蓟县垂直摆观测数据变化分析

张 磊,汪翠枝,刘文兵,李恩建,金大利

(天津市地震局,天津 300201)

蓟县垂直摆观测数据变化分析

张 磊,汪翠枝,刘文兵,李恩建,金大利

(天津市地震局,天津 300201)

蓟县垂直摆NS向2007年10月出现加速南倾异常变化,持续近2年,2009年11月开始转向加速北倾,此时,垂直摆EW向也出现东倾加速变化,针对垂直摆的异常变化,展开异常的落实与判定。本文在总结该测项数据年变形态基础上,分析了观测过程中可能存在的干扰源,与气温、库容做了相关分析、并结合同台址水管倾斜观测资料,最终判定蓟县垂直摆2009年11月开始出现的异常变化含有地震前兆信息。

垂直摆;地倾斜;形变;异常

0 引言

蓟县地震台位于首都圈中东部,“燕山沉降带”的“京东台凹”北部,是全国定点地壳形变基本台。VS型垂直摆倾斜固体潮观测仪安置于蓟县小辛庄山洞(40.09°N,117.53°E)内 ,洞体岩性为震旦系石灰岩。台站附近断裂构造较为复杂,存在一系列断裂和褶皱,较为密切的有蓟县山前断裂、杨庄断裂和黄崖关断裂。小辛庄形变观测洞室位于山体的南坡山麓,VS型垂直摆倾斜仪安放在进深110m处的耳洞内。山下分布着十几口农用抽水井,在山体南面约2km处有面积120km2、库容2～3亿m3的于桥水库。垂直摆自2001年开始观测以来,数据连续,固体潮波形光滑,非潮汐部分呈现出较为规律的年周期变化。2006年7月4日河北文安5.1级地震前垂直摆两测向均出现了较突出的趋势异常[1]。自2007年10月以来,垂直摆NS向出现加速南倾的异常变化,持续2年,2009年11月1日开始转向加速北倾,年变形态和往年同时期基本一致,但北倾速率和幅度突出;EW向2009年11月也开始东倾加速,速率超出历年同期水平。该台是首都圈中东部稀少的形变观测台之一,垂直摆倾斜资料在观测以来首都圈唯一的中强地震前表现出一定的映震能力,因此该异常性质的落实、认定和跟踪对区域震情判定有一定的意义。

1 技术思路

地形变观测资料的干扰分析,国内的科研人员做了大量的研究工作。任佳[2]、王梅[3]、夏超德[4]等从人为因素、仪器本身以及台站周边环境对形变观测的影响进行了分析;高福旺[5]、曹建玲[6]、陈敏[7]等从温度、气压、降水较多分析了对地形变观测的影响。在地形变资料处理方面,李杰[8]等对数字化形变观测资料在地震分析预报中的应用方法进行了分析和评价,并给出了一些适于识别中短期异常的方法;倪友忠[9]等利用常规差分、趋势速率分析等多种方法综合分析了佘山台的地倾斜观测资料在印尼苏门答腊8.7级大地震前的长中短期异常图像及其同震阶跃;此外,国内一些学者利用倾斜观测值[10]以及倾斜固体潮振幅因子[11-13]研究其与地震异常的关系。

由于各测点观测环境、地理地质特点不同,干扰源也不同,观测资料的变化形态各异,因此,在数据处理分析及异常判定方面采取的方法也会因地制异。本文在明确蓟县垂直摆倾斜观测干扰源及资料处理方法研究现状的基础上,针对垂直摆观测数据发生的变化,开展异常的落实跟踪研究,包括资料收集、干扰源调查、数据处理与分析和异常判定。

(1)资料收集

收集蓟县地震台小辛庄观测山洞周围地理环境、地质构造信息、气温、于桥水库库容资料及同洞室水管倾斜观测资料。

(2)干扰源调查

干扰因素主要有仪器自身、人为干扰和外界环境变化3个方面。外界环境包括周围环境和气象,如抽水、库容、降雨、气温气压变化。

(3)数据处理与分析

在对观测资料进行预处理的基础上,对比分析垂直摆观测数据的各年年变形态特征;因垂直摆两测向非潮汐部分年周期变化比较规律,因此利用一般矩平等方法去除年周期变化,获取局部地区地面倾斜的趋势变化信息,并与同洞室观测的水管倾斜资料进行对比分析。

(4)异常判定

在客观、全面分析可能引起垂直摆观测数据变化的主要影响因素的基础上,利用上述数据处理与分析结果,结合以往震例对异常进行判定。

2 异常落实与数据处理分析

2.1 典型数据干扰特征

蓟县台垂直摆倾斜观测的干扰源主要有仪器工作状态、人为干扰和环境因素3个方面。仪器自观测以来工作基本正常,没有出现不稳定情况;人为干扰主要有人员进洞、对仪器进行调试、标定等;环境因素主要有地震、爆破、强降雨、气温、气压、库容变化等。气温和水库的蓄水量对垂直摆地倾斜趋势变化有一定的影响;抽水、气压和爆破会造成观测短周期扰动;而强降雨、地震、地质滑坡、仪器标定等则会造成观测数据的大幅变化。

