管倾斜仪北南分量观测数据变化形态平稳。2017年5月起，北南分量出现了持续南倾现象。从水管仪北南分量观测数据日均值（图2）来看，往年年变幅度约700×10−3″，而 2017年 5月——2019年 5月 1日，下降幅度达 5892.796×10−3″。而同期东西分量观测数据表现正常，年变幅度在 400×10−3″范围内波动。

图2 水管倾斜仪整时值数据变化曲线（2015-01-01——2019-05-01） Fig.2 Data change curve of water pipe tiltmeter （2015-01-01——2019-05-01）

2.2 观测系统排查

观测资料出现异常后对仪器的主机、传感器、通信系统、供电线路、UPS、避雷设施等进行了检查，信号电压与工作电压均正常。对水管水质情况检查发现北南分量的钵体、水管及胶皮管均完好，水质也较为清澈透明，未发现有明显的微生物或其他杂质。对墩体进行检查，发现尽管有挡雨棚遮挡、塑料布覆盖及泡沫箱隔断，墩体依然较为潮湿，并在墩体表面伴有水滴积累。但学科专家现场查看后，认为本台洞室内和观测墩体的潮湿程度总体情况较好，对观测数据影响不大。

2.3 环境干扰调查

对周边环境调查发现，台站上游1.3 km处有一大型水库−太平山水库，台站西侧约1 km处有一建筑工地−水墨雨林项目。

太平山水库距五指山形变台1.3 km，位于台站东北方向，主要为城市供水，兼有防洪、旅游等功能。20世纪80年代初建成，总容积约142万m3，其蓄水主要来自降雨。水库观测站水文资料显示，水库水位呈冬低夏高变化。水库距台站的距离符合形变台站建设规范中倾斜、应变观测距干扰源最小 “安静” 距离的规定，且其库容量与五指山形变台水管倾斜仪北南分量观测数据没有明显相关性，因此，认为水管倾斜仪北南分量的缓慢南倾现象并不是水库库容量变化所导致的（图3）。

图3 太平山水库库容量年变化Fig.3 Annual variation of Taipingshan reservoir capacity

水墨雨林项目距五指山形变台站约1 km，处于台站正西方位，建筑工地位于224国道与甘工路交汇处附近。通过走访项目部建筑技术工程师及查阅施工日志得知，施工队于2017年5月初进驻工地，开始打桩，并于2017年7——12月完成大楼主体建设。水墨雨林项目共有5栋楼在建，楼高为8——9层。根据此项目的方位（台站西侧）、规模以及距台站距离等判断，均不足以对仪器产生影响（图4）。

图4 水墨雨林项目工地图片Fig.4 The picture of the Ink Rain Forest Project Site

2.4 气候因素调查

五指山台气象三要素观测仪2017年9月26日投入运行，对比分析2017年9月以来降雨量和水管仪北南向观测数据，发现降雨对水管仪观测数据无明显影响，南倾变化与降水不存在相关性（图5）。

图5 五指山台降水量（蓝色实线） 和水管仪北南分量观测曲线（黑色实线） Fig.5 Precipitation （blue solid line） and NS component change curve of water pipe tiltmeter （black solid line）at Wuzhishan station

2.5 观测数据的可靠性分析

现有倾斜观测资料调和分析精度指标是按Venedikov调和分析方法，对月尺度的倾斜观测资料进行调和分析，以M2波的中误差mγ指标作为评定倾斜观测资料质量的第一项指标，规范要求Ι类倾斜台站观测mγ＜0.02。根据中国地震局地壳形变学科组公布的月评内精度结果，统计2015年1月——2019年5月五指山台定点形变观测内精度可以看出：水管仪北南向自2016年5月后观测资料内精度满足规定优秀指标，观测质量较好。2017年5月出现趋势转折后，M2波潮汐因子内精度未出现异常变化（图6）。

图6 五指山台水管仪北南向内精度结果Fig.6 NS component precision curve of Wuzhishan water pipe tiltmeter

2.6 数字化前兆异常识别方法分析

2.6.1 非潮汐变化分析方法

日均值方法是固体潮数据非潮汐分析方法之一，即对一天的24个整点值取平均，它可以滤去97%的潮汐成分，剩下的是零点飘移和非潮汐信息[12]。从水管倾斜仪北南分量日均值及其差分，5日均值及其差分发现异常突出均为仪器校准检修影响（图7）。

图7 五指山台水管倾斜仪北南分量差分曲线Fig.7 NS component difference curve of water pipe tiltmeter at Wuzhishan station

2.6.2 超限率方法

利用小波分解和改进的超限率可以得到的某个带通信号，可以分为正常背景和异常两部分。通过对这两部分界线划分的研究，找到了客观、唯一确定超限率分析的阈值方法[13]。结合五指山台水管倾斜仪北南分量长期（4年时长）的超限率计算结果，发现超限率数量具有显著增强的均为仪器故障及洞室施工影响造成的。影响时间为：2016年5月10日至6月2日前置放大器故障、2016年7月份五指山台洞室改造在水管倾斜仪北端建筑施工、2017年6月5日至22日传感器故障、2019年3月11日更换传感器原因影响（图8）。

