西安台新山洞两套倾斜仪观测数据对比分析

2023-12-13孙寿安辛建村曹冲

高原地震 2023年3期

孙寿安,辛建村,曹冲

(陕西省地震局,陕西西安 710068)

0 引言

西安地震台定点形变观测开始于1971年,因观测山洞进深浅、基线长度短、覆盖层薄,架设的形变观测仪器受背景噪声、自然环境的干扰较大,观测数据精度不高。为继续做好地震观测工作、有效提高形变观测质量,2017年启动了西安台定点形变综合观测场地建设项目。场地选在台站南部的钻孔应变观测区, 2019年投入使用。

理论上,同一地点的地倾斜观测资料应该相同或相似。实际上,不同台站因其所处的块体构造、地下介质、电性结构等条件不同,其对应力变化的响应也各有区别[1-5]。基于西安台新山洞DSQ、VP两套地倾斜仪观测数据,本文从观测资料精度、潮汐因子一致性、长期趋势分析、强降雨和大风等自然环境干扰效应及强远震响应等方面对这两种倾斜观测资料进行分析对比,并尝试探讨两种资料间异同关系的原因,为更好地使用资料提供参考。

1 水管倾斜仪和宽频带倾斜仪数据内在质量分析

1.1 新山洞基本情况

新建山洞海拔约660 m,处于秦岭山前大断裂带的南盘上,距离秦岭北缘大断裂破碎带约700 m。覆盖层厚度50 m以上,整个山体植被良好,灌木、杂草居多,无大片高大乔木。台基为花岗岩,岩石较完整。距离西安地震台约350 m,具备良好的运行条件。新建山洞总长约244 m,按照观测业务、比测实验、宣传展示等三大版块进行功能分区(图1)。2019年9月在新山洞观测业务区架设DSQ型水管倾斜仪和VP型宽频带倾斜仪,其中DSQ型水管倾斜仪的分辨力为0.000 5″, VP型宽频带倾斜仪的分辨力为0.000 2″。水管倾斜仪沿北南、东西和北西三个方向架设,基线长度分别为26.48 m、26.59 m、31.13 m。宽频带倾斜仪安装在北南和东西方向交汇处的N测室,经过一年多的试运行后, 2021年5月入网运行。

图1 西安地震台新山洞功能布局

1.2 数据完整率、连续率

数据完整和连续率是反应仪器运行状态、性能的主要指标之一[6]。2020～2021年西安台新山洞两套倾斜仪的数据完整率和连续率统计结果显示,如表1,宽频带倾斜仪数据完整率和连续率均大于99%,水管倾斜仪2020年数据连续率和完整率小于99%。这主要是山洞建成初期,一方面参观人次多,数据处理时干扰数据剔除较多;另一方面洞体内部的湿度较大,调零电机锈蚀严重,断电检修造成缺数较多。宽频带倾斜仪安装在角落的独立观测室,日常参观对其干扰相对较小。2019～2020年新山洞洞内湿度达到80%以上,为了保障仪器正常运行,在山洞口安装了一台柜式除湿机,内部非观测区放置了10余台小型除湿器,降低洞体内部湿度。

表1 2020～2021年宽频带倾斜仪和水管倾斜仪数据完整率、连续率

1.3 观测曲线对比

通过2020～2021年宽频带倾斜仪和水管倾斜仪日均值曲线对比(图2),可以看出两套观测仪器均没有明显的年变形态,这可能与区域的构造有关,资料显示陕西关中区域存在显著的横向不均匀性[7]。图3是2021年6月两套地倾斜仪的整点值数据曲线对比,可看出两套仪器均能清晰的记录到固体潮汐,且形态、变化趋势较为一致,这说明两套仪器的性能基本稳定,记录数据的可靠性较高[5,8]。宽频带倾斜仪两个测向记录相对较好,水管倾斜仪北南和东西向数据漂移较大, 北西向数据相对稳定。

图2 2020～2021年宽频带倾斜仪和水管倾斜仪日均值曲线

图3 2021年6月宽频带倾斜仪和水管倾斜仪整点值曲线

1.4 数据质量对比

固体潮汐参数指标可以用来评价地倾斜观测资料的内在质量。根据形变学科数据质量评价方法[6],选取M2潮汐因子、M2潮汐因子中误差、相对噪声水平等三个指标对两套设备观测数据进行内在质量、稳定性评价。

