洞體應(yīng)變觀測(cè)三分量數(shù)據(jù)的空間合成設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

商亮　張翔　王秀木　王征　張闖

摘要：撫順地區(qū)地震儀器在經(jīng)過了全面的“十五”數(shù)字化改造后，產(chǎn)生了大量的、高精度的形變數(shù)據(jù)，尤其是撫順山洞的洞體應(yīng)變儀增加了一個(gè)分量。為了在空間上更好的分析三分量數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)了洞體應(yīng)變?nèi)至康目臻g分析，希望為前兆分析提供更好的分析途徑。

關(guān)鍵詞：MATLAB;三分量;洞體應(yīng)變;分析預(yù)報(bào);軟件編程

1 基本思路

洞體應(yīng)變觀測(cè)對(duì)象是洞體內(nèi)兩基點(diǎn)之間水平距離隨時(shí)間的相對(duì)變化，壓縮為負(fù)，伸長(zhǎng)為正。過去一般觀測(cè)兩條相互垂直的兩個(gè)基線的變化，即通常所說的北南與東西方向。這樣就可以基本上觀測(cè)到一個(gè)面隨時(shí)間的相對(duì)變化。但實(shí)際上我們所觀測(cè)對(duì)象（地殼形變）的變化是極其復(fù)雜的，不僅僅表現(xiàn)在兩個(gè)方向的變化，可能存在其它方向的變化，其變化是一個(gè)多維的空間變化，或者說觀測(cè)到的北南與東西向的相對(duì)變化量只是某一個(gè)變化在這兩個(gè)方向的分解量，對(duì)真實(shí)的變化還很難確定。

傳統(tǒng)的分析方法是觀測(cè)分析每個(gè)基線的變化，從中捕捉地震前兆異常，很少將兩個(gè)分量結(jié)合起來分析。

“十五”數(shù)字化后，前兆觀測(cè)產(chǎn)出的是數(shù)字化數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)的使用分析研究提供了便利，同時(shí)在測(cè)項(xiàng)上增加了第三方向，觀測(cè)值更加豐富。這就為分析一個(gè)閉合的觀測(cè)體系提供了必要的條件，分析結(jié)果也較兩個(gè)分量更接近其真實(shí)的物理變化。

將三個(gè)分量通過數(shù)學(xué)模型變換，模擬出一個(gè)觀測(cè)面隨時(shí)間的變化，一是分析其形狀隨時(shí)間的變化，二是觀測(cè)這個(gè)擬合閉合面的面積隨時(shí)間的變化，這樣就更為準(zhǔn)確的反演出觀測(cè)地真實(shí)的物理變化過程，較傳統(tǒng)分析方法更接近于真實(shí)。如果存在地震前兆異常信息，那么應(yīng)該更為明顯的體現(xiàn)出來。

以撫順臺(tái)洞體應(yīng)變觀測(cè)為，如圖115所示，實(shí)際觀測(cè)基線的布置，圖116為三方向觀測(cè)坐標(biāo)平移經(jīng)數(shù)據(jù)變換擬合后的閉合觀測(cè)面。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選用經(jīng)“十五”改造后的撫順地震臺(tái)數(shù)字伸縮儀作為研究對(duì)象洞體應(yīng)變觀測(cè)值是壓縮為負(fù)，伸長(zhǎng)為正，在空間合成時(shí)應(yīng)全變?yōu)檎瑢⒆鴺?biāo)原點(diǎn)平移，即壓縮數(shù)據(jù)減小伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)增大，不影響曲線形態(tài)與實(shí)際觀測(cè)場(chǎng)地的變化。洞體應(yīng)變觀測(cè)受洞室條件所限，三條基線空間上并未首尾相接，經(jīng)坐標(biāo)平移變換后由于基線、夾角等因素也未形成一個(gè)閉合觀測(cè)面，所以要根據(jù)實(shí)際基線長(zhǎng)度及夾角變換成一個(gè)閉合的觀測(cè)面。

3圖形繪制與分析

⑴日變化（時(shí)值）圖分析

如圖117所示為一日的三分量圖與面積圖，圖118為空間面合成圖隨時(shí)間的變化。從圖117可以看出合成后的圖像基本保持了原來的形態(tài)，但也突出了傳統(tǒng)方法上沒有表現(xiàn)出來的變化，如15時(shí)左右，空間變化合成后的面積為“零”（實(shí)際上并未真正為零，是回到了初態(tài)）。在空間變化上（圖118）也保持了原有的固體潮形態(tài)，更加突出15時(shí)的變化。既不失真地保持原有形態(tài)又突出細(xì)微變化，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)思路的目標(biāo)。分析圖118后可以很明顯的看出在15時(shí)出現(xiàn)固體潮畸變。

⑵月變化（日均值）圖分析

為了摸索出震前的異常變化特征，選取震前與無震時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

2008年9月3日開原發(fā)生3.7級(jí)地震，距撫順地震臺(tái)SSY觀測(cè)臺(tái)址93Km。選取數(shù)據(jù)為2008年7月1日至9月3日（有部分缺數(shù)）。如圖119、120所示，單分量（NS、EW、NE向）不同時(shí)間分別出現(xiàn)了變化，在合成圖中表現(xiàn)為7月15日至25日出現(xiàn)合成空間最小的變化，解釋為壓縮變化，之后恢復(fù)正常變化。在空間圖的表現(xiàn)為較為劇烈的扭曲變化，明顯區(qū)別于正常變化，恢復(fù)正常變化之后約30天左右發(fā)生開原3.7級(jí)地震。

新增第三方向觀測(cè)不到二年的時(shí)間，SSY臺(tái)址周邊地震也稀少，基于觀測(cè)數(shù)據(jù)、地震事件之少，再加觀測(cè)對(duì)象與地震的內(nèi)在聯(lián)系所知甚少，分析僅停留在數(shù)據(jù)變化與地震事件在時(shí)間上相對(duì)應(yīng)的原始分析方法，所以上述變化與地震是否存在必然的聯(lián)系，還有待于進(jìn)一步的研究探索，還需要積累更多的震例來總結(jié)規(guī)律。

⑶目前的數(shù)據(jù)變化

數(shù)據(jù)從8月1日到2008年10月29日。如圖121、122所示。通過對(duì)兩年的觀測(cè)資料按月為單位繪圖分析，看出目前的變化基本屬于正常的變化，沒有出現(xiàn)前述的劇烈扭曲，根據(jù)僅有的一個(gè)震例分析結(jié)論，認(rèn)為目前應(yīng)該不存在明顯的短臨異常。

4討論

上述分析方法，是在傳統(tǒng)分析方法上的一種努力探索，是否科學(xué)，是否適用，還得要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)，目前使用僅僅是一種嘗試。但我們認(rèn)為起碼是把幾個(gè)本來應(yīng)該是相互關(guān)聯(lián)的幾個(gè)觀測(cè)值綜合起來分析是方法上的進(jìn)步，日后要做的是更加完善，用更多的數(shù)據(jù)與震例檢驗(yàn)其可否應(yīng)用到日常預(yù)報(bào)工作中。

（作者單位：遼寧省撫順地震臺(tái)）