前兆观测的方波型异常图像成因分析

张红秀，邰垣东，郭国祥，罗振东

（1.山西省地震局临汾中心地震台，山西 临汾 041000；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025）

0 引言

准确识别前兆观测资料中的异常图像是进行地震分析预报的基础，数字化资料观测时间较短，对异常图像的认识，尤其对震兆异常的判定尚处于摸索阶段。地震前兆变化不同于同震与震后变化，其与地震震源的关系在时间上永远有一定距离，相关性的判别会直接影响研究结果的科学性［1］。“十五”数字化仪器在日常观测中常记录到方波型异常图像，其形态表现为记录曲线的突然掉下（上跳）、低位（高位），记录一段时间后，又突然回跳，且回到原值附近。如何准确分析该类图像成因，对干扰异常识别及地震分析预测预报具有积极意义。

1 资料选取

“十五”数字化仪器于2005年至2007年陆续在山西各地震台站完成安装并运行至今，方波型异常图像从记录资料中选取，异常图像所对应的地震事件从中国地震台网中心（CENC）地震数据管理与服务系统中提取。

2 方波型图像成因分析

2.1 仪器标定

为保证测量精度和检验仪器的稳定性，根据观测规范及各学科要求，需对观测仪器进行定期标定，而标定是造成方波型图像的原因之一。一种情况是仪器因标定而形成方波型图像；另一种情况是在标定某一仪器时，对其他仪器产生干扰，而使其在标定时段记录到同步方波型图像（见图1）。

2.2 仪器超量程

“十五”数字化仪器工作电压范围除水平摆为0～±4V外，其他仪器均为0～±2V，超出工作电压范围，仪器将处于不稳定工作状态，记录到的数据视为无效数据。各仪器出现超量程的表现形式存在差异，水平摆超量程表现为测量数据为定值，而垂直摆超量程时则数据显示为“0”，记录曲线在超量程时段均为一直线，此时需做调零处理，使记录曲线恢复正常，此过程会出现方波型图像（见图2）。

2.3 环境干扰

观测环境及自然环境有时会对前兆观测产生干扰。如，2010年5月15日，镇川地震台水位观测因排水管堵塞，造成探头外露形成台阶，在16日进行处理后恢复正常，期间形成类方波图像干扰。2015年7月21日，临汾台摆式倾斜观测资料由于测区出现雷雨冰雹而形成异常图像（见图3）。

2.4 高压直流干扰

高压直流干扰也是形成方波型异常图像的原因之一，该干扰一般对电磁类观测资料的影响比较明显。太原基准地震台M15仪器2013年6月2日垂直分量记录资料受“宁夏—山东”高压直流线干扰图像如第11页图4所示。2013年12月23日，因受“哈密—郑州”线高压直流干扰，临汾台地电场长短极距观测出现同步方波型异常干扰图像（见图5）。

2.5 人为干扰

2015年3月11日，对数字前兆仪器航空插头进行拍照，对垂直摆观测形成类方波型干扰（见图6）。

2.6 同震响应

同震响应形态主要有：振荡、下降同震阶跃、上升同震阶跃、单脉冲、先阶跃再恢复等多种形态［2］，而对于先阶跃后恢复类型的同震变化往往会形成类方波图像（见图7）。

图1 临汾地震台垂直摆标定及受体应变标定干扰图像Fig.1 Calibration of vertical pendulum tiltmeter and image interfered by calibration of body strain at Linfen Station

图2 临汾台垂直摆、水平摆超量程异常图像Fig.2 Outrange abnormal image of vertical pendulum tiltmeter and horizontal pendulum tiltmeter at Linfen Station

图3 环境干扰异常图像Fig.3 Abnormal image of environmental interference

2.7 震兆异常

曾有研究成果认为形变观测中的类方波图像与地震相关［3］。2005年10月8日巴基斯坦Ms7.8地震、2008年1月9日西藏改则Ms6.9地震及2008年2月20日苏门答腊Ms7.7地震前，临汾台水平摆NS向观测资料均有类似方波型图像出现，并且EW向有大幅倾斜异常或脉冲突跳异常相对应（见图8）。2008年5月12日汶川Ms8.0地震前，夏县台水位于同年2月6日突降2.60m后持续缓慢下降，直到3月21日回转上升，当水位恢复到原下降年变斜率水平时异常结束，水位完成下降—上升—恢复全过程后发震，此次异常超前时间为3个月［4］（见图9）。这几次震前出现的异常均呈现出较好的短期及短临特性，4次地震的基本参数及震前异常记录如第11页表1所示。

