江蘇省斷層形變臺站水準觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

董傳雷 彭 澎 張榮杉 孫煜杰

（中國江蘇223800 宿遷地震監(jiān)測中心站）

0 引言

跨斷層定點測量是，應(yīng)用大地測量方法，在固定臺站上進行跨斷層形變測量。目前采用短水準測量方法，在臺站布設(shè)跨越斷層測線，周期性進行往返觀測，以此來監(jiān)測活動斷層的運動，提供主要活動斷層和特定地區(qū)活動斷層垂直運動的變化信息。

根據(jù)中國地震局第一監(jiān)測中心（大地測技術(shù)管理部）相關(guān)文件要求，2018 年10 月1 日起，對跨斷層短水準測量頻率進行調(diào)整，從1 天1 測更改為5 天1 測。數(shù)據(jù)采樣頻率的下降是否會對數(shù)據(jù)質(zhì)量造成影響，本文即從該角度，以江蘇省斷層形變臺站水準觀測數(shù)據(jù)展開分析。

1 江蘇省水準觀測建設(shè)概況

江蘇省共有4 個斷層形變臺站水準觀測場地9 條測線，分布于郯廬斷裂帶、茅山斷裂等地震重點防御區(qū)和特定區(qū)。除南京地震臺NS 分量（OC 測段）O 點為土層點外，其他測點均為基巖點。其中：①南京跨斷層定點水準場地處于南京—自來橋大斷裂東側(cè)，長江破碎帶南側(cè)，茅山東側(cè)大斷裂西側(cè)。1974 年投入觀測，布設(shè)EW 分量、NS 分量2 條測線20 個測點，觀測斷裂為近EW 向定淮門—馬群斷裂及附近一條隱伏斷裂；②南通跨斷層定點水準觀測場地位于長江之濱的狼山與劍山之間。1988 年投入觀測，布設(shè)NS 分量、EW 分量、NW 分量3 條測線18 個測點，觀測斷裂為狼山斷裂中NNE、NNW 向小型斷層；③宿遷地震臺跨斷層定點水準觀測場地地處郯廬斷裂帶F1、F2之間。1976 年投入觀測，布設(shè)NE、NW、NS 分量3 條測線15 個測點，觀測斷裂為郯廬大斷裂帶上NNE 向破碎斷層f7；④新沂地震臺跨斷層定點水準觀測場地處于郯廬斷裂帶F1、F5之間。1994 年投入觀測，布設(shè)EW 分量1 條測線16 個測點，觀測斷裂為郯廬大斷裂帶上NE 向破碎斷層f5。各臺測線分布詳見圖1。

圖1 各臺站測線分布Fig.1 The distribution of survey lines of each station

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價方法

選取江蘇省4 個斷層形變臺站水準觀測數(shù)據(jù)開展質(zhì)量評價，不考慮系統(tǒng)性誤差，僅就不同采樣率下數(shù)據(jù)質(zhì)量做基礎(chǔ)性評估。關(guān)于統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)性評估，薛金龍等（1996）、葉長法等（1997）、盧二坡（2006）提出一套完整的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估指標，如針對數(shù)據(jù)準確性、完整性、合理性提出的差錯率、完整率、合格率等。楊海山等（2001）、李衛(wèi)東等（2005）、劉洪等（2006）提出3 種基于指標的客觀評估方法，即比率法和最大、最小值法及加權(quán)平均法。其中，比率法是指用期望值與總值的比率來反映數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的方法；最大、最小值法適用于衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的單一指標，且最小值法相對保守；加權(quán)平均法是指對多元維度的各類指標進行加權(quán)，與最大、最小值法相比，加權(quán)平均考慮了各類指標的影響。

關(guān)于短水準測量精度評價，1990 年中國地震局編制的《短水準測量》一書中定義了2 個物理量M站、M公里。其中，M站是用往、返閉合差或環(huán)線閉合差來評定每個測站往返觀測高差中數(shù)的誤差值，公式如下

式中，Δ為測段往、返高差不符值，W為往、返高差中數(shù)計算的閉合差；n為不符值或閉合差個數(shù)，N為測線（測段或環(huán)線）的測站數(shù)。

M公里是用日均值按均方連差來評定每千米往返觀測高差中數(shù)的中誤差，公式如下

式中，n為參與統(tǒng)計的日均值個數(shù)，L為測線長度。

為進一步突出數(shù)據(jù)波動變化，引入一階差分量δ。δ是本次與前一次測量的測線高差差值，公式如下

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

選取江蘇省4 個斷層形變臺站2017 年10 月至2019 年9 月短水準測量數(shù)據(jù)，其中2017 年10 月至2018 年9 月數(shù)據(jù)測量頻率為1 天1 測（用符號“J”表示）；2018 年10 月至2019 年9 月數(shù)據(jù)測量頻率為5 天1 測（用符號“X”表示），基于最大和最小值法、趨勢變化、測量精度及一階差分統(tǒng)計，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量評價分析。

