乌什地震台水管倾斜仪观测资料分析

张锦萍，李姗姗，唐 兰，赖爱京，徐衍刚（．新疆维吾尔自治区地震局阿克苏中心地震台，新疆 阿克苏 84000；．新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台，新疆 库尔勒 84000；．新疆维吾尔自治区阿克苏地区地震局，新疆 阿克苏 84000）

乌什地震台水管倾斜仪观测资料分析

张锦萍1，李姗姗2，唐 兰3，赖爱京1，徐衍刚1
（1．新疆维吾尔自治区地震局阿克苏中心地震台，新疆 阿克苏 843000；2．新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台，新疆 库尔勒 841000；3．新疆维吾尔自治区阿克苏地区地震局，新疆 阿克苏 843000）

利用数学统计方法及调和分析精确计算仪器稳定性指标，对乌什地震台数字化水管倾斜仪2009年1月—2014年12月观测资料的运行、变化趋势和受干扰情况做初步分析，结果显示：（1）乌什地震台DSQ水管仪观测资料连续，仪器精度高, 稳定性好；（2）影响水管仪内精度的干扰因素较多，其中水质变坏，多次更换维修更换液体的影响程度最高；（3）通过多次震例总结，说明乌什地震台水管倾斜仪具有一定的地震前兆异常监测能力。

水管仪；资料分析；调和分析；干扰分析

0 引言

DQS型水管仪是自动测量地壳倾斜变化的一种精密仪器，用来测定地倾斜缓慢变化、倾斜固体潮与捕捉地震前兆信息[1]，能够提供地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等科学数据，掌握地震事件周期、应力的变化以及相关地壳变形之间的关系[2-3]，通过水管倾斜仪观测资料质量分析，对进一步提高水管仪的运行质量和可靠性及研究地震孕育的倾斜变化规律提供数据有着积极的意义。本文以乌什台数字前兆形变观测水管仪观测资料为研究对象，通过精确计算2009 —2014年水管倾斜仪稳定性指标，对观测资料的运行、变化趋势和受干扰情况做初步分析，综合性研究和评估资料稳定性，为地震分析预报提供可靠的资料，对做好地震监测预报工作有着重要的意义。

1 台站概况及水管倾斜仪的基本情况

1.1 台站观测环境

乌什地震台位于天山南麓、塔里木盆地北缘、柯坪地块的西北缘，在大地构造上跨及南天山地槽和塔里木盆地及其之间的过渡地带[4]。台址岩性以石英质砂岩为主，完整性较好，观测点周边是大片农田，无明显干扰源，是形变观测的理想场地[5]。

乌什地震台形变观测山洞建于1985年，顶部覆盖约35m，洞内年温差＜ 0.2℃，日温差＜0.01℃，观测环境干燥；山洞呈NS走向，进深约50m，有2个EW向偏洞，1个安放地震仪的摆，另1个安放石英倾斜仪。2004年为适应“十五”期间增上观测仪器的要求，将NS方向延长到70m，将安放倾斜仪的EW向偏洞延长到20m，建立水管仪、伸缩仪的观测空间。另外“十五”期间乌什台还增上重力潮汐观测仪器，因此在距洞口25m处，向东开挖10m的偏洞，建立重力仪的观测空间，主洞及支洞合计总深度约82m。山洞内有4道塑钢门，保温性较好。

表1 乌什台水管仪主要性能参数

1.2 仪器性能参数

乌什地震台DSQ水管倾斜仪于2006年10月3日架设，架设初期两分量基线长度均为19.04m，2013年11月11日更换蒸馏水和架设比测仪器时在连通管上安装了一个三通管，两分量基线长度增为19.16m；台基为石炭系砂岩，完整性较好，两端基墩为完整大理石，用高标号水泥浆与岩石粘接，两端基墩高差＜3mm。经过近几年的运行，目前该仪器运行正常，乌什台水管倾斜仪的主要性能及观测参数如表1所示。

2 观测资料分析

乌什地震台水管倾斜仪于2006年10月架设并投入观测，现参照地壳形变学科组拟定的有关技术指标，对乌什地震台2009—2014年水管倾斜仪数据进行全面整理、分析，对资料的连续率、完整率、年零漂、年变幅、噪声水平及M2波潮汐因子均方差等稳定性指标进行检定。

