地震觀測環境定量評估初探

龔永儉，程立康，李 越，李穎楠，陳 嵩

（天津市地震局，天津 300201）

0 引言

地震觀測數據（包括測震及地震前兆觀測數據）的準確性和連續性是減輕地震災害的基礎和前提。地震觀測數據的準確性不僅取決于觀測儀器、觀測方法和觀測人員的技術水平，在很大程度上還依賴于良好的地震觀測環境。近年來，由于地方經濟建設不斷發展，在全國范圍內，地震觀測環境都受到了不同程度的破壞或威脅，已有部分臺站或測點的地震觀測環境受到嚴重破壞，導致基本喪失了功能，這嚴重影響到地震觀測的效能［1－4］。全面、系統地對地震觀測環境進行調查、評估和長期、持續地對地震觀測環境進行動態監控，可為地震觀測數據連續、可靠產出提供保障，對于防震減災工作具有重要的現實意義和價值［5］，成為地震觀測環境保護工作中亟須解決的問題。

當前，對于地震觀測環境的評估主要采用的是定性的方法，這種方法往往由行業人士根據經驗進行判別，雖操作簡便，卻有著嚴重的隨意性，導致其結果的科學性并不很高。對于地震觀測環境的定量評估，學界卻鮮有研究。車用太等［6］針對地下流體觀測環境的定量評估提出了“干擾度”的概念，首開地震觀測環境定量評估的先河。龔永儉［5］提出了分學科制定Excel模板格式的《地震觀測環境調查和定量評估報告書》，把各種環境影響因素細化成定量評估指標，依每項指標劃定分值，根據實際調查結果，來采取分值累加的方式定量評估地震觀測環境。但上述研究還沒有形成系統，對于將地震觀測環境定量評估應用于實踐還遠遠不夠。為此，筆者對地震觀測環境定量評估進行了初步研究。

1 基本概念及兩種評估方法的對比

1.1 地震觀測環境

地震觀測環境的定義有廣義和狹義之分。狹義的地震觀測環境僅指與測震學科有關的觀測環境。筆者研究的是廣義的地震觀測環境，涉及測震、電磁、地殼形變和地下流體4大學科的所有觀測。《防震減災術語 第1部分：基本術語》中對地震觀測環境的定義是：地震觀測環境指地震監測設施能夠正常工作所要求的周圍環境［7］。筆者認為，地震觀測環境可以理解為：地震監測設施周圍一定區域內的影響地震監測的環境因素的總和，而區域的界線至少應在有關測項法定應規避的干擾源的最小距離之外，具體要平衡確保地震觀測數據的優質產出和地方經濟發展的客觀需求這兩方面的矛盾。

1.2 地震觀測環境定性評估和定量評估

地震觀測環境評估方式按照環境的質變與量變，可以劃分為定性評估和定量評估兩種方式。對于地震觀測環境定性評估和定量評估，目前學界還沒有統一的定義。筆者參照定性評估和定量評估的一般定義和地震觀測環境評估的特點，給出這兩個概念的定義。地震觀測環境定性評估一般是根據評估者的主觀印象和感覺，對地震觀測環境的優劣，給出優、良、合格與不合格等定性的評估結論；地震觀測環境定量評估是根據地震觀測環境的影響因素及影響的范圍和幅度（量級），建立系統的定量評估指標體系，通過對觀測環境基礎數據的實際測量和數學計算，得出觀測環境的質量分值，從客觀、定量化的角度對地震觀測環境進行評估。

1.3 兩種評估方法的對比分析

地震觀測環境定性評估簡便、易行，因此被廣泛采用。然而，地震觀測環境定性評估有著嚴重的缺陷，它往往取決于評估者的主觀印象和感覺，有很大的隨意性，準確性和科學性容易出現偏差或受到質疑。對干擾嚴重的地震觀測環境的評估，定性評估不能準確表述觀測環境所受干擾的程度，從而難以應用于臺網優化等重大決策、地震觀測環境行政執法和維權等。

