西安地震臺新建與原形變山洞DSQ型水管傾斜儀觀測資料對比分析

辛建村 鐘 維 樊金堂 竇瑪麗 聶大巍 焦永紅 閆俊義

（中國西安710068 陜西省地震局）

0 引言

地殼形變是地震孕育、發(fā)生過程中突出的伴生現(xiàn)象，與地震具有直接關(guān)系。形變觀測以獲取地殼形變的幾何和物理信息為目的，能直觀顯示地殼深部震源區(qū)的變化。基于連通管原理，DSQ型水管傾斜儀可用于測定緩慢傾斜變化、固體潮以及地球動力學(xué)與精密工程等（金克儉等，1986；牛安福等，2002；張雁濱等，2002；陳敏等，2007；周云耀等，2010）。

武艷強(qiáng)等（2018）指出，定點形變觀測結(jié)果易受元器件工作性質(zhì)不穩(wěn)定的影響，為了剔除此類異常信息，需建立同臺同類儀器的常規(guī)對比觀測，以增強(qiáng)地殼形變異常信息的甄別能力。以往對同類地傾斜儀器（如DSQ 型水管儀和垂直擺傾斜儀）觀測對比研究較多（趙愛平等，2012；崔慶谷等，2014；胡瑋等2017；袁曲等，2019；呂琳等，2019），但相同或相近測點架設(shè)2 套同類儀器進(jìn)行對比觀測的研究相對較少。

西安基準(zhǔn)地震臺（下文簡稱西安臺）新建形變山洞與原山洞直線距離約200 m，各架設(shè)一套DSQ 型水管傾斜儀（下文簡稱DSQ 水管儀）進(jìn)行形變觀測。2 個山洞的引洞進(jìn)深、覆蓋層厚度、觀測基線長度等存在差異。利用2 套DSQ 水管儀2020 年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以便為地震監(jiān)測預(yù)報、異常核實等提供翔實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時對利用工程措施提升同類儀器觀測質(zhì)量提供借鑒。

1 新建與原形變山洞概況

1.1 原形變山洞概況

西安臺位于長安區(qū)子午鎮(zhèn)天子口村，距西安市約30 km，海拔高度630 m，構(gòu)造上位于汾渭地震帶秦嶺山前大斷裂南緣。一條近NS 向小河流經(jīng)臺站東南側(cè)，暴雨時有洪水，河道平時流量較小，河面低于臺基約10 m。

西安臺形變觀測始于1971 年，形變山洞呈“十”字形，巖性為花崗巖，巖石較破碎，植被稀少，洞深17 m，覆蓋層厚約20 m，洞內(nèi)年溫差超過1℃。洞口與儀器室之間設(shè)有4道門，其中3 道船倉門，1 道鋁合金門。該形變觀測山洞存在進(jìn)深較淺、長度不足、覆蓋層較薄等問題，形變儀受大風(fēng)、降雨等影響較大，觀測精度不高。DSQ 水管儀于2006 年架設(shè)，布設(shè)2 個測向：NS 向基線長30.02 m，EW 向基線長11.07 m。儀器采用泡沫板密封，墩基為大理石墩。觀測數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理報送陜西省地震局臺網(wǎng)中心。

1.2 新建山洞概況

為進(jìn)一步加強(qiáng)地震監(jiān)測工作，解決西安臺形變觀測場地干擾問題，2019 年西安臺建成一個總長244 延米的綜合觀測山洞。按觀測業(yè)務(wù)區(qū)、比測實驗區(qū)、宣傳展示區(qū)3 大功能分區(qū)進(jìn)行布局，其中觀測業(yè)務(wù)區(qū)位于山洞深處。形變山洞洞頂覆蓋層較厚，引洞1 覆蓋層厚約66 m，引洞2 覆蓋層厚約76 m，觀測洞位于山洞最深處，覆蓋層厚100 m 以上，洞內(nèi)溫度年變小于0.2 ℃，日變小于0.03 ℃，符合形變觀測山洞規(guī)范要求。