对2020～2021年两套仪器观测数据整点值进行调和分析,得到M2潮汐因子、M2潮汐因子中误差质量指标(图4)。理论上,同一地点或相近地点的地倾斜观测仪器,观测到的潮汐因子应相同或相近。

图4 宽频带倾斜仪和水管倾斜仪质量指标对比

2020年1月至6月期间,两套倾斜仪潮汐因子相差较大,这可能与山洞建成初期周围岩体没有完全稳定、洞体内部湿度大等有关。 2020年7月开始,两套仪器的潮汐因子趋于相同,说明两套仪器的观测数据质量可靠,结果符合相关理论[5,8]。

以地倾斜Ⅰ类台站观测精度指标0.02作为最大值进行检验,宽频带倾斜仪北南向2020年有6个月大于0.02,东西向有4个月大于0.02,2021年北南向有8个月大于0.02,东西向有4个月大于0.02。水管倾斜仪北南和东西测向2020年度有两个月大于0.02,北西向有八个月大于0.02,三个测向2021年度全年均小于0.02。总体来看,水管倾斜仪观测精度明显优于宽频带倾斜仪。

运用均方连差法,计算宽频带倾斜仪和水管倾斜仪2020年和2021年非潮汐部分的噪声水平(表2)。通过噪声水平数据对比,可以看出宽频带倾斜仪两个测向噪声水平低于水管倾斜仪。同时,两套仪器的东西向噪声水平均优于北南向,这一结论与地倾斜固体潮理论是一致的。

表2 宽频带倾斜仪和水管倾斜仪相对噪声对比

1.5 自然环境影响对比

西安地震台旧山洞由于进深浅、覆盖层薄,水管仪日常观测容易受到大风、强降雨气压变化等干扰。2021年1月10～11日宽频带倾斜仪和水管倾斜仪受大风影响对比情况可以看出(图5),新山洞水管仪、宽频带倾斜仪观测数据未受到明显影响,旧山洞水管仪数据噪声明显变,这与新山洞覆盖层厚、进深较深、封闭性好等有关[7]。

图5 2021年1月10～11日西安台旧山洞与新山洞宽频带倾斜仪和水管倾斜仪一阶差分曲线

2020年7月10日至7月12日,受持续强降雨影响,地表载荷增加,新山洞水管倾斜仪、宽频带倾斜仪观测数据在这期间未出现明显变化,而旧山洞水管仪观测数据出现明显变化,北南向由北倾变为南倾,东西向加速西倾(图6)。进一步反映了新山洞覆盖层较厚,几乎不受降雨影响,观测环境和运行条件优越,洞内温差变化等均符合形变仪器观测环境要求[9]。

图6 西安台旧山洞与新山洞宽频带倾斜仪和水管倾斜仪受降雨影响对比曲线

1.6 强远震同震响应对比

选取2022年1月8日青海海北州门源县Ms6.9、2021年5月22日青海果洛州玛多县Ms7.4地震,分析两套仪器的同震响应情况。

2022年1月8日青海门源发生Ms6.9地震(37.77°N,101.26°E,震源深度10 km,震中距807 km),西安地震台宽频带倾斜仪和水管倾斜仪均记录到同震变化(图7),都有突跳、震荡现象。其中,宽频带倾斜仪北南向变化幅度约353 ms,东西向变化幅度约764 ms。水管倾斜仪北南向变化幅度约283 ms,东西向变化幅度约232 ms,北西向变化幅度约100 ms。

图7 2022年1月8日门源Ms6.9地震形态对比

2021年5月22日青海玛多发生Ms7.4地震(34.59°N,98.34°E,震源深度17 km,震中距976 km),两套倾斜仪均记录到同震变化(图8),突跳、震荡现象明显,其中宽频带倾斜仪北南向变化幅度约1 108 ms,东西向变化幅度约624 ms。水管倾斜仪北南向变化幅度约770 ms,东西向变化幅度约909 ms,北西向变化幅度约407 ms。

图8 2021年5月22日玛多Ms7.4地震形态对比

通过以上两个震例分析可看出,两套仪器相比较,宽频带倾斜仪记录到同震变化的时间早、幅度大、持续时间更长。这一方面与两套仪器在高频段的幅频特性差异有关,另一方面还需要考虑信号的同源性。超长周期信号,其波长远远超过仪器的基线长度,信号可以看成是同源的,因此记录波形比较一致;对于高频信号,由于其波长较短,基线长度不同导致的信号源不同就显现出来,输入信号就不能完全看成是同源的,因此就导致两种仪器记录的数据有差别[8]。