地震觀測環境定量評估則是事先確立評估指標體系，通過對觀測環境基礎數據實際測量和數學計算得出質量總分值，從客觀、量化的角度對地震觀測環境進行評估，它為人們提供了一個系統、客觀的數量分析方法，結果更加直觀、具體，更具有可信度。

然而，地震觀測環境定量評估的指標定量化卻是個難題，有的觀測環境因素難以建立定量的指標。在建立地震觀測環境定量化指標體系時，過細劃分定量指標也難以實現。定量評估的結果有時也需轉化成定性評估的標準，特別是優、良、合格、不合格等概念，才能被行業以外的人接受。因此，在地震觀測環境評估中應當將定量評估和定性評估有機結合，從而取得最佳的評估效果，為防震減災事業服務。

2 地震觀測環境定量評估相關問題

2.1 地震觀測環境定量評估的依據

2.1.1 地震觀測環境定量評估的規范依據

地震觀測環境定量評估的規范依據，是指依據何種法律、法規或規范性文件進行地震觀測環境定量評估工作。目前，沒有法律、法規和規范性文件對地震觀測環境定量評估做出專門的規定。但是，有關地震觀測環境保護的法律、法規和地震臺站觀測環境技術要求的國家標準以及各測項的觀測技術規范有地震觀測環境及其保護的規定，可以為地震觀測環境定量評估提供參考和指引。

《中華人民共和國防震減災法》專門對地震觀測環境保護做出規定（第23條、第24條）。《地震監測管理條例》更進一步對地震監測設施和地震觀測環境的保護做了詳盡的規定。但是，上述法律、法規對于地震觀測環境的定量評估工作而言卻不具有可操作性。2004年，我國頒布了地震觀測環境的國家標準 ——《地震臺站觀測環境技術要求》，地震觀測環境的技術要求規定得非常詳盡，依據該標準的內容建立觀測環境量化指標體系具有可操作性，以該標準作為地震觀測環境定量評估工作的基礎依據，《地震及前兆數字觀測技術規范》和《防震減災法》等法律、法規的相關規定作為地震觀測環境定量評估的補充依據。

2.1.2 地震觀測環境定量評估的事實依據

地震觀測環境定量評估的事實依據，是指對依據規范的方法對地震觀測環境影響因素的實際調查和測量結果，即地震觀測環境的基礎數據。地震觀測環境定量評估需要對地震觀測環境影響因素進行翔實的調查和準確的測量。測量主要是對環境需要規避的干擾源與監測設施的距離以及干擾源對監測設施的影響量級（強度）等。常用到皮尺、激光測距儀、GPS定位儀、電壓數字采集器、雙蹤示波器等工具。在調查和測量地震觀測環境的基礎數據工作中可以借助Google earth軟件。

從總體上了解地震臺站周圍土地使用情況、建筑物分布、地震觀測環境保護區內及周邊的部分干擾源的分布情況，獲得觀測環境的基礎數據［5］。圖1為使用Google earth軟件繪制的寶坻地震臺觀測環境圖。

圖1 天津寶坻地震臺觀測環境Fig.1 Observation environment of Baodi Seismological Station in Tianjin

2.2 地震觀測環境定量評估的方法

地震觀測環境定量評估的做法是：首先對影響觀測的各種環境因素進行分類，依據觀測實踐對各種環境因素，從影響幅度和范圍等諸方面進行估量，必要時進行專門的科學實驗，然后制定地震觀測環境的量化評估指標體系；根據制定的量化指標體系，建立《地震觀測環境定量評估報告書》，《地震觀測環境定量評估報告書》可以采用電子表格的方式，利用Excel建立模板，在模板中，把各種環境因素細化成不同的定量評估指標，每項指標劃定分值，累積計算得分；根據地震觀測環境質量的總分值，并依據事先確定標準，來評估地震觀測環境的優劣。在定量評估工作中，嚴格按照《地震觀測環境定量評估報告書》各個細目進行調查并如實填寫，然后由Excel模版自動計算出本臺站的地震觀測環境評估總分值，也可編制專用軟件，完成地震觀測環境定量評估、數據動態更新、歷史數據查詢等工作。