（1）最大、最小值法。采用最大、最小值法對所選數(shù)據(jù)進行質(zhì)量評價，結(jié)果見表1。由表1 可知，除南京臺“01”測線外，測量頻率更改前后，各臺站各測線最大值、最小值符合年變水平，且方差均小于0.1，變化相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)一致性較好。南京臺“01”測線基準點O 為土層點，受降雨等環(huán)境因素影響較大，對比性相對較差（王鋒，2013）。

表1 江蘇省跨斷層定點臺站測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of fixed point leveling observations in Jiangsu Province

（2）趨勢變化。繪制2016—2021 年4 個斷層形變臺站水準觀測各測段趨勢變化圖，見圖2 所示，可見：2017 年初（測量頻率更改前）宿遷臺短水準OA 段（EW 向）出現(xiàn)破年變異常，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為持續(xù)高值波動；南京臺測線由于O 點為土層點，導(dǎo)致數(shù)據(jù)受降雨影響大，曲線波動較大；除宿遷臺2017 年初OA 段及南京臺外，各臺站其他測線測向，曲線波動雖然程度增大，但整體趨勢（或年變趨勢）未發(fā)生明顯變化，表明測量頻率改變不會對水準數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量與映震效能產(chǎn)生實質(zhì)性影響。

圖2 2016—2021 年斷層形變臺站水準觀測數(shù)據(jù)趨勢變化Fig.2 The data trends of leveling observations at Jiangsu fault deformation stations from 2016 to 2021

（3）測量精度。繪制4 個臺站M站、M公里統(tǒng)計圖，見圖3。由圖3 可見：M站統(tǒng)計結(jié)果顯示，4 個臺站均表現(xiàn)為：測量頻率更改前數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，更改后數(shù)據(jù)波動較大；M公里統(tǒng)計結(jié)果顯示，除南京臺外，其他3 臺統(tǒng)計曲線整體變化趨勢與M站統(tǒng)計結(jié)果一致，測量頻率更改前數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，更改后數(shù)據(jù)波動較大。此類現(xiàn)象由參與計算的數(shù)據(jù)成倍數(shù)減少所致，但數(shù)據(jù)真實性與反映地下結(jié)構(gòu)變化的可靠性并未發(fā)生改變。

圖3 M站與M公里統(tǒng)計Fig.3 Statistics of M站 and M公里

（4）一階差分統(tǒng)計。繪制4 個臺站一階差分δ統(tǒng)計圖，見圖4，可見：測量頻率更改前后，4 個臺站δ分布在±0.5 mm 范圍內(nèi)的短水準測量數(shù)據(jù)分別占比95.2%、93.3%，更改后占比相對較低；南京臺一階差分量條帶相對較寬，應(yīng)由測線固有屬性引起；宿遷臺一階差分量前期條帶較寬，后期有所改善。眾所周知，短水準數(shù)據(jù)質(zhì)量受人為干擾影響較大，該臺前期操作人員頻繁更換，后期測量人員相對固定，故出現(xiàn)以上變化（張榮杉，2018）；南通臺與新沂臺一階差分量條帶分布較好，測量頻率更改前后δ分布在±0.5 mm 范圍內(nèi)比例較高，尤其是新沂臺，在435 次測量中僅1 次超出該范圍。以上統(tǒng)計結(jié)果充分證明，改變測量頻率不會對水準數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量與映震效能產(chǎn)生實質(zhì)性影響。

圖4 江蘇省斷層形變臺站水準觀測一階差分統(tǒng)計Fig.4 First-order difference chart of leveling observations at Jiangsu fault deformation stations

4 結(jié)論

選取江蘇省4 個斷層形變臺站水準觀測不同觀測頻率下水準測量數(shù)據(jù)，基于幾種常用評價方法進行質(zhì)量評估，結(jié)果表明，更改測量頻率不會對水準數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量產(chǎn)生實質(zhì)性影響，跨斷層水準監(jiān)測屬于中長期地震前兆手段，測量頻率的降低，不會改變數(shù)據(jù)年變化趨勢，能夠反映地下地質(zhì)構(gòu)造運動規(guī)律，映震效能未發(fā)生實質(zhì)變化。需要注意的是，數(shù)據(jù)采集頻率的下降，造成數(shù)據(jù)量減少，導(dǎo)致外部干擾，尤其是人為干擾，對整體數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響加大，在觀測過程中務(wù)必保證數(shù)據(jù)的真實性、可靠性，才能為相關(guān)研究提供準確而翔實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。