图8 五指山台水管倾斜仪北南分量超限率分析结果Fig.8 Analysis result of NS component exceeding limit rate of water pipe tiltmeter at Wuzhishan station

2.6.3 S 变换方法

S变换方法属于时频分析类方法的一种，可以将一维的观测数据时间序列转换成二维的时频域信号，从而增加获取的信息量，为研究数据中各类频率信号的频谱动态演化提供便利。通过S变换方法曾有效地提取了姑咱台四分量钻孔应变在芦山7.0级地震前的高频应变畸变信号[14]。我们尝试对五指山台水管倾斜仪北南分量进行S变换，时频变换结果发现，在趋势转折时未显示高频畸变信号（图9）。

图9 五指山台水管倾斜仪北南分量S变换结果Fig.9 S-transform results of NS component of water pipe tiltmeter at Wuzhishan station

3 GPS 及重力场结果

3.1 GPS 应力场

从单个GPS站点数据（图10）来看，海南三亚（HISY）站点自2015年11月份以来呈现向西偏南方向偏移；海南琼中（QION）站点自2010年6月份以来呈现向北偏西方向偏移；海南海口（HIHK）站点则一直较为平稳。从GPS站点间基线数据来看，海南海口（HIHK）——海南琼中（QION）虽表现为缓慢缩短挤压状态，但海南海口（HIHK）——海南三亚（HISY）、海南琼中（QION）——海南三亚（HISY） 则均表现为快速拉伸状态，这表明整个海南岛主要处于一个地壳拉伸状态。地壳拉伸可能会引起地壳出现下降（沉），而不均匀下降可以引起地壳南倾，从而使五指山台长基线水管仪数据出现南倾变化现象。

图10 GNSS 基线变化曲线 （a，b，c，d） 及站点分布图 （e） Fig.10 GNSS baseline change curve （a，b，c，d） and site distribution map （e）

3.2 重力场资料分析

从海南岛陆重力场动态的变化（图11）来看：2015年9月——2016年9月，海南岛陆呈现东北部正变化，南部和西部负变化的过程，零值线穿琼东南而过，形成重力场正负异常变化高梯度区；而2016年9月——2017年10月，海南岛陆变化比较平稳，表现为南部正变化，北部负变化。五指山台位于海南南部，自2015年9月以来，该地区的重力场变化经历了先负后正的变化过程。研究结果表明，重力值减小，说明地表隆升或地下物质减少或是两者迭加效应；重力值增大，说明地表沉降或地下物质增多或是其迭加效应[15]。比较琼中台重力非潮汐变化和GPS站基线变化，显示琼中台重力非潮汐变化2017年1月以来处于小幅上升变化趋势，琼中GPS基线垂直分量年中开始处于缓慢下降过程，两者的变化均表明2017年以来琼中台地区地表小幅沉降；而同时间段GPS基线琼中——三亚呈伸长趋势；结合这些变化特征，认为2017年以来海南南部地区均处于地表沉降的过程，且北部的沉降幅度小于南部的沉降幅度。以上也可佐证五指山台基线式水管仪因区域构造背景变化导致数据出现持续南倾变化。

图11 海南岛陆重力场动态变化Fig.11 Dynamic change of land gravity field in Hainan Island

4 综合分析及讨论

通过对五指山形变台观测系统、洞室温度、辅助观测资料情况和周围环境因素变化等多方面调查分析，排除了这些影响因素导致水管倾斜仪北南向出现异常变化的可能。

根据中国地震局地壳形变学科组公布的月评结果统计发现，五指山台水管仪北南向自2016年6月起内精度满足学科优秀指标，观测资料质量较好。且2017年5月出现趋势转折后，M2波潮汐因子内精度平稳，未出现异常变化。通过数字化前兆异常识别方法分析，未发现超出阈值及高频信号异常信息。

通过区域GPS基线数据分析表明，海口至琼中地区地壳处于轻微挤压状态，而琼中至三亚地区地壳处于拉伸状态，整个海南岛区域受到这样的不均衡应力变化，易产生地壳的不均衡沉降，水管倾斜仪北南分量持续南倾可能是地壳形变的真实反映。海南岛陆重力场变化显示，五指山形变台附近区域出现重力异常变化，认为2017年以来海南南部地区均处于地表沉降的过程，且北部的沉降幅度小于南部的沉降幅度，此结论与GPS资料结果呼应。

综合分析认为，五指山台水管倾斜仪北南向变化为正常区域背景变化趋势，非地震前兆异常现象。水管倾斜仪是通过检测和记录两端钵体液面的变化来模拟地壳的实际运动状态的重要观测手段，做好监测水管倾斜仪的变化趋势与跟踪分析，对琼东南地区的震情跟踪工作具有一定帮助。