該形變山洞海拔約660 m，位于秦嶺山前，EW 向大斷裂南盤上，距秦嶺北緣大斷裂破碎帶約700 m，臺基為片麻狀花崗巖，巖性堅硬，巖石較完整，距原形變山洞直線距離約200 m。

2019 年9 月架設(shè)DSQ 水管儀并投入試運行。該水管儀設(shè)NS、EW、NW 三個測向，呈三角形分布，其中NS 向基線長度為26.48 m，EW 向基線長度為26.59 m，NW 向基線長度為31.13 m。儀器用泡沫板密封，墩基為大理石墩。

2 觀測資料對比

將西安臺新建形變山洞水管儀記為DSQ新，原形變山洞水管儀記為DSQ原。選取2 套DSQ 水管儀2020 年觀測數(shù)據(jù)，就數(shù)據(jù)完整率、固體潮波形記錄、自然環(huán)境干擾、強(qiáng)遠(yuǎn)震同震響應(yīng)、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量等進(jìn)行對比分析。

2.1 數(shù)據(jù)完整率、連續(xù)率

數(shù)據(jù)完整性是數(shù)據(jù)質(zhì)量評價的一項基礎(chǔ)指標(biāo)。完整率為儀器產(chǎn)出有用數(shù)據(jù)量與儀器應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)量之比，反映了儀器運行狀態(tài)及產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可用性。連續(xù)率統(tǒng)計對象是原始觀測數(shù)據(jù)，即由觀測儀器產(chǎn)出的未經(jīng)處理的數(shù)據(jù)。這種連續(xù)記錄對獲取地殼形變特點和規(guī)律、識別地震地殼形變或前兆異常意義重大，是檢驗儀器工作性能的主要指標(biāo)之一。

統(tǒng)計西安臺2 套水管儀2020 年觀測數(shù)據(jù)完整率與連續(xù)率，結(jié)果見表1，可見DSQ新數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率＜99.5%。這是因為，新建山洞參觀活動較多，人為干擾引起數(shù)據(jù)階變、突跳等，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時被刪除處理，而且6 月對儀器標(biāo)定及斷電檢修，造成缺數(shù)較多，故對數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率造成影響。

2.2 觀測波形對比

西安臺2 套DSQ 水管儀2020 年整點值對比曲線見圖1，11 月分鐘值曲線對比曲線見圖2。

圖1 2 套DSQ 水管儀2020 年整點值波形對比Fig.1 Comparison of waveform of two sets of DSQ water-tube tiltmeter in 2020

圖2 2 套DSQ 儀2020 年11 月分鐘值波形對比Fig.2 Comparison of minute value waveforms of two sets of DSQ tiltmeter in November 2020

由圖1 可見，2020 年觀測數(shù)據(jù)無明顯年變形態(tài)。由圖2 可見：DSQ新、DSQ原均記錄到清晰固體潮汐波形；DSQ新穩(wěn)定性較好，而DSQ原穩(wěn)定性較差，尤其是其EW 測向波形，易出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)變、波形畸變等現(xiàn)象，可能與EW 向基線長度較NS 向短有關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，DSQ原需每月進(jìn)洞調(diào)零1—2 次，易出現(xiàn)噪聲變大、突跳等現(xiàn)象；DSQ新試運行期間，基本2—3 個月進(jìn)洞調(diào)零1 次，說明該儀器穩(wěn)定性較好。

2.3 自然環(huán)境影響

通常，降雨、大風(fēng)、氣壓和雷電干擾等自然環(huán)境因素對形變觀測的干擾，主要表現(xiàn)為觀測曲線急劇上升或下降、拐折性突變形態(tài)、高頻擾動、噪聲增大等。據(jù)統(tǒng)計，西安臺原形變山洞DSQ 水管儀形變觀測受降雨和大風(fēng)影響較明顯。

