大同臺(tái)地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析

李文超，程冬焱，王鵬偉，劉 煒，殷 鍇，閆美蓉，郝雪景

(1.山西省地震局大同地震監(jiān)測(cè)中心站,山西 大同 037000; 2.山西省地震局,山西 太原 030021;3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,山西 太原 030025)

0 引言

2014年1月1日以來(lái)，為做好大同中心地震臺(tái)(現(xiàn)更名為大同地震監(jiān)測(cè)中心站)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析(以下簡(jiǎn)稱“數(shù)據(jù)跟蹤分析”)工作，臺(tái)站工作人員嚴(yán)格按照“地震前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析技術(shù)指南”“前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析事件描述要素標(biāo)準(zhǔn)”和《地震前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作約定(試行)》要求，定期開(kāi)展數(shù)據(jù)跟蹤分析，系統(tǒng)分析臺(tái)站所有觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，在每月3日前完成上月數(shù)據(jù)跟蹤分析月報(bào),并提交省局區(qū)域中心[1]。同時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行修改。根據(jù)多年的觀測(cè)實(shí)踐，將大同臺(tái)不同前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的各類事件歸納為7類，即：正常動(dòng)態(tài)、觀測(cè)系統(tǒng)故障、場(chǎng)地環(huán)境干擾、自然因素干擾、人為干擾、地球物理事件和不明原因變化[2]。

研究時(shí)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)在不受任何干擾情況下的變化動(dòng)態(tài)作為正常動(dòng)態(tài)，其反映了臺(tái)站的地球物理(化學(xué))觀測(cè)數(shù)據(jù)序列的正常變化狀態(tài)，對(duì)由觀測(cè)系統(tǒng)、場(chǎng)地環(huán)境、自然因素、人為干擾影響下引起的觀測(cè)數(shù)據(jù)偏離，反映短期地球運(yùn)動(dòng)與變化過(guò)程的地球物理事件，與有待查明誘因的不明原因事件進(jìn)行區(qū)分[3]。對(duì)近五年的大同臺(tái)數(shù)據(jù)及典型事件進(jìn)行分析，掌握觀測(cè)數(shù)據(jù)的正常動(dòng)態(tài)及前兆臺(tái)網(wǎng)各類儀器的運(yùn)行狀況。

1 大同臺(tái)地球物理臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)概況

大同臺(tái)地球物理臺(tái)網(wǎng)目前有5個(gè)臺(tái)站16套儀器在運(yùn)行，涉及形變、地電、地磁、流體等多測(cè)項(xiàng)觀測(cè)手段。其中，形變觀測(cè)儀器主要有鉆孔體應(yīng)變儀(1套)、四分量鉆孔應(yīng)變儀(3套)、VP垂直擺傾斜觀測(cè)儀(1套)、鉆孔傾斜儀(1套)、數(shù)字短水準(zhǔn)儀(1套)；地磁觀測(cè)儀器主要有FHD-2質(zhì)子矢量?jī)x(1套)、磁通門(mén)磁力儀GM4(2套)、OVERHAUSER磁力儀(1套)；地電觀測(cè)儀器主要有ZD9A-Ⅱ地電場(chǎng)儀(1套)、ZD8BI地電阻率儀(1套)；流體觀測(cè)儀器主要有LN-3A數(shù)字水位儀(2套)、SZW-1數(shù)字水溫儀(2套)。

對(duì)2014年1月-2018年12月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，有5個(gè)臺(tái)站15套儀器記錄各類事件(不含正常)共計(jì)888條，其中14套儀器記錄觀測(cè)系統(tǒng)事件130條，10套儀器記錄自然環(huán)境事件260條，4套儀器記錄場(chǎng)地環(huán)境事件25條，14套儀器記錄人為干擾事件131條，12套儀器記錄地球物理事件292條，6套儀器記錄不明原因事件50條。各類事件統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 2014-2018年大同臺(tái)地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析各類事件分類統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical table of various events for tracking analysis data of Datong geophysical network from 2014 to 2018

2 典型事件分析

2.1 形變典型事件

大同臺(tái)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的非正常動(dòng)態(tài)變化除人為干擾(標(biāo)定、調(diào)零、人為進(jìn)洞)外，主要為觀測(cè)系統(tǒng)故障干擾、場(chǎng)地環(huán)境干擾、自然因素干擾、地球物理事件，且干擾主要表現(xiàn)為觀測(cè)系統(tǒng)故障和自然因素。其中，觀測(cè)系統(tǒng)故障主要為主機(jī)故障、傳感器故障、供電系統(tǒng)故障。如，四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)(YRY-4)在2018年12月9日18:30至10日09:40數(shù)據(jù)噪聲增大(見(jiàn)圖1)，固體潮畸變，工作人員發(fā)現(xiàn)為供電系統(tǒng)故障導(dǎo)致，維修后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常；自然因素干擾主要為雷電或短時(shí)強(qiáng)降雨產(chǎn)生負(fù)荷導(dǎo)致的數(shù)據(jù)階變。如，體應(yīng)變觀測(cè)(TJ-2)在2016年7月24日20:34至23:59受短時(shí)強(qiáng)雷雨干擾，數(shù)據(jù)發(fā)生應(yīng)變壓性變化(見(jiàn)圖2)。在雷雨結(jié)束后，逐漸恢復(fù)到正常背景值狀態(tài)。