2.1 数据变化趋势

杨又陵等[4]选用乌什台水管仪2007年7月—2008年9月的观测资料进行潮汐参数及稳定性的研究，研究时段观测资料稳定性较好，精度达到并超过了国家Ⅰ类台的标准。2007年7月—2010年10月，乌什水管仪运行正常，观测环境稳定，两分量年变形态清晰，此时段内在新疆南部发生的两次7级左右地震（2008年3月21日于田M7.3，震中距657km；2008年10月5日乌恰6.9级地震，震中距487km）和柯坪块体2次5级地震前（2009 年2 月20 日柯坪5.2级地震，震中距70km；2009 年4月19 日阿合奇5.8 级地震，震中距71km），均有不同程度的中短期异常或临震异常[5]。2010年10月后，两分量出现准同步趋势性转折[6]，乌什台周边区域接连发生2次6级地震（2012年3月9日新疆和田洛浦县6.0级地震，震中距268km；2012年6月30日新疆新源县与和静县交界6.6级地震,震中距522km）和3次5级地震（2011 年8 月11 日阿图什5.8 级地震，震中距223km；2011年11月1日新疆尼勒克县、巩留县交界MS5.7级地震，震中距378km；2012年5月31日哈萨克斯坦5.9级地震,震中距250km），但依据前兆台网中心的月评反馈，2012年2月起两分量精度明显下降，东西分量稳定性差，2012年12月更换液体后，东西分量稳定性差，2013年5月再次清洗、维护后，北南分量逐渐稳定，东西分量仍处于不稳定状态。2013年11月11日换液、维护后，2014年1月后仪器工作状态恢复正常、状态良好。

因此认为乌什水管仪资料可分5个时段：2006年10月—2007年6月为仪器架设之初的稳定时段。2007年7月—2012年1月为仪器工作状态最好的时段，预报效能最好。2012年2月—2012年12月，两分量精度下降，东西分量依然有年变，北南分量加速南倾，可能与2012年8月11日阿图什5.2级和2013年1月29日哈萨克斯坦6.1级地震有关。2012年12月至2013年底为第四时段，本时段内东西分量基本没有预报意义，北南分量2013年5月后逐步稳定。2013年11月11日两分量再次清洗、维护后，2014年1月后资料变化稳定，用于资料信度较高（图1）。

图1 乌什台水管仪倾斜曲线Fig.1 The tilt curves of water tube tiltmeter at Wushi Seismic Station

2.2 连续率和完整率

数据连续是地震预报对前兆观测数据的基本要求之一，很多全国一类形变台的数据缺测率都在0.1% 以内，在全国数字化形变资料评比中，数据连续率≥99.5%不扣分[7]。完整率是监视日常观测质量的另一重要指标，完整率的高低制约着观测数据的内在质量[8]。乌什地震台水管仪2009 — 2014年数据连续率、完整率如表2所示。

由表2可知，乌什地震台水管仪2009—2014年度连续率、完整率均高于国家评比标准，除2013年外，其他年份连续率、完整率均＞ 99.9%，2013年度因水质变坏、更换蒸馏水，连续率、完整率＞ 99.8%,略低于其他年份。

2.3 年零漂和年变幅

年零漂主要用来衡量观测仪器及基墩稳定程度或地壳继承性的新构造运动[9]。本文采用日均值法进行计算。年变幅的大小可以用来检视洞室热弹形变的大小。

乌什地震台水管仪2009—2014年度的两分量各自年零漂、年变幅值如表2所示。由表2可知2009—2014年度的两分量各自年零漂值均小于2''，北南分量2012、2013年，东西分量2013年零漂值相对其他年份较大，与水质变坏、更换蒸馏水有关，2013年更换蒸馏水之后，2014年两分量的零漂值都减小许多，北南分量年零漂为0.4113''，东西分量年漂零更小，为-0.0982''。北南分量年变幅在0.1869''～1.2709''之间，东西分量年变幅在0.2222''～1.7695''之间。

