湖北省水管傾斜儀觀測數據變化特征

孫伶俐蔣玲霞丁文秀王 慧周 洋楊艷芳李 明鄧建剛

1）中國武漢430071中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室

2）中國武漢430071湖北省地震局

湖北省水管傾斜儀觀測數據變化特征

孫伶俐1），2）蔣玲霞1），2）丁文秀1），2）王 慧2）周 洋2）楊艷芳2）李 明1），2）鄧建剛2）

1）中國武漢430071中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室

2）中國武漢430071湖北省地震局

采用2003—2015年湖北省數字化地殼形變地傾斜潮汐分鐘值資料，利用潮汐與非潮汐分析方法，對地殼形變觀測對各影響因素的響應特征進行分析，結果表明，傾斜潮汐觀測資料日均變化幅度、M2波潮汐因子均方差、長周期擬合相對噪聲水平等指標變化穩定，均達中國優秀臺站觀測水平，觀測資料可信度高。

水管傾斜觀測；變化特征；疑似地震異常；跟蹤分析

0 引言

地應變、地傾斜等定點形變測量指標能直接反映地殼介質微動態變化，捕捉地殼介質破裂前的力學變化信息，觀測優勢在10-6—10-10的變化量級，適用于監測地震中短和短臨前兆。就定點形變中傾斜觀測而言，它是從地殼上某一特定點的相對位置變化可找到地球動態變化與地震孕育、發生的關系，表現在觀測數據速率、方向等變化特征上。傾斜觀測提供地球固體潮汐、地殼巖石性質及地球參數等科學數據，幫助研究人員認清地震事件周期、應力的變化以及相關地殼變形之間的關系（張雁濱等，2002；蔣海昆，2005；陳運泰，2009）。

湖北省形變觀測臺網多年觀測結果表明，潮汐觀測受各種因素干擾概率較高，影響機理復雜，判定與識別比較困難。本文對2007—2015年湖北省各臺站水管傾斜儀資料的微觀、宏觀變化進行特征分析，對干擾形態進行系統總結，尋找規律，分析成因，對觀測資料內在精度、相對噪聲水平等指標進行分析，探討觀測中出現的暫態事件、疑似地震及不明原因的異常變化，為地震分析、前兆異常識別及提高異常信度積累可靠的基礎資料。

1 臺站觀測條件

湖北省有8個定點形變類觀測臺站，分別位于武漢（九峰、獅子山）、宜昌、麻城、襄樊、黃石、黃梅和十堰（柳林溝），觀測范圍包括湖北中部、鄂西北、鄂東等具中強地震背景的重點區域，空間分布見圖1。湖北形變觀測臺站觀測手段包括地傾斜、洞體應變、鉆孔應變、臺站重力；配備地傾斜、應變類觀測儀器20套，相對重力觀測儀器4套；儀器類型包括DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、VP寬頻帶垂直擺傾斜儀、CZB-1豎直擺傾斜儀、SS-Y型銦瓦棒洞體應變儀、SS-Y型石英管洞體應變儀、YRY-4型分量式鉆孔應變儀、DZW型微加重力儀。十堰、宜昌、武漢、麻城、黃梅、黃石地震臺配備DSQ水管傾斜儀，技術指標及相關參數見表1，各臺站地質背景、觀測條件見表2。

圖1　湖北省定點形變（水管傾斜觀測）臺站分布Fig.1 Distribution of fixed crustal deformation observation stations（water tube tilt） in Hubei Province

表1　湖北省地震臺DSQ水管儀技術指標及參數Table 1 Basic parameters of DSQ instruments of water tube tiltmeter at fixed crustal deformation observations stations in Hubei Province

表2　湖北省各臺站觀測條件（2007—2014年）Table 2 Conditions of observation stations in Hubei Province（from the year 2007 to 2014）

2 觀測數據變化特征

2.1 長趨勢觀測曲線年度對比

湖北省各地震臺水管傾斜儀觀測環境良好，洞室溫度變化穩定，經過多年平穩運行，地傾斜觀測固體潮曲線年變清晰、光滑，具有明顯季節特征，呈現明顯的年變拐點，一般為每年的2—4月和9—11月（蔣玲霞等，2015）。從DSQ水管傾斜儀年變趨勢對比觀測曲線（圖2）可知，長趨勢觀測數據具有以下特征：①長周期年變規律背景上疊加較明顯的季節性變化。以年為周期重復出現某種成分的波動，如麻城、宜昌、十堰臺觀測時間較長，觀測數據質量較高、觀測資料穩定；②無明顯變化規律、不含固定周期波動成分。該類曲線有的表現為單調上升或下降，如宜昌臺DSQ水管儀NS分量；有的表現為無規律波動，如武漢、黃石臺，存在不穩定的趨勢變化，易受降雨影響，因覆蓋層薄、儀器墩基自身不穩定等原因引起。