圖1 大同臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)供電故障干擾圖Fig.1 Interference diagram of power supply fault observed by four component borehole strain gauge at Datong station

圖2 大同臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)雷電干擾圖Fig.2 Lightning interference diagram of body strain observation at Datong station

2.2 地磁典型事件

大同臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)非正常動(dòng)態(tài)變化除場(chǎng)地環(huán)境影響外，主要受地球物理事件、觀測(cè)系統(tǒng)和人為干擾。其中，地球物理事件干擾以記錄到的電磁擾動(dòng)為主(見(jiàn)第12頁(yè)圖3)。如，2017年7月16日06:01至18日14時(shí)FHD-2質(zhì)子矢量磁力儀記錄到急始型磁暴SC，急始變幅D為0.15′、H為0.8 nT、Z為0.9 nT，活動(dòng)程度為m，最大擾動(dòng)D為8.55′、H為226.0 nT、Z為44.1 nT，最大K指數(shù)為6。觀測(cè)系統(tǒng)干擾主要為儀器主機(jī)死機(jī)故障，場(chǎng)地環(huán)境干擾為周圍近距離施工，人為干擾為工作人員進(jìn)入儀器探頭室調(diào)試儀器或進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)(見(jiàn)第12頁(yè)圖4)。如，2017年1月1日零點(diǎn)D分量出現(xiàn)臺(tái)階，為12月30日年底標(biāo)定，對(duì)方位角進(jìn)行歸零時(shí)，產(chǎn)生臺(tái)階，根據(jù)學(xué)科規(guī)范要求，為使臺(tái)階留在年與年之間，對(duì)31日的全天數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)階處理，臺(tái)階改正量為-8.77′，水平分量H、總強(qiáng)度F變化正常。

圖3 大同臺(tái)質(zhì)子矢量?jī)x急始磁暴干擾圖Fig.3 Interference map of proton vectoring instrument in Datong station

圖4 大同臺(tái)質(zhì)子矢量?jī)x儀器校準(zhǔn)干擾圖Fig.4 Interference diagram of proton vector instrument calibration in Datong station

2.3 地電典型事件

大同臺(tái)地電觀測(cè)數(shù)據(jù)非正常動(dòng)態(tài)變化根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)顯示，主要受自然環(huán)境干擾較多(占77%)，其次為場(chǎng)地環(huán)境和觀測(cè)系統(tǒng)干擾。自然環(huán)境干擾主要表現(xiàn)為雷電、雨雪、大風(fēng)等對(duì)不同測(cè)道數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同程度的干擾(見(jiàn)第12頁(yè)圖5)，且不同類型、不同程度的自然環(huán)境變化，對(duì)不同測(cè)道產(chǎn)生的干擾程度均不同。

圖5 大同臺(tái)地電場(chǎng)儀自然因素干擾圖Fig.5 Interference diagram of natural factors of geoelectric field instrument at Datong station

2015年11月5日00:00至6日23:59，測(cè)區(qū)降雨雪，降水量約17 mm，對(duì)ZD9A-Ⅱ地電場(chǎng)儀各道數(shù)據(jù)造成干擾，變幅為3.37～19.02 mV/km。雨雪結(jié)束后，數(shù)據(jù)恢復(fù)至背景值狀態(tài)。

ZD8BI地電儀2016年5月12日02:00至14日09:00EW向觀測(cè)數(shù)據(jù)受降雨干擾，產(chǎn)生數(shù)據(jù)階變(見(jiàn)第13頁(yè)圖6)，階變期間的降水量約19 mm。降雨導(dǎo)致電阻率EW向5月12日2時(shí)至3時(shí)上升0.248 Ω·m，4時(shí)至5時(shí)下降0.327 Ω·m，13日20時(shí)至21時(shí)上升0.56 Ω·m，降雨結(jié)束后，14日8時(shí)至9時(shí)EW向數(shù)據(jù)下降1.03 Ω·m，恢復(fù)到之前背景值，其他測(cè)道數(shù)據(jù)正常。

圖6 大同臺(tái)地電儀自然因素干擾圖Fig.6 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

2016年10月21日0時(shí)開(kāi)始降雨，持續(xù)18小時(shí)左右，累計(jì)降水量為12 mm，ZD8BI地電儀三道電阻率測(cè)值均未出現(xiàn)階變和突跳。EW向自然電位差從12時(shí)至16時(shí)下降4.5 mv(見(jiàn)第13頁(yè)圖7)，NS向自然電位差在同一時(shí)段下降6.3 mv。降雨結(jié)束后，兩測(cè)向自然電位差數(shù)據(jù)逐漸恢復(fù)到正常背景值狀態(tài)，其他測(cè)道數(shù)據(jù)未出現(xiàn)干擾情況。

