牡丹江形变观测内在质量分析

刘彦彬，秦丽岩，赵建通，马龙辰，刘长生（.加格达奇地震台，黑龙江 加格达奇 6500；.哈尔滨市防震减灾中心，黑龙江 哈尔滨 500；.牡丹江地震台，黑龙江 牡丹江 57009；.黑龙江省地震分析预报与火山研究中心，黑龙江 哈尔滨 50090）

牡丹江形变观测内在质量分析

刘彦彬1，秦丽岩2，赵建通3，马龙辰4，刘长生4
（1.加格达奇地震台，黑龙江 加格达奇 165100；2.哈尔滨市防震减灾中心，黑龙江 哈尔滨 150021；3.牡丹江地震台，黑龙江 牡丹江 157009；4.黑龙江省地震分析预报与火山研究中心，黑龙江 哈尔滨 150090）

对牡丹江地震台VS垂直摆和硐体应变2009—2015年数据进行分析处理，包括仪器连续性、固体潮效应、调和分析、同震效应及干扰分析等。结果表明，牡丹江地震台VS垂直摆仪器运行正常且对地震及外界因素反应灵敏，硐体应变对近震几乎无同震效应，对外界因素反应灵敏。

VS垂直摆；硐体应变；分析处理；同震效应；牡丹江地震台

0 引言

VS型垂直摆倾斜仪为我国自行研制的一种高精度倾斜仪，是研究固体潮和地震前兆的一种重要手段。该仪器体积小，精度高，安装简单，使用方便，可进行长期连续观测，具有模拟输出接电子电位差计和模拟连续直流±2V输出供数字化数据采集器采集的双重功能，它能精确地测量出地面倾斜的微小变化，是研究固体潮地震前兆的一种重要手段。

硐体应变仪是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器，适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程中水平应变变化规律提供数据，也为地球弹性研究提供重要数据。

本文通过对牡丹江垂直摆倾斜仪和硐体应变仪的观测数据进行分析，对其观测的内在质量进行评价，从而为分析观测资料的异常变化的是否可靠提供依据。

1 台站概况

牡丹江地震台地处牡丹江市八达沟[1]，始建于1971年，属国家基本台，形变观测场地位于黑龙江亚板块的次一级构造长白块体之北部，敦密断裂与牡丹江断裂交汇处，是俯冲带动力学及深震的观测与研究理想的地理与构造位置。台基选在完整的大面积出露的元古代混合花岗岩（γ2）之上，岩石质坚、致密、基本无风化、节理不太发育、整体性好（图1）。

图1 牡丹江地震台地质构造图Fig.1 The geological and structural map of Mudanjiang Seismic Station

牡丹江地震台现有形变观测手段包括：长水管倾斜仪、硐体应变仪、体积式应变仪、重力、垂直摆倾斜仪（表1）[2]。在“十五”的初期已经在测震山洞的旁边购买了一个山洞，该山洞山体顶部地形较平缓、对称，有植被覆盖，是较理想的形变山洞。形变观测选在该山洞支洞（未被覆），距洞口≥28m，山体覆盖厚度≥30m。该山洞进深74.8m，覆盖厚度≥30m。从山洞入口至42m处进行了被覆，洞内地面平坦。42m往里没有被覆。山洞内年温度7.5℃左右，湿度为80%左右（图2）。

表1 牡丹江地震台形变观测仪器设备

图2 牡丹江山洞示意图Fig.2 The cave schematic of Mudanjiang Seismic Station

2 观测质量分析

2.1 资料的连续性

观测数据的连续率是衡量地震前兆观测数据质量的重要指标之一[3]，应用原始观测数据来统计观测数据的连续率。计算公式如下：

应用公式（1），计算了2009—2015年牡丹江硐体应变和垂直摆观测数据的连续率，结果见表2、表3。

表2 牡丹江硐体应变连续率统计表

表3 牡丹江垂直摆连续率统计表

由于2012年4月30日伸缩仪遭雷击损坏，数采返厂维修，造成断记。5月2日省局备用数采送到台站，数据恢复。6月25日，伸缩仪无法标定，标定时步进电机不动，经多次测量主机端口针脚输出电压为几个毫伏，近乎为零，主机标定器电路板在雷击中损坏。5—8月期间伸缩仪数据不正常，期间多次更换前置盒，对仪器标定调试。2015年5月25日23时雷击导致伸缩仪损坏，6月无法标定。6—12月仪器故障，一直在断断续续的维修中，多次更换主机数采，造成数据不连续。

2.2 固体潮效应

伸缩仪、垂直摆倾斜仪观测到的信号是多成分的，当观测环境较好、仪器工作也良好时，观测数据的主要成分是固体潮，因此仪器记录到固体潮的质量可以很好的反应仪器的工作状态是否正常。以牡丹江台形变固体潮理论值作为对比标准，选取观测数据完整的大小潮时段的垂直摆倾斜仪与硐体应变仪数据，与理论固体潮做对比分析（图3、4）。

图3 牡丹江垂直摆倾斜仪理论固体潮与实际观测同轴曲线图Fig.3 Centered curves of theoretical earth tide and the actual observation of the VS vertical pendulum tiltmeter

图4 牡丹江硐体应变仪理论固体潮与实际观测同轴曲线图Fig.4 Tidal theory and the actual observation coaxial diagram of SSY-extensometer