圖2　DSQ水管傾斜儀觀測曲線年變趨勢對比（a）麻城臺；（b）十堰臺；（c）宜昌臺；（d）獅子山臺Fig.2 Annual variation curve of some water tube tilt observation instruments

2.2 潮汐觀測背景變化特征

2007—2014年湖北省形變觀測臺網觀測質量較高，數據穩定，傾斜類觀測數據日均變化幅度約（1.5—4.0）×10-3″/天，M2波潮汐因子γ值年均水平為0.604 9×10-3″，γ值均方差年均水平為4.86‰、長周期擬合相對噪聲水平3.938×10-3″。由湖北地傾斜觀測長周期噪聲水平與斷層距離對比圖（圖3）可見，噪聲水平與斷層距離相關性保持正比，斷層距離每增加1 m，噪聲水平約提高0.093 7×10-3″。從表3、表4可知，湖北省形變傾斜類觀測質量指標均達國內優秀臺站觀測水平。

圖3　長周期噪聲水平與斷層距離擬合對比Fig.3 Contrast and fitting results of the fault distance and ground noise level for a long period of time

表4　湖北省DSQ水管儀M2波潮汐因子均方差、長周期擬合相對噪聲水平M1Table 4 Quality results of annual average of tidal factor of M2and M1of water tube tilt observation stations

表5　湖北省與其他地震臺DSQ水管儀觀測質量對比Table 5 Index comparison of DSQ water meter tilt instruments in Hubei Province and other similar stations

2.3 觀測數據動態變化量級

參考2014年湖北形變觀測臺網水管傾斜觀測數據典型變化，發現主要影響因素包括觀測系統故障、自然環境、場地環境等，分別占全年數據變化的23.37%、20.78%和9.09%。各類影響因素的影響形態與量級各不相同，統計2014年至2015年6月數據動態變化量級，見表5。由表5可知，水管傾斜儀受到干擾影響后，觀測數據發生微動態（短時期）和長趨勢（中長期）變化，主要表現形態為：①階躍、突跳；②固體潮畸變；③噪聲增大（高頻擾動）；④錯誤數據、缺數；⑤趨勢性變化。

表6　湖北省水管儀數據變化形態及量級統計（2014年1月—2015年6月）Table 6 Statistics of form and magnitude change of water tube tilt meter in Hubei Province（2014-01—2015-06）

2.4 觀測數據動態變化典型圖例

（1）觀測系統影響。以麻城、十堰、黃梅等地震臺為例，受傳感器、供電系統、數采故障及水管換水等原因影響，觀測數據出現固體潮畸變、突跳、噪聲增大等變化（圖4）。

圖4　水管儀觀測曲線受觀測系統故障影響典型變化（a）2015年6月麻城臺原始數據分值；（b）2015年6月18日—7月3日十堰柳林溝臺原始數據分值；（c）2014年7月23日—24日黃梅臺分值；（d）2014年7月20日獅子山臺分值Fig.4 Typical change curves affected by observation system of water tube tilt observation of all stations

（2）自然環境影響。受自然環境影響，湖北省各地震臺傾斜變化幅度和持續時間與干擾因素強度、時間有關（孫伶俐等，2014）。據統計，2014年湖北省水管傾斜觀測受降雨、雷電影響占自然環境類80%，觀測數據變幅超出日變1.5—13.6倍。

雷電干擾使觀測曲線出現固體潮畸變、突跳現象（圖5）；降雨與外界環境和初始條件有關，影響復雜（陳德福等，1993；王梅等，2003；馬棟等，2011），會引起觀測曲線的明顯變化，具有突發性，隨降雨停止而減弱、終止，且受降雨量大小、降雨方式、降雨前包氣帶含水量等因素共同作用影響（圖5）。