圖7 大同臺(tái)地電儀自然因素干擾圖Fig.7 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

ZD8BI地電儀2016年3月1日至14日地電阻率EW向自然電位差疑似受春季氣溫回暖,測(cè)區(qū)地表解凍、濕度增加影響而產(chǎn)生變化,最大變化量約20.800 mv(見(jiàn)第13頁(yè)圖8),隨著溫度逐漸回升,數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。往年同期，EW向均有類似該形態(tài)的數(shù)據(jù)變化,可能與測(cè)區(qū)環(huán)境有關(guān)(場(chǎng)地高差較大且此測(cè)線沿線有村里吃水用井)。其他各測(cè)向分量背景噪聲達(dá)標(biāo)，數(shù)據(jù)變化正常。

圖8 大同臺(tái)地電儀自然因素干擾圖Fig.8 Interference map of natural factors of geoelectric instrument in Datong station

2.4 流體典型事件

大同臺(tái)流體觀測(cè)數(shù)據(jù)非正常動(dòng)態(tài)變化主要有地球物理事件、不明原因、自然環(huán)境、人為因素干擾，多數(shù)為地球物理事件和不明原因干擾。其中，地球物理事件為水位儀記錄到同震響應(yīng)，不明原因干擾主要為不明原因引起的水位階變。如，2018年3月20日，朔州井水位記錄到當(dāng)日17∶22臺(tái)灣M5.1地震同震波形(見(jiàn)圖9)，持續(xù)19 min，同震最大變幅0.097 m。

圖9 大同臺(tái)水位儀同震響應(yīng)Fig.9 Coseismic response of water level meter at Datong station

2018年5月1日至18日，鎮(zhèn)川地震臺(tái)井水位與往年同期相比，存在破年變現(xiàn)象，出現(xiàn)多次突升、突降變化(見(jiàn)圖10)，特別是在17、18日出現(xiàn)突升-突降變化。在經(jīng)歷多次突升后，18日17:23出現(xiàn)較大幅度的突降變化，之后恢復(fù)至突升前的水平，在此期間水位變幅約0.475 m。工作人員經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)認(rèn)為，這次突變與泄流管堵塞有關(guān)。

圖10 大同臺(tái)水位儀不明原因干擾圖Fig.10 Unexplained interference diagram of water level meter in Datong station

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)對(duì)大同臺(tái)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作不斷深入，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)反映的各類事件進(jìn)行調(diào)查與分析，得出如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)。

各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)非正常動(dòng)態(tài)變化除人為干擾(標(biāo)定、調(diào)零、進(jìn)洞)外，主要有觀測(cè)系統(tǒng)故障、場(chǎng)地環(huán)境、自然因素、地球物理事件、不明原因等干擾。由事件統(tǒng)計(jì)及典型干擾事件分析看出，干擾主要表現(xiàn)為觀測(cè)系統(tǒng)故障、自然因素和地球物理事件三類。其中，觀測(cè)系統(tǒng)故障主要為主機(jī)故障、傳感器故障、供電系統(tǒng)故障，其干擾形態(tài)為數(shù)據(jù)缺測(cè)斷計(jì)及記錄到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；自然因素干擾主要為大風(fēng)、降雨、雷電以及季節(jié)性變化對(duì)不同儀器測(cè)項(xiàng)產(chǎn)生的干擾，且同一儀器不同測(cè)項(xiàng)分量所受的自然干擾在形態(tài)以及持續(xù)時(shí)間上重現(xiàn)性較好，易于識(shí)別，干擾幅度隨不同程度干擾而不同；地球物理事件主要為各類儀器記錄到的地震同震響應(yīng)、電磁擾動(dòng)、磁暴、地電暴事件，在形態(tài)、時(shí)間上具有較好的一致性和可識(shí)別性，但不同類型儀器測(cè)項(xiàng)的記錄幅度有很大差別。

通過(guò)跟蹤分析，臺(tái)站人員對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)跟蹤研判、排除干擾故障，掌握數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，提取前兆數(shù)據(jù)異常信息，發(fā)揮前兆數(shù)據(jù)在地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的作用，明確數(shù)據(jù)跟蹤分析的意義；通過(guò)數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件對(duì)各類事件的分類統(tǒng)計(jì)，直觀了解影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的主要因素，并采取相應(yīng)措施；依據(jù)數(shù)據(jù)跟蹤分析分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果及典型干擾圖，分析干擾成因，提出解決辦法，為儀器更新改造、備機(jī)備件購(gòu)置、觀測(cè)數(shù)據(jù)異常核實(shí)及觀測(cè)環(huán)境改造提供參考依據(jù)。