图1 小辛庄子台垂直摆观测典型干扰变化曲线

图1是观测曲线分别受强降雨、地震和仪器标定干扰的典型图像。从图中可以看出,强降雨会造成观测曲线突变(图1a),且不能快速恢复至降雨前水平;地震或爆破会对固体潮形变观测曲线造成干扰,大多地震和爆破只是引起观测数据的短时扰动变化,但有一部分地震会引起观测曲线的同震阶变(图1b);图1c、图1d中曲线的阶变分别是垂直摆NS、EW向受标定干扰的典型图像,2009年11月至2010年3月仪器分别进行过3次标定,前2次标定对观测数据的趋势变化基本没有产生影响,但2010年2月28日仪器调零并标定则使 EW、NS向分别发生了约60ms和50ms的阶变,这次标定干扰较大的原因有2方面,一是2月27日智利8.8级地震的同震波还没有结束,二是28日(农历正月十五)这天是天文大潮,这些直接影响了调仪的速度和质量,造成了2次调动历时较长。

2.2 干扰源调查

蓟县垂直摆2009年11月1日发生加速倾斜变化。针对垂直摆的数据变化异常情况,先后2次进行现场落实调查。调查结果,2009年11月1日蓟县中雪,气温骤降,未发生强降雨、滑坡地质灾害、强地震等突发事件和大的环境变化;在11月1日前后几天,仪器工作正常,倾斜固体潮波形光滑连续(图2),没有突变,也没有对仪器进行人为干预;打开仪器保温罩发现,垂直摆仪器底座铝金属表层被氧化,底脚调平螺丝有细微的锈迹。由于2测向变化速率较快,2009年11月—2010年9月2方向分别进行过4次仪器调零并标定处理,其中2次标定后改变了记录格值。2009年12月24日,EW向格值由原来的0.08190ms/mV改为0.08240ms/mV,NS向由0.04600ms/mV改为0.05140ms/mV;2010年6月20日,EW向格值再次修改为0.08290ms/mV,NS向又使用新格值为0.05996ms/mV。其中2010年2月28日标定时2测向均发生了突变,但几次标定后观测资料的变化速率基本没有发生改变(图1c、图 1d)。

图2 小辛庄子台垂直摆NS、EW向分钟值观测曲线图(2009.10.27—11.05)

2.3 年变形态分析

垂直摆EW、NS向日均值(基本去除了固体潮)曲线具有规律的年周期变化,2009年11月开始2方向的年变形态和往年同时期基本一致,但NS向北倾、EW向东倾的速率明显比往年同时期大很多(图3),EW向2010年5月速率减缓后恢复正常速率,NS向速率一直偏大。

图3 小辛庄垂直摆EW、NS向各年日均值年变形态变化

2.4 数据处理分析

2.4.1 气温、于桥水库库容对观测数据的影响分析

用一般矩平法[14]去除垂直摆NS向观测数据月均值的年周期,并将其与气温月均值去周期做对比分析(图4)。垂直摆EW向与气温趋势变化呈一定的负相关,NS向年周期外的倾斜波动变化与气温变化没有明显的相关关系。气温的趋势下降开始于2008年下半年,2009年11月1日加速,2010年4月转向,而垂直摆EW向比气温滞后一个月转向,NS向则始终保持北倾趋势变化。因此认为,垂直摆EW向2009年11月开始的东倾加速变化主要受气温突降干扰,但 NS向的加速北倾趋势异常变化与气温变化关系不大。

图4 垂直摆 EW、NS向与气温去年周期曲线图

于桥水库位于测点南面,库容变化对垂直摆倾斜NS的趋势变化有一定影响。图5是垂直摆NS向和于桥水库库容的半年均值对比曲线,从图中看出二者呈一定的负相关,但自2009年下半年开始,这种负相关发生了改变,库容增加,垂直摆倾斜并不是表现出负相关的南倾,而是相反的加速北倾,由此认为,垂直摆NS向的加速北倾异常不是库容变化所致。