2.3 地震觀測環境定量評估指標體系建立方案

由于觀測要素或觀測對象（也稱之為測項）以及觀測儀器原理的不同，影響測震、電磁、地殼形變和地下流體觀測的環境因素各異。測震主要應規避產生地噪聲的因素，如，公路、飛機場、大型水庫、湖泊、采石場、礦山、重型機械廠、山石破碎機、火力發電廠、水泥廠等；電磁觀測主要應規避電磁干擾源，如，城市有軌直流運輸系統、電氣化鐵路、高壓輸電線路（特別是直流高壓輸電線路）、變壓器、金屬管線、含鐵磁性材料的建筑物或構筑物等；地殼形變觀測主要應規避由于加大荷載而引起地殼局部形變的各類因素，如，水庫、江河、湖泊、大型建筑物和構筑物，還應規避各類振動源，如，采石、采礦爆破點、沖擊震動設備等；地下流體觀測主要應規避引起地下流體非震變化的開采等因素，如，地下水開采井、地表水體、礦區等［7］。因此，應分類制定觀測環境定量評估指標體系。

那么，地震觀測環境定量評估指標體系是按測項建立，還是分學科建立？筆者研究后認為，按照測項建立地震觀測環境定量評估指標體系更有針對性，更能準確地評估地震觀測環境對某測項的影響程度，更客觀、具體。但是，由于目前全國地震臺站基本上是多測項的，而且4大學科的測項有幾十個，按測項進行地震觀測環境定量評估無疑會造成人力和物力的極大開銷，而且由于相同學科的不同測項對地震觀測環境的要求基本一致，因此，分學科建立地震觀測環境定量評估指標體系則更適宜。需要指出的是，電磁學科的兩大主類地電、地磁之間既有聯系，又有區別，應當分別建立地震觀測環境定量評估指標體系。同一學科對觀測環境的要求區別較大時，也可以考慮分測項建立指標體系，如，地電阻率和地電場對工頻干擾源、非工頻干擾源、金屬管線等規定有一定的差別，而分別確立指標體系并不復雜，則可以分地電阻率和地電場分別確定指標體系。

嚴格講，沒有未受到干擾的地震觀測環境。在建立地震觀測環境定量評估指標體系時，要考慮影響因素對測項影響的可容忍度問題。具體而言，測震數據要能清晰、準確地識別和分析出地震三要素，不能因觀測環境的影響而可能導致判定地震要素錯誤；其他前兆觀測數據要能有效應用于地震預測工作中，不能因觀測環境的影響導致地震異常信息被淹沒。車用太等［6］曾提出了一個“干擾度”的概念，將干擾度定義為各類干擾引起的地下流體各測項動態的相對異常程度。筆者認為，“干擾度”的概念實際上指觀測環境可容忍度，它可以擴展應用到地下流體以外學科的地震觀測環境評估中，特別是在建立地震觀測環境定量評估指標體系時，應充分考慮觀測環境“干擾度”問題。

各種環境因素對測項的影響幅度和范圍是建立地震觀測環境定量評估指標體系首要考慮的問題，因此，地震觀測環境定量評估指標體系的建立要以觀測實踐和專項科學實驗為基礎。地震觀測環境定量評估指標體系建立還要考慮分值確定和地震觀測環境得分對應的定性評估問題。若以《地震臺站觀測環境技術要求》等規范性文件規定的影響因素確定分值，按照逐項累加的方式計算得分，究竟如何確定滿分？《地震臺站觀測環境技術要求》規定了干擾源距觀測臺站的最小距離，滿足這一距離的得分，究竟是算滿分，還是及格分，還是優良分呢？現有大量的觀測實踐表明：即使干擾源距臺站的距離滿足《地震臺站觀測環境技術要求》規定的最小距離，也可能會對觀測數據產生干擾［8］。因此，不應認為干擾源距臺站的距離滿足《地震臺站觀測環境技術要求》所規定的最小距離，在量化評分時該項就應得滿分，而應以干擾源距觀測臺站更遠，對觀測數據無實質影響的尺度為滿分標準，干擾源距臺站的距離滿足《地震臺站觀測環境技術要求》所規定的最小距離的，在確定分值時，應當僅確定為及格分標準。可以將各項累加起來的總分設定為100分，達到該分值的地震觀測環境應當是非常完美的，得分在90分以上為優秀，80分以上的為良好，70分以上的為達標，70分以下（不含70分）為不達標。地震觀測環境定量評估指標體系建立過程中，還應充分考慮某項因素不達標，在確定整體觀測環境時實行“一票否決”制，確定觀測環境整體不達標。