3 干扰方波的资料处理

正确识别和预处理干扰引起的资料异常变化，是保证资料连续可靠的重要一环［5］。针对不同原因形成的干扰方波，在资料预处理时应采取相应的方法，主要有以下几种：

图4 太原台M15仪器垂直分量观测曲线Fig.4 Observation curve of vertical component of M15at Taiyuan Station

图5 临汾台地电场观测异常图像Fig.5 Abnormal image of geoelectric field observation at Linfen Station

图6 2015年3月11日临汾台垂直摆观测曲线Fig.6 Observation curve of vertical pendulum tiltmeter at Linfen Station on March 11，2015

图7 同震响应图Fig.7 Coseismic response

表1 4次地震基本参数Table 1 Basic parameters of 4earthquakes

（1）缺数处理。

对标定、超量程、人为干扰以及观测环境干扰形成的干扰方波，由于期间记录到的观测数据为无效数据，在资料预处理时应根据中国地震前兆台网数据处理软件进行缺数处理，并在观测日志中做相应说明。

（2）台阶处理。

对标定造成的其他观测项目同步干扰、高压直流干扰，因该类干扰只是因瞬时电压或供电电流改变而形成的干扰，在资料预处理时对形成的突跳做台阶处理即可，能有效保证观测资料的连续、完整。

（3）不处理。

对疑似震兆异常及同震响应形成的方波图像，在资料预处理时不能进行处理，因该类图像可能会携带震源区及震波传播介质的地质构造信息，利于对震兆异常及震前前驱波变化特征的研究。对于自然环境及不明原因所致的方波图像，建议不进行处理，便于在今后的工作中进行分析研究，但需在相应的日志中对异常时段及干扰排除情况做详细记录。

4 干扰方波的避免及观测条件保障

正常情况下，对于震兆异常方波、同震方波、高压直流扰动方波及标定形成的方波是无法避免的，但对于超量程、人为扰动方波应积极探寻和改善观测环境条件，以尽可能避免人为方波的出现。

对于超量程方波，只要时刻关注仪器工作电压，在临近超量程时及时对仪器进行“调零”处理，就可避免。

图8 临汾台水平摆震前异常记录图Fig.8 Abnormal records of horizontal pendulum tiltmeter before earthquakes at Linfen Station

图9 夏县台水位震前异常记录图Fig.9 Abnormal records of water level before earthquakes at Xiaxian Station

对于人为方波，应从观测条件保障入手。多年仪器运行维护及调试经验认为，要避免人为方波的出现应做到以下几点：

（1）要尽可能避免各仪器供电线间的相互干扰。台站各观测仪器主机基本都放置在同一机柜中，电源线、网线、信号线要整理有序，不能随意堆放相互交叉，尤其是各仪器供电电源线，避免因对某一仪器进行检查而对其他仪器产生干扰。

（2）要保障供电电压的稳定。在日常观测中，电压不稳定是产生方波干扰的原因之一，建议有条件的台站，可为各类仪器配备独立的稳压装置。

（3）要减少人为干扰。仪器正常工作期间，不应进入仪器工作室，如确需对仪器进行检查、调节，要提前做好准备工作，避免多次往返，使观测室温度、气压产生大的波动，且尽量减少在仪器工作室的停留时间。

（4）定期巡检。对观测线路、观测环境及各仪器连接线路要定期巡检，发现问题及时处理，避免因接触不良或仪器软故障而产生方波扰动。

5 结语

通过分析认为，数字前兆观测中的方波型图像多数情况下为干扰或仪器软故障所致，当外界干扰因素消失后，记录恢复正常。由于当前数字化资料的应用尚处于摸索阶段，对仪器记录到的任何异常信息在未明确起因时，均不能主观确定为非震兆异常。总结临汾台数字化观测资料，当水平摆NS向出现方波型异常图像时，同时段内EW向观测资料均有大幅度倾变或脉冲突跳相对应，认为与强震有一定的对应关系，且在震后短期内会恢复正常。今后，要注重对各类异常图像成因的分析研究，排除干扰，找出震前信息，为地震预报提供依据。

［1］牛安福.地震短期、短临预测面临的“最后一分钟”［J］.国际地震动态，2005，314（2）：29－31.

［2］杨成元，李哲，吕强，等.锦州台体应变观测资料阶变分析［J］.地震地磁观测与研究，2009，30（4）：67－71.

［3］陈德福，陈京，杨星.滇西永胜定点形变监测到的多次重现的震兆异常［J］.大地测量与地球动力学，2008，28（3）：21－26.

［4］刘国俊，张文男，杨海祥，等.东郭井水位与水温成组异常及其映震特征［J］.华北地震科学，2012，30（1）：22－28.

［5］张红秀，郭国祥，郭林旺，等.数字洞体摆倾斜观测常见干扰分析［J］.地震地磁观测与研究，2012，33（5／6）：208－211.