山東水管傾斜儀觀測運行分析

李希亮，陸漢鵬，孟建國，胡尊迎，田鳳東

（1.山東省地震局，山東 濟南 250014；2.山東泰安地震臺，山東 泰安 271004；3.山東馬陵山地震臺，山東 臨沂 276114；4.山東日照市地震局，山東 日照 261000）

0 引言

水管傾斜儀（以下簡稱水管儀）是自動測量地殼傾斜變化的一種精密儀器，除用來測定緩慢傾斜變化、傾斜固體潮和捕捉臨震前兆信息外，還可用于地球動力學與精密工程測量等方面，可為研究地殼傾斜變化和固體潮水平分量變化規律提供數據，也為地球彈性研究提供重要數據。一些研究結果已經證實［1－2］，利用水管儀的觀測資料，在沒有對資料進行去固體潮處理的情況下，采用功率譜密度估計方法，可以提取到大地震激發的地球球型振蕩，實測振蕩周期與PREM預測的振蕩周期吻合。由大量震例統計可知［3－4］，孕震過程中，可從傾斜觀測數據直接獲得形變速率和方向的變化，可間接以傾斜固體潮潮汐因子波形形態來描述巖石彈性力學性質變化。因此，高質量的水管儀觀測資料能給相關的地震研究提供數據支持。我國地傾斜觀測起步于1966年邢臺地震后，據統計，目前全國已經安裝了96套水管儀。山東省的水管儀觀測始于1976年，該地區現運行的3套水管儀均為DSQ型。

1 臺站概況

山東水管儀觀測布局兼顧該地區主要的地震斷層、活動斷裂以及地震重點監視防御區。但其測點密度低，與儀器工作環境和臺站堪選的難度有關。山東地區3個水管儀觀測臺站（見圖1），分別是泰安基準地震臺（以下簡稱泰安臺）、郯城馬陵山地震臺（以下簡稱郯城臺）和煙臺地震監測中心臺（以下簡稱煙臺臺）。

圖1 臺站平面位置圖Fig.1 Location of the station

泰安臺1980年至1985年目視水管儀進行觀測，1984年至1998年，FSQ型自記水管儀觀測，1998年進行“九五”改造，升級為DSQ型水管儀，2009年 “十五”改造并運行至今。其基線南北向為31m，東西向為10m。該測點地處萊蕪弧形斷裂帶（第四紀活動斷裂）北側（臺址附近段稱為泰山山前斷裂），臺基為太古代泰山群（Art）花崗片麻巖體。洞體巖性為太古界泰山群花崗片麻巖，巖體較完整，山洞洞室最大覆蓋厚度29m，總面積為464m2，總進深130m。洞室年溫差小于0.06℃，日溫差小于0.004℃，洞室內相對濕度小于90%，觀測環境良好。

煙臺臺1998年安裝了DSQ型水管儀，2010年儀器更新改造，與伸縮儀安裝在同一觀測墩上。其基線長度東西向為28.73m，南北向為21.12m。臺基以云母角閃片巖為主，夾有透閃石大理巖、長英巖脈等，巖石裸露，節理發育，風化層深達15m～20m。距臺站10km有北東向桃村斷裂及北西向蓬萊—威海斷裂兩條中等規模的活動斷裂。臺站地處丘陵緩坡園林區，北臨黃海，距海約2 200m，觀測環境良好。洞室溫度保持在14.0℃左右，年溫差不超過0.5℃。

郯城臺1976年至1992年目視水管儀觀測，1988年至1998年FSQ型自記水管儀觀測，1998年升級為DSQ型水管儀，2011年儀器更新改造，與伸縮儀并行安裝在同一觀測墩上。其基線長度東西向為18.20m，南北向為29.22m。臺站地處沂沭斷裂帶南段，跨安丘－莒縣斷裂。臺基為破碎白堊系紅色砂巖，巖層傾向東南，傾角60°～70°。臺站山洞進深1 754m，洞頂覆蓋最厚約70m，洞內年平均溫度為16.0℃，年溫差小于0.2℃，周圍無干擾。

2 質量分析

2.1 資料的連續性和完整性

觀測數據連續率和完整率是衡量地震前兆觀測數據質量的重要指標之一，連續率統計對象是原始觀測數據，即由觀測儀器直接產出未經任何處理的數據。完整率統計對象是預處理數據，即按照各學科觀測技術規范和技術要求進行預處理后的數據。