2.4.2 垂直摆倾斜仪与水管倾斜仪观测资料对比分析

与垂直摆倾斜仪(下简称垂直摆)同洞室观测的还有一套DSQ水管倾斜仪(下简称水管),水管倾斜仪距洞口约220～260m。水管仪 EW向和NS向的方位角分别为59.94°和144.87°,垂直摆 EW向和NS向的方位角分别为90°和0°。垂直摆和水管NS向观测曲线呈现出明显的年周期变化,水管 EW向自2003年4月底调仪器后,表现出近线性的下降趋势变化,但年变周期不明显。因此在数据处理过程中,首先利用一般矩平法对垂直摆2测向和水管NS向月均值去年变周期,用 K-L直线拟合方法去除水管EW向的线性部分,再由垂直摆和水管单分量计算局部面倾斜变化[15],计算结果见图6。图6a、图6b分别是由垂直摆和水管计算出的面倾斜值,图6c和图6d分别是垂直摆和水管计算出的面倾斜方位角。2套仪器对降雨的响应程度不同,图6b和图6d中2008年7—8月的加速变化是同期强降雨干扰变化,垂直摆对降雨的响应则不明显。计算结果表明,水管和垂直摆观测的面倾斜虽然数值上有所差异,但趋势相近,反映出观测点具有整体相似的倾斜背景;水管和垂直摆计算的面方位角数值不同,有正有负,但它们反映的地面倾斜方向大致相似,均表现出水平形变场的右旋变化。但是由2套倾斜仪观测的分量计算的面倾斜方位角和面倾斜值均不相同或相近,分析原因主要有2方面,一是2套仪器的特点不同,垂直摆安置在一个近似于点的基座上,而水管则是2条近40m的基线,因此响应的范围不同;二是观测山洞位于高程100m的不对称山体内,而2套仪器相距约100m,因仪器所处的山体位置不同,覆盖层厚度也不同,因此观测的局部面倾斜也不完全一致。

图6 垂直摆面倾斜值(a)、水管面倾斜值(b)、垂直摆面倾斜方位角(c)和水管面倾斜方位角(d)变化曲线

3 结论与讨论

针对2009年11月蓟县垂直摆2测向观测资料发生的突出异常变化,对观测过程中可能存在的干扰源和影响因素进行了详细的调查和分析,客观地判定该异常性质。

(1)异常出现前后,台站周围观测环境和地质环境没有发生大的改变;仪器工作正常,固体潮波形连续光滑,没有地震、强降雨、调仪器等干扰变化;仪器底座表层铝金属被氧化,但氧化均匀,调平螺丝有轻微锈迹,分析认为这种变化不足以引起观测数据如此大的异常。

(2)用垂直摆观测数据与气温、于桥水库库容做相关性对比分析,认为垂直摆 EW向2009年11月至2010年4月加速东倾异常主要是11月1日蓟县降中雪,气温加速下降的影响变化;而垂直摆NS向与气温的相关性不明显,且2010年4月气温转升后垂直摆NS北倾趋势异常仍然继续,说明垂直摆NS向的北倾趋势异常与气温骤降关系不大;垂直摆NS向与于桥水库库容呈一定的负相关关系,但2009年下半年开始负相关关系不存在了,因此,垂直摆NS向的趋势北倾异常不是库容变化所致。

(3)从同一洞室观测的水管倾斜资料单分量看,没有出现与垂直摆一致的加速异常变化,但是把2套仪器的单分量数据归算到面倾斜,发现垂直摆和水管观测到了一致的地倾斜变化,从而进一步说明了垂直摆NS向和EW向自2009年11月出现的加速北倾和东倾变化异常属实。

(4)通过异常干扰源调查和数据对比分析结果,认为仪器自身和气温骤降会对垂直摆观测资料产生一定的影响,但是不会引起垂直摆NS向如此大速率、长持时的异常变化,其中仍有地震前兆异常信息成分。

但是由于地形变仪器的特殊性,在异常落实过程中,并没有对仪器的观测系统进行检查,这也是唯一的不确定因素。

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Analysis on Data Change of Vertical Pendulum Inclinometer at Jixian Seismic Station

ZHANG Lei,WANG Cui-zhi,LIU Wen-bing,LI En-jian,J IN Da-li
(Earthquake Administration of Tianjin Municipality,Tianjin 300201,China)

Observation data of vertical pendulum inclinometer in the NS direction accelerated incline to the south from Oct.2007and lasted for 2years,while it accelerated incline to the north since Nov.2009.At the same time,the EW direction accelerated incline to the east.In this paper,the possible disturbance sources are analyzed as well as the relationship between temperature and Yuqiao reservoir capacity based on the annual change of the data combining with data of water pipe slant instrument in the same cave.The result indicates that change since Nov.2009was true and contained seismic precursor information.

vertical pendulum inclinometer;incline of the Earth;deformation;anomaly

P315.725

A

1003-1375(2011)03-0034-05

2010-12-08

2010年度震情跟踪合同制定向工作任务——蓟县垂直摆观测数据变化分析(2010020904);

天津市地震局局内科研项目——热红外遥感技术在天津地区分析预报中的应用(101009)

张磊(1982-),女(汉族),河北承德人,助理工程师,现从事地震监测预报方面的研究.E-mail:zhanglei-qd@126.com