圖5　水管儀觀測曲線受自然環境影響典型變化（a） 2015年4月1日—15日黃石臺受降雨干擾；（b） 2014年9月2日黃梅臺受雷電干擾Fig.5 Typical change curves affected by natural environment influence of water tube tilt meter observation

另外，受臺風影響，水管儀觀測數據曲線發生高頻抖動，背景噪聲大。呂品姬等（2011）、張燕等（2011）利用超寬頻帶地震儀觀測資料進行分析，認為觀測數據受臺風與地震影響明顯，且影響頻段不同。

（3）場地環境影響。以宜昌臺水管傾斜儀為例，2014年5—6月受距離臺站200—500 m的森林公園施工影響，觀測曲線形態出現毛刺現象，經一階差分、移動斜率等方法處理，發現噪聲水平明顯增大，變幅超出日變1.1—5.2倍（圖6）。

2.5 疑似震前異常

2.5.1 秭歸縣屈原鎮4.6級地震前宜昌臺水管儀觀測曲線出現階躍下降現象。2008年11月22日16時01分宜昌秭歸屈原鎮發生4.6級地震，地震前約4小時，距震中56 km的宜昌臺水管儀N、S單端值于當日12時40分同時下降，下降量為23×10-3″和10×10-3″，NS分量階躍量達-10×10-3″（圖7）。

調查排除觀測系統故障等原因，且此時段內無環境變化與人為干擾。水管儀NS分量數據畸變與宜都、興山臺地震波形記錄振動時間一致，表明該時段水管儀觀測記錄真實，確實存在地振動現象。分析認為，宜昌臺水管儀NS分量下降階躍現象與臺站南端仙女山、天陽坪斷裂活動有關。

圖7　2008年秭歸4.6級地震前后宜昌臺形變觀測曲線（a）水管儀；（b）伸縮儀Fig.7 Deformation observation curves of Yichang Seismic Station before and after Zigui M 4.6 earthquake，2008

2.5.2 水庫地區地震前宜昌臺水管儀潮汐相位滯后、日變速率表現異常。以2001年秭歸4.1級、2008年秭歸4.6級、2013年巴東5.2級地震為例，發現宜昌臺水管傾斜觀測潮汐因子值在2次地震前變化較為穩定（圖8），但潮汐相位滯后具有下降后緩慢抬升的發震特征；潮汐日變速率具有較明顯差異，NS、EW分量出現明顯負向差異變化（圖9）。

圖9　三峽水庫地區地震前宜昌臺水管傾斜觀測參數指標對比Fig.9 Contrast of parameter of titl meter observation of Yichang Seismic Station before the earthquake at the three gorges reservoir area

2.5.3 汶川8.0級地震前十堰臺水管儀非潮汐特征加卸載響應比值表現異常。2008年5月12日四川汶川發生M 8.0地震，十堰臺距震中500 km以上，是湖北省西北部距發震地點最近的形變臺站。地震發生后，利用調和分析、Nakai檢驗、去潮汐及潮汐分析、加卸載響應比等方法（蔣駿等，2002；陸遠忠等，2002），對2008—2009年該臺水管儀整點值觀測數據進行異常篩查發現：①NS分量加載響應比計算結果顯示異常，在地震發生前2個月呈現系統偏離現象，且波動頻度與強度均較大，臨震前期急劇下降，震后2—4月緩慢恢復；②潮汐因子震前未見明顯異常。十堰臺水管傾斜儀非潮汐特征加卸載響應比值變化曲線見圖10。

圖10　2008年2月—2009年12月十堰臺水管儀非潮汐加卸載響應比Fig.10 Load/unload response ratio on removing tide of tube tilt meter at Shiyang Seismic Station

2.5.4 江西九江—瑞昌5.7級地震和汶川8.0級前麻城臺水管儀潮汐因子出現偏離。2005年11月26日江西九江—瑞昌5.7級地震和2008年5月12日四川汶川8.0級地震前，麻城臺水管儀潮汐因子γ值出現異常變化（鄧建剛等，2009）。

（1）九江—瑞昌地震發生前4—6個月，距震中180 km的麻城臺水管儀傾斜潮汐因子γ值曲線出現明顯系統偏離現象，異常特征表現為偏離值持續下降（圖11）。EW、NS分量偏離值分別達21%、34%，與1996年2月3日云南麗江7.0級地震前永勝臺（震中距76 km）γ值異常類似。