根據公式（1）和（2），對2007年—2011年山東地區水管儀觀測數據的連續率和完整率分別進行統計，結果詳見表1和表2。各臺的連續率和完整率較高，觀測資料保持較好的連續性，表明各臺儀器穩定性較高，觀測系統運轉正常，能很好地為地震研究提供數據支持。水管儀的更新改造一般都會造成4至5天斷記，因此，對相應年份的觀測資料連續率和完整率有影響。如，2008年泰安臺儀器更新改造，2010年煙臺臺儀器更新改造，2011年郯城臺儀器更新改造。

表1 山東水管傾斜儀2007年—2011年觀測數據連續率Table.1 Continuity of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

表2 山東水管儀2007年—2011年觀測數據完整率Table.2 Integrity rate of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.2 年零漂

年零漂是衡量觀測儀器及墩基穩定程度或地殼繼承性新構造運動［5］。文章采用日均值法計算水管儀的年零漂。日均值法是，將該年度12月31日日均值減去當年1月1日日均值，其差值為該年零漂值（有正負之分）（見表3）。各臺站的年零漂值均滿足地傾斜年零漂小于2″的要求［6］，但泰安臺儀器更新后的年零漂高于我國水管傾斜儀的平均值為0.165″［7］，這可能與儀器自身的漂移有關，煙臺臺和郯城臺南北向低于平均值，而東西向卻高于平均值。

表3 2007年—2011年山東水管儀觀測數據年零漂統計表Table.3 Annual zero drift statistics of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.3 年變幅

年變幅計算方法是用全年整時值中找出最大值與最小值，二者之差即為年變幅。我國水管儀的年變幅平均值為0.318″［8］。從表4可知，山東水管儀的年變幅均值都大于0.318″，煙臺臺兩分量的年變幅較為穩定，其中2008年和2011年低于全國平均值。

表4 2007年—2011年山東水管儀觀測數據年變幅統計表Table.4 Annual amplitude variation of data observed in water tube tiltmeter from 2007to 2011in Shandong Province

2.4 M2波γ因子均方差

M2波γ因子均方差mγ采用VenediKov調和分析計算得出［5］，即按月對傾斜觀測整時值進行調和分析，求取傾斜潮汐M2波的潮汐因子γ值均方差。按照地震及前兆數字觀測技術規范要求，mγ地傾斜小于0.02［7］，我國水管儀 mγ加權平均值為小于0.005 2［9］。從表5中可以看出，泰安臺水管儀mγ均小于全國平均值0.005 2，完全滿足規范要求的小于0.02的技術指標值，但與全國最好水平的臺站還有一定差距。煙臺臺受海潮影響較大，mγ達不到規范要求的技術指標值。郯城臺2011年儀器升級改造后，工作不穩定，缺記較多，之前4年mγ基本達到小于0.02的規范要求。

2.5 噪聲水平

相對噪聲水平是用來判斷水管儀觀測資料長期穩定性的一項定量指標［7］。相對噪聲水平M1由年度觀測資料的73個5日均值用契氏多項式30階擬合計算得出，其計算公式為：

表5 山東水管傾斜儀M2波γ因子均方差Table.5 Mean square deviation of factorγof M2wave in water tube tiltmeter in Shandong Province

地震及前兆數字觀測技術規范［7］要求地傾斜M1＜0.02″。從表6可以看出，山東水管儀的噪聲水平為0.004″左右，低于規范的要求值0.02″，三臺站相比，泰安臺稍好，郯城臺的噪聲水平偏大。

表6 山東水管傾斜儀噪聲水平Table.6 Noise level of water tube tiltmeter in Shandong Province

3 主要干擾

3.1 氣壓干擾

氣壓對洞室形變觀測的短時微動態影響類似于強震前驅波異常圖像，通過與當地氣壓的對比分析，較容易判斷是否為氣壓的短時微動態影響［10］。2007年8月7日的氣壓驟變（15時17分為989.55hPa，28分為992.56hPa），郯城臺水管儀4個端點的電信號出現不同程度的畸變，與氣壓變化同步（見圖2），進一步說明氣壓變化對洞室形變觀測的影響比較普遍，當氣壓出現短周期驟變時，才會出現比較明顯的固體潮畸變［11］。但是對于同一套儀器的不同測項，氣壓影響存在差異，在固體潮汐曲線上有不同的體現。由于氣壓影響的同步性，可以推斷固體潮畸變是否為氣壓的影響。