表2 水管倾斜仪2009—2014年度资料连续率、完整率、年零漂、年变幅

2.4 潮汐因子

潮汐因子是某一分波的观测振幅与理论振幅的比值，本文对乌什台水管倾斜资料固体潮使用Venedikov调和分析方法，计算其半日波的潮汐因子，计算结果如表3所示。由表3可见：潮汐因子均值北南分量为0.7483；东西分量为0.6705。潮汐因子中误差均值北南分量为0.0040，东西分量为0.0024，说明乌什台水管倾斜的观测资料较为稳定，数据波动幅度较小。

表3 倾斜潮汐参数计算结果

2.5 噪声水平M1和M2波潮汐因子均方差Mγ

M2波潮汐因子均方差是衡量倾斜观测资料内精度的第一项指标，相对噪声水平M1，是评价倾斜潮汐观测资料的一年长期稳定性精度，作为评定倾斜潮汐观测资料质量的第二项指标[8]，本文按Venedikov调和分析方法，对一个月长度的倾斜观测资料进行调和分析，计算结果为Mγ的加权平均值，由年度观测资料的73个5日均值用切比雪夫多项式做30阶拟合计算噪声水平M1，计算结果如表4所示。从表4中可看出，乌什地震台M2波潮汐因子均方差Mγ 、相对噪声水平M1的值均小于0.02 ，符合地形变观测规范要求。

表4 2009—2014年水管仪M2波γ值均方差Mγ及相对噪声水平M1

3 主要干扰分析

通过对乌什地震台水管倾斜仪多年资料的总结分析，发现影响观测数据质量的干扰因素主要可分为：自然干扰、人为干扰、观测系统故障及震扰4种类型。

3.1 自然干扰

自然干扰主要是指由于自然环境的改变如刮风、打雷、下雨等天气变化引起水管仪数据产生毛刺、抖动等现象。小的雷电对倾斜固体潮的影响主要表现为曲线畸变，但不会影响日变形态。大的雷电可能导致数采不能正常工作，造成数据缺测，甚至损坏主机，影响观测数据的准确性[9]。如2014年7月2日—3日乌什地震台水管仪两分量受天气干扰（刮风、风力6～7级、打雷、下雨、降水量达2.2mm）影响，北南分量2日16:54—3日22:12、东西分量2日16:10—3日23:09数据曲线出现了毛刺、突跳、阶变、锯齿状等畸变，最大变化量NS：1.6E-3''、EW：4.9E-3''，同台辅助测项曲线在同时段内明显记录到本次气压、降雨变化情况（图2）。刮风、雷雨天气，且降水量在短时间内积累达到一定量时，水管仪数据会出现数据曲线毛刺状畸变、突跳等干扰特征，雷雨越大越久，干扰就越明显且持续的时间也就越长[10]。且由于水管仪器的东西方向的东端处于山体风化作用形成的破碎带上，故刮风对东西分量的影响较大。

图2 2014年7月2日—3日乌什台水管倾斜仪北南分量（a）、东西分量（b） 、气压（c）、降水量（d）分钟值曲线图Fig.2 The minute value curves of water tube tiltmeter NS（a），water tube tilt EW （b），atmospheric pressure（c），rainfall（d）at Wushi Seismic Station from July 2 to 3, 2014

3.2 人为干扰

乌什地震台水管仪受人为干扰影响主要包括以下几个方面：（1）调零、标定、检查、维修仪器、进洞落实异常；（2）由于乌什台水管仪和伸缩仪安装在同一个仪器槽内，因此标定、检查伸缩仪时，水管仪数据同时间段也会受干扰。受人为干扰影响的水管仪数据会出现台阶、突跳、缺数等干扰特征，在对数据预处理时，常常会将受干扰数据做删除处理，因此影响数据的连续率、完整率，降低数据质量（图3）。

3.3 观测系统

乌什地震台水管仪受观测系统的影响主要有：电流冲击干扰、UPS故障、供电故障、传感器故障、数采故障，这些干扰会造成水管仪数据出现台阶、突跳、缺数，都会降低观测数据质量，而水管仪管内蒸馏水水质变坏，多次更换蒸馏水更是影响数据精度和质量的重要原因。乌什地震台水管仪自2012年2月起出现蒸馏水水质变坏、端点底座垫块生锈现象，两分量精度明显下降， 2012年12月更换液体后，东西分量稳定性差，2013年5月再次清洗、维护后，北南分量逐渐稳定，东西分量仍处于不稳定状态，潮汐因子明显偏大，2013年11月11日换液、维护后清洗水管，更换水管内蒸馏水，标定结果合格，固体潮潮汐因子恢复到正常水平（图4）。