2.4 地震觀測環境定量評估指標簡單示例

由于各種環境因素對觀測數據影響的幅度和范圍的準確衡量需要深入地研究以及科學實驗才能確定，受能力、時間和經費所限，筆者的研究深度還不夠。僅以地電學科的地電阻率測項為例，以《地震臺站觀測環境技術要求》所規定的干擾源種類及規避距離和強度等為基礎，制定了一個地震觀測環境量化評估指標簡表。筆者首先列清了《地震臺站觀測環境技術要求》中規定地電阻率測項應規避的所有干擾源種類，在劃分每項干擾源的分值時，筆者以平均為原則（在實踐中也可對重點因素適當加權，這樣更趨于合理），干擾源距觀測中心或電極的距離以最小規避距離的1倍、1.5倍和2.5倍、小于1倍或干擾強度的0.5倍 、0.7倍和1倍、大于1倍為依據劃分4個檔次，分別賦為0分、7.0分、8.5分和10分（見表1）。

在實際工作中，可以依據某臺站觀測環境的實測數據結果與表1中的各檔對應，確定每項干擾因素得分情況，若其中某一項得分為0，則判定為該地震觀測環境不合格；若無0分項，則累積計算各項的總分值，依據觀測環境質量的總分值來量化確定該觀測環境的優良程度。

表1 地電阻率地震觀測環境指標劃定簡表Table.1 Seismological observation environment index for earth resistivity observation

3 結論

（1）地震觀測環境定量評估對地震觀測環境的量度更直觀和科學，有利于應用于臺網優化等重大決策、地震觀測環境行政執法和維權，但定量評估不能完全取代定性評估，二者應有機結合。

（2）地震觀測環境定量評估指標體系的建立可依據《地震臺站觀測環境技術要求》等規范性文件，制定評估指標體系時，應通過觀測實踐和科學實驗來客觀評估各類因素的影響范圍和幅度，不能主觀隨意化。

（3）深入研究地震觀測環境定量評估和開展試點工作，盡管會有大量的人力和物力開銷，但必將對我國的防震減災工作產生不可估量的作用。

［1］哈 輝.2O起地震監測設施和觀測環境保護行政執法案例特征分析［J］.高原地震，2004，16（2）：55－61.

［2］傅長齊.依法保護地震監測設施和地震觀測環境刻不容緩［J］.災害學，1994，9（2）：94－96.

［3］王世昌.洛陽地震臺依法保護地震觀測環境的實踐與分析［J］.國際地震動態，2006（325）：24－29.

［4］王 偉，孫壽安，王帥合，等.關于地震觀測環境保護的探討［J］.防災技術高等專科學校學報，2005，7（3）：56－59.

［5］龔永儉.地震觀測環境調查評估及監控［J］.地震地磁觀測與研究，2012，33（3／4）：235－239.

［6］車用太，劉成龍，魚金子.地下流體觀測環境的評估指標——干擾度［J］.地震，2005，25（3）：63－68.

［7］中國地震局.地震標準匯編（第一分冊）［M］.北京：地震出版社，2009.

［8］龔永儉，李旭東，陳 嵩，等.寶坻地震臺地電阻率觀測效能評價［J］.內陸地震，2013，27（1）：74－80.