以2021 年1 月10 日—11 日2 套DSQ 水管儀觀測數(shù)據(jù)為例，對比分析大風(fēng)干擾對觀測曲線的影響，結(jié)果見圖3，可見DSQ原觀測波形噪聲明顯變大，而DSQ新觀測波形未受影響。2020 年7 月10 日—12 日受降雨影響，DSQ原波形趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變，NS 向由北傾變?yōu)槟蟽A，EW 向開始緩慢下降，而DSQ新觀測波形則未出現(xiàn)明顯變化（圖4），應(yīng)與新建形變山洞覆蓋層較厚有關(guān)。

圖3 2 套DSQ 水管儀受大風(fēng)影響對比Fig.3 Comparison of two sets of DSQ water-tube tiltmeter affected by strong wind

圖4 2 套DSQ 型水管儀受降雨影響對比Fig.4 Comparison of two sets of DSQ watertube tiltmeter affected by rainfall

2.4 強(qiáng)遠(yuǎn)震同震響應(yīng)

以2020 年7 月23 日04:07:20 西藏那曲市尼瑪縣MS6.6 地震（33.19°N，86.81°E）為例，分析2 套水管儀強(qiáng)遠(yuǎn)震同震響應(yīng)能力。

此次地震震源深度10 km，震中距2 048 km，引起DSQ新、DSQ原觀測波形出現(xiàn)突跳、震蕩，其中DSQ原NS 分量最大變化幅度約13.62×10-3″，EW 分量最大變化幅度約52.29×10-3″，DSQ新NS分量最大變化幅度約12×10-3″，EW 分量最大變化幅度約11×10-3″，NW 分量最大變化幅度約8×10-3″（圖5）。由圖5 可見，DSQ原觀測波形異常幅度更大。據(jù)趙愛平等（2012）的研究，水管儀觀測基線越長，儀器穩(wěn)定性越高，而靈敏度則不需太高，反之基線越短，為達(dá)到觀測精度則需調(diào)高儀器靈敏度，從而使得儀器記錄噪聲越大。據(jù)此，DSQ新記錄同震響應(yīng)突跳幅度較小，可能與儀器安裝的基線長度有關(guān)，2 套水管儀NS 向基線長度相差小（DSQ新、DSQ原NS 向基線長分別為26.48 m、30.02 m），故同震響應(yīng)幅度相差小，而EW 向基線長度相差較大（DSQ新、DSQ原EW 向基線長分別為26.59 m、11.07 m），故同震響應(yīng)幅度相差較大。

圖5 2 套DSQ 儀對2020 年7 月23 日西藏那曲尼瑪縣MS 6.6 地震記錄對比Fig.5 Comparison of two stes of DSQ water-tube tiltmeter records of MS 6.6 earthquake in Naqu Nima County,Xizang on July 23,2020

2.5 數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量分析

固體潮汐參數(shù)指標(biāo)主要用來評價具有固體潮汐變化的重力、地傾斜、地應(yīng)變、地下水位等測項數(shù)據(jù)的內(nèi)在觀測質(zhì)量。根據(jù)形變學(xué)科評比辦法（劉春國等，2017），選取M2波潮汐因子及其中誤差、相對噪聲水平3 個指標(biāo)進(jìn)行2 套水管儀觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量、穩(wěn)定性評價。M2波潮汐因子及其中誤差指標(biāo)采用Venedikob 調(diào)和分析方法計算得到，M2波潮汐因子中誤差越小，數(shù)據(jù)觀測精度越高。相對噪聲水平指標(biāo)利用日均值消除潮汐變化后的均方連差法計算，該指標(biāo)與觀測環(huán)境、觀測系統(tǒng)噪聲水平等直接關(guān)聯(lián)，主要反映數(shù)據(jù)動態(tài)變化的穩(wěn)定性水平。