圖11　九江—瑞昌5.7級地震前后麻城臺水管傾斜儀γ值異常變化Fig.11 Anomalous change of tidal factor observed with the water tube tilt meter at Macheng Seismic Station before and after Jiujiang-Ruichang MS5.7 earthquake

（2）2008年汶川發生M 8.0地震，水管傾斜儀（距震中1 000 km）NS分量在發震前2個月出現異常，同年3月開始偏離正常值變小，至5月γ值曲線開始回升過程中發生汶川地震。麻城臺水管傾斜儀在汶川8.0級地震前后的γ值異常變化曲線見圖12。

圖12　汶川8.0級地震前后麻城臺水管傾斜儀γ值變化Fig.12 Anomalous change of tidal factor observed with the water tube tilt meter at Macheng Seismic Station before and after Wenchuan MS8.0 earthquake

2.6 目前持續異常

麻城水管傾斜儀NS分量觀測曲線于2015年6月5日開始出現加速上升變化和反向破年變轉折異常，現場核實后發現缽體、標定器、水管各處接頭未發現漏水或溢水現象。截至2015年7月7日，N、S單端曲線持續加速下降，N端下降630.5 mV，S端下降1 115.0 mV，高差數據為正向北傾170×10-3″，上升幅度大，異常現象明顯（圖13）。

圖13　2015年5月1日—7月7日麻城臺水管儀觀測曲線轉折變化趨勢Fig.13 Anomalous change of observation curve trend of water tube tilt meter at Macheng Seismic Station in the year 2015

經現場異常核實工作后確定，麻城臺水管傾斜儀NS分量2015年6月開始出現破年變加速北傾的上升變化與觀測系統、自然環境與場地環境影響關系不大，綜合分析認為，麻城臺水管異常情況可能是受鄂豫皖、郯廬斷裂帶南段區域應力影響導致。

3 結論

通過對2003—2015年度湖北省定點形變水管傾斜觀測資料對比分析，得出以下結論。

（1）湖北省各地震臺水管傾斜儀長趨勢固體潮曲線具有以下年變特征：①長周期年變規律背景上疊加較明顯的季節性變化；②無明顯變化規律、不含固定周期波動成分。

（2）水管傾斜觀測數據背景變化穩定，各指標均達國內優秀地震臺站觀測水平。

（3）水管傾斜儀觀測數據典型變化主要影響因素包括觀測系統故障、自然環境、場地環境、人為干擾等。

（4）湖北省水管傾斜儀觀測出現疑似地震異常事件。如：宜昌臺水管儀在汶川8.0級地震和區域近震前，出現數據暫態短時階躍、潮汐相位滯后差異性異常變化；麻城臺水管儀潮汐因子在江西九江—瑞昌5.7級和汶川8.0級地震前出現偏離。

（5）麻城臺水管傾斜儀NS分量2015年6月開始出現破年變加速北傾上升變化，與觀測系統、自然環境與場地環境影響關系不大，區域地震前兆異常信度較高。

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Abstract

Tilt tidal data with minute sampling in Hubei Province from the year 2003 to 2015 are applied to analyze the response rule of the crustal deformation by factor variations.Tidal and no-tidal analysis methods are used to obtain the variation rule with different frequencies.Research results show that changes of tilt tidal observation data for many years are relatively stable.The daily average change，mean square error of M2tidal wave factor and noise level of long period have achieved the same advanced level with the other excellent stations.The results have shown that typical changes of water tube tilt meter observation data were mainly influenced by the observing system，natural environment and site environmental factors.

Analysis of change characteristics of deformation observation on water tube tiltmeters in Hubei Province

Sun Lingli1），2），Jiang Lingxia1），2），Ding Wenxiu1），2），Wang Hui2），Zhou Yang2），Yang Yanfang2），Li Ming1），2）and Deng Jiangang2）
1） Key Laboratory of Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China
2） Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071，China

water tube tilt observation，change characteristics，suspected earthquake anomalies，tracking analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.018

孫伶俐（1977-11—），女，碩士，工程師，2006年6月畢業于武漢理工大學環境工程，從事地殼形變觀測技術、地震預測研究工作。E-mail： sunll777@sina.com

2015年中國地震局地震研究所所長基金（IS201546227）、2015年中國地震局三結合課題（1804-09）、中國地震局前兆臺網數據跟蹤分析2015年定向工作任務（201522004041804-11）聯合資助