图3 乌什台水管倾斜仪受人为干扰曲线图Fig.3 The human disturbance curves of water tube tiltmeter at Wushi Seismic Station

图4 水管仪潮汐因子Fig.4 The tide factor of water tube tiltmeter

4 映震

就全国范围来说，数字形变观测虽然时间较短，但也有一些较好的震例总结[5]，例如田山等[11]研究表明：首都圈及外围区域形变、重力数字前兆震前出现的短临异常特征主要是震前一周内观测数据中出现高频抖动；刘学谦等[12]研究发现：荣阳台和信阳台水管仪在周边几次较大地震前也存在高频抖动现象。

乌什水管仪架设以来，在远场的7级左右地震和近场的5级地震发生前1～10天，原始观测曲线大多出现高频成份增多（高频抖动）的临震异常，两分向中北南分量震前高频成份增多的震例居多[5]。例如远场的乌恰6.9级地震（2008年10月5日）前，乌什水管仪北南分量出现明显高频抖动，东西分量也存在一定程度的高频成份（图5（a）、（b）；近场的柯坪5.2级地震（2009年2月19日）地震前5～6天，北南分量数据曲线南倾加速且高频成份增多（高频抖动）的临震异常显著（图5（c））。

图5 水管仪临震异常分析Fig.5 The analysis of impending anomaly of water tube tiltmeter

但是2013年1月29日哈萨克斯坦6.1级地震和3月11日阿图什5.1级地震前，乌什水管仪没有出现上述临震前的高频抖动异常，可能与2012年年底换液后仪器工作状态不正常有关。

5 结论

乌什地震台水管倾斜观测工作，经过全体观测人员连续多年不断努力和探索，在软件应用、仪器维护等方面做到精益求精，观测资料质量不断提高。通过以上分析，可以得出以下结论：

（1）通过对乌什地震台DSQ型水管倾斜仪2009—2014年观测资料的观测指标进行计算分析，结果发现：乌什地震台DSQ水管倾斜仪工作性能稳定，潮汐因子数据波动幅度较小，观测资料一般性质量评估符合形变规范要求，达到全国先进水平，其观测资料为地球物理研究提供了优秀的基础观测资料。

（2）影响乌什地震台水管倾斜仪内精度的干扰因素主要是水管仪内水质变坏，多次换水维修的人为干扰，其次自然干扰、人为干扰、系统故障等干扰因素造成数据畸变、缺数，预处理时进行缺数处理也是影响因素之一。

（3）通过长期的资料积累及多次震例总结可知，乌什地震台水管倾斜仪在多次地震前出现明显的高频抖动现象，说明乌什地震台水管倾斜仪具有一定的地震前兆异常监测能力。

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Analysis on Observational Data of Water Tube Tiltmeter at Wushi Seismic Station

ZHANG Jin-ping1，LI Shan-shan2，TANG Lan3，LAI Ai-jing1，XU Yan-gang1
（1. Aksu Seismic Station of Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Aksu 843000, China；2. Kuerle Station of Xinjiang Earthquake Administration, Xinjiang Kuerle 841000, China; 3. Aksu of Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Xinjiang Aksu 843000, China）

A preliminary analysis for digital water tube tiltmeter from January 2009 to December 2014 observations run, trend and interference of Wushi Seismic Station, using statistical methods and reconcile analysis calculated instrument stability index. The results show that Wushi Seismic Station DSQ water tube tiltmeter observations continuous, high instrument accuracy and good stability. There are many interference factors to influence the water tube tiltmeter accuracy, and water quality deterioration, several repairs and replace liquid have the highest degree of influence. According to several summaries of the earthquake cases, it shows that the water tube tiltmeter has anomaly monitoring capacity for earthquake precursors at Wushi Seismic Station.

water tube tiltmeter; data analysis; reconcile analysis; interference analysis

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.004

1674-8565（2017）02-0020-07

新疆省地震局科学基金（2015206）；中国地震局监测、预测、科研三结合课题（163102）

2016-12-15

2017-03-05

张锦萍（1988-），女，河南省项城市人，2012年6月毕业于新疆大学，本科，助理工程师，现主要从事台站前兆监测及分析方面的工作。