對2 套DSQ 儀2020 年各分量觀測數(shù)據(jù)整點值進(jìn)行長系列調(diào)和分析，得到M2波潮汐因子及其中誤差，結(jié)果見表2、圖6。理論上，同一地點或相近地點的DSQ 水管傾斜儀，應(yīng)觀測到同樣幅值和相位的潮汐傾斜值，因此2 套水管儀觀測數(shù)據(jù)潮汐因子應(yīng)相同或相近。由圖6、表2 可知：2020 年1—6 月DSQ新EW、NS 分量潮汐因子幅值較大，是DSQ原2倍以上，可能與形變山洞建成初期，周圍巖體尚未完全穩(wěn)定、洞內(nèi)濕度較大等有關(guān)，而6月進(jìn)行儀器標(biāo)定時發(fā)現(xiàn)DSQ新標(biāo)定電極生銹并卡死，檢修后恢復(fù)正常，潮汐因子開始接近DSQ原；7—12 月，DSQ原、DSQ新觀測數(shù)據(jù)潮汐因子基本相同，說明DSQ新日趨穩(wěn)定，證明了2 套DSQ 儀觀測數(shù)據(jù)的可靠性；DSQ新NW 分量M2潮汐因子趨于1。

表2 新、老DSQ 儀M2 波潮汐因子及其中誤差Table2 M2 wave tidal factor and its error of new and old DSQ tiltmeter

圖6 2 套DSQ 水管儀數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)對比（2020 年）Fig.6 Comparison of data quality indexes of two sets of DSQ water-tube tiltmeter (2020)

以地傾斜觀測Ⅰ類臺精度指標(biāo)0.02 作為最大值進(jìn)行檢驗，可知DSQ新潮汐因子中誤差在2020年中有9個月優(yōu)于DSQ原。新建山洞DSQ新于6月進(jìn)行標(biāo)定、8月檢修，人為干擾較大，隨著觀測環(huán)境逐步穩(wěn)定，觀測精度具有穩(wěn)中向優(yōu)的趨勢。

利用均方連差法，對比分析2 套DSQ 水管儀2020 年度非潮汐部分噪聲水平，結(jié)果見表3。對比發(fā)現(xiàn)，利用2 套DSQ 水管儀日均值計算，DSQ新相對噪聲結(jié)果比DSQ原略差，而利用五日均值計算，DSQ新相對噪聲結(jié)果優(yōu)于DSQ原。可能原因是，2020 年新建山洞參觀活動較多，造成人為干擾較大，故DSQ新日均值相對噪聲較大，而五日均值對干擾的平滑作用更大，故DSQ新相對噪聲較小。

表3 2020 年2 套DSQ 儀相對噪聲對比Table 3 Comparison of relative noise of two sets of DSQ tiltmeter in 2020

3 結(jié)論與討論

西安臺新建山洞覆蓋層較厚、觀測環(huán)境優(yōu)越，洞內(nèi)日溫差和年溫差均符合形變觀測環(huán)境要求，而原形變山洞覆蓋層較薄、進(jìn)深較淺，年溫差超過1 ℃，觀測環(huán)境較差。對2 套DSQ 水管儀2020 年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：①2020 年1—6 月DSQ新觀測數(shù)據(jù)潮汐因子幅值較大，7—12 月2 套DSQ 水管儀觀測數(shù)據(jù)潮汐因子基本相同。總體上，2 套DSQ 水管儀記錄潮汐波形清晰，DSQ新數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、內(nèi)在質(zhì)量較優(yōu)，隨著新建山洞觀測環(huán)境的逐漸穩(wěn)定，其各項指標(biāo)具有穩(wěn)中向優(yōu)的趨勢；②新建形變山洞覆蓋層較厚，DSQ新基本不受大風(fēng)、降雨等自然環(huán)境干擾影響；③受參觀活動較多影響，DSQ新數(shù)據(jù)完整率低于DSQ原，且日均值相對噪聲水平較高；④2 套DSQ 水管儀基線長度不同，同震響應(yīng)幅度不同。2 套水管儀NS 向基線長度相差較小，對2020 年7 月23 日西藏那曲市尼瑪縣MS6.6 地震同震響應(yīng)幅度差別較小，而EW 向基線長度相差較大，記錄的此次地震的同震響應(yīng)差別較大。但是，2 套DSQ 水管儀觀測數(shù)據(jù)均采用分鐘值入庫（DSQ新為秒采樣），最大幅度可能并非準(zhǔn)確記錄，同震響應(yīng)幅值只能作為參考。