经过对比可知，牡丹江垂直摆倾斜仪能清晰的记录到倾斜固体潮，北南向固体潮漂移较大，东西向固体潮跟理论值较一致。硐体应变仪能清晰的记录到应变固体潮，北南向固体潮优于东西向固体潮。

2.3 调和分析

仪器记录到的数据是来自地球内部、外部以及仪器本身漂移的总和，其中地球内部信息是由于天体对地球的作用力引起的地形变，即潮汐变化以及周围构造运动的影响。外部影响即大气压、地温（热形变）、降雨、地表负荷等；仪器本身也会有规则和不规则的漂移。诸多因素中唯有地球潮汐变化部分是可计算的。国内外常用固体潮内符合精度来评价仪器的内在质量（陈德福，1995）。应用陆远忠等（2005）基于GIS的地震分析预报系统Mapsis软件，使用维尼狄可夫（Venedikov）调和分析方法对正常时段牡丹江垂直摆和硐体应变整点值观测数据进行调和分析计算，结果如表4、5所示。

表4 牡丹江垂直摆调和分析结果

表5 牡丹江硐体应变调和分析结果

2.4 同震效应

对牡丹江垂直摆和硐体应变2009年至今的分钟值曲线图进行了分析，落实了观测至今的地震（据中国地震局台网地震目录），初步统计了不同震中距时，垂直摆和硐体应变记录地震波动能力的震级下限，如表6、7所示。该跟近震强度有关，但对于远震有很好的同震响应，图9给出了洞体应变记录到的2016年01月30日11时25分勘察加半岛M 7.0级地震的同震效应。

表6 牡丹江垂直摆记录地震波动能力

表7 牡丹江硐体应变记录地震波动能力

图5 2016.01.02林口M 6.4级地震Fig.5 Lin kou M 6.4 earthquake on Jan.2，2016

图6 2016.01.12日本北海道M 6.5级地震Fig.6 Hokkaido M 6.5 earthquake in Japan on Jan.12，2016

图7 2013.10.26 日本本州M 7.1级地震Fig.7 Honshu M 7.1 earthquake in Japan on Oct.26，2013

从表中可以看出，牡丹江垂直摆对于近震和远震都有很好的同震效应，如图5给出了垂直摆记录到的2016年01月02日12时22分黑龙江林口M 6.4级地震的同震效应和图6给出了2016年01月12日01时08分日本北海道M 6.5级地震的同震效应；图7给出了垂直摆记录到的2013年10月26日01时10分日本本州M 7.1级地震的同震效应；图8给出了2012年04月11日16时38分苏门答腊M 8.6和18时43分苏门答腊M 8.2级地震的同震效应。

洞体应变对于近震几乎没有同震效应，应

图8 2012.04.11 苏门答腊M 8.6和M 8.2级地震Fig.8 Sumatra M 8.6 and M 8.2 earthquake on Apr.11，2012

图9 2016.01.30勘察加半岛M 7.0级地震Fig.9 Kamchatka peninsula M 7.0 earthquake on Jan.30，2016

3 干扰分析

3.1 仪器调修干扰

通过现场查阅观测日志，发现牡丹江台硐体应变2010年12月更换数采，2012年5月更换主机数采，2013年4月防潮改造，2014年10月雷击更换数采，2015年6月开始仪器故障，观测数据不连续，这些仪器故障不同程度的影响了仪器的观测质量，给数据分析带来了难度。而且由于观测仪器的高灵敏度，虽然不同的仪器被安放在不同的观测室，但是人为干扰不可避免，均会造成固体潮曲线出现畸变。

3.2 气压干扰

气压变化对硐室形变观测的影响比较普遍，当气压出现短周期骤变时，才会出现较明显的固体潮畸变。根据牡丹江台观测日志记录，当气压出现短时波动时，硐体应变EW分钟值数据同步出现畸变现象（图10）。

图10 牡丹江硐体应变EW受气压变化影响的曲线Fig.10 The curve of SSY-extemeter EW influenced by air pressure change

3.3 大风的干扰

短时骤风对于硐室内形变的观测也有一定的干扰，根据牡丹江台观测日志记录，短时大风天气情况下，硐体应变EW分钟值数据同步出现毛刺现象（图11）。

图11 牡丹江硐体应变EW受大风变化影响的数据曲线Fig.11 The curve of SSY-extemeter EW influenced by gale

3.4 降雨的干扰

降雨对硐室形变的影响主要表现在，雨水渗入硐体岩石裂隙，岩体膨胀，造成地表倾斜或伸缩变化，会在固体潮观测曲线上得以体现。根据查阅牡丹江地震台观测日志，发现在出现强降雨天气现象时，观察到硐体应变EW分钟值数据同步出现短时脉冲现象（图12）。

图12 牡丹江硐体应变EW受降雨变化影响的数据曲线Fig.12 The curve of SSY-extemeter EW influenced by rainfall

4 结论

（1）通过对牡丹江地震台硐体应变和垂直摆数据进行分析，发现硐体应变在2009—2014年期间观测数据的连续率高，2015年受仪器故障的影响连续率较低，数据的可靠性不高，垂直摆观测数据在2009—2015年的连续率较高，仪器稳定性较好，能够较好