3.2 降雨干擾

降雨對地傾斜觀測的影響主要表現在，雨水滲入洞體巖石裂隙，巖體膨脹，造成地表傾斜或伸縮變化，這些變化會反應在固體潮觀測曲線上，降雨影響主要與洞室基巖條件有關，同一測項每次降雨引起的異常形態相似［11］。2010年6月—9月，郯城臺共降雨537.9mm，水管儀NS和EW均受降雨影響，伴隨降雨出現向上伸張性變化，隨雨量加大而伸張加速，但雨季過后明顯恢復到正常變化趨勢（見圖3），這與郯城臺所處斷裂和洞體巖石基礎破碎度有密切關系。降雨對水管儀觀測的影響比較復雜，不但與降雨量、降雨持續時間有關，還與洞室基礎巖性、巖石傾角、當地干旱程度等因素有關。因此，降雨的影響無法定量排除，給數據分析帶來一定的難度。

圖2 2007年8月7日郯城臺水管傾斜儀受氣壓的干擾Fig.2 Barometric pressure interference with water tube tiltmeter at Tancheng Station on Aug.7th，2007

圖3 郯城臺水管傾斜儀受降雨的干擾Fig.3 Rainfall interference with water tube tiltmeter at Tancheng Station

3.3 觀測環境變化干擾

良好的觀測環境是地震前兆觀測數據質量的保證，洞室周邊的大型施工、爆破和洞室改造施工等因素直接影響洞體形變觀測，近距離干擾，觀測資料會出現固體潮畸變或較大幅度突跳和臺階變化。2011年5月17日—20日，泰安臺安裝新水平擺傾斜儀，給其他洞室儀器帶來了不同程度的影響，水管儀EW向最為嚴重（見圖4），原因是水平擺和水管儀EW向洞室相通。5月17日16：40—17：25，儀器安裝人員進山洞查看儀器房，做水平擺傾斜儀的安裝準備工作。5月18日9：06—23：52，5月19日09：03—16：44，5月20日9：22—11：25為水平擺安裝時段，給水管儀的固體潮觀測帶來嚴重的干擾。人為因素干擾是洞室形變觀測不可避免的，儀器的安裝調試和人為參觀，都會對形變觀測造成不同程度的影響。因此，臺站工作人員需做好詳細的工作日志，為資料分析提供依據。

圖4 泰安臺儀器安裝存在的干擾Fig.4 Interference with instrument installation at Tai’an Station

3.4 儀器調修干擾

山東地區洞體應變儀的布設均采取了與伸縮儀共墩的方式，此布設方式就決定了在儀器調試和維修過程中，兩套儀器間的相互干擾。雖然在同一個地震觀測山洞內，不同的儀器安裝在不同的觀測室，但由于觀測儀器的高靈敏度，人為因素對水管儀的干擾也不可避免，都會造成固體潮曲線出現畸變。水管儀蒸餾水的定期更換、傳感器故障、數采故障和其他儀器的調修等因素都會影響儀器的觀測質量，給數據的分析帶來干擾，因此，需要臺站工作人員詳細填寫觀測日志，降低數據分析的難度。

4 結論

簡單介紹山東地區3個水管儀觀測臺的概況，對2007年—2011年各臺的觀測質量和受干擾情況進行分析和探討，得出如下結論：

（1）山東水管儀的連續率和完整率較高，觀測資料保持了較好的連續性，表明各臺站儀器穩定性較高，觀測系統運轉正常，能很好地為地震研究提供數據支持；各臺站均滿足地傾斜年零漂小于2″的要求，但是泰安臺儀器更新后的年零漂高于我國水管傾斜儀的平均值為0.165″，煙臺臺和郯城臺南北向低于平均值，而東西向卻高于平均值；三臺站的年變幅均值都大于我國水管儀的平均值0.318″；泰安臺水管儀mγ小于全國平均值0.005 2，滿足規范要求的小于0.02的技術指標值，但與全國最好水平的臺站還有一定差距；煙臺臺受海潮影響較大，mγ大于0.02；郯城臺2011年儀器升級改造后，工作不穩定，缺記較多，之前4年mγ基本小于0.02；山東水管儀的噪聲水平為0.004″左右，低于規范的要求值0.02″，三臺站相比，郯城臺的噪聲水平較大。

（2）在日常觀測中，山東地區水管儀傾斜觀測主要受氣壓、降雨、觀測環境變化和儀器調修等因素影響。以上干擾因素，有時會疊加在一起，導致觀測值曲線變化形態復雜。觀測中的干擾識別，是一個不斷探索和經驗積累的過程，正確排除各種干擾，獲得真實信息，對提取地震前兆信息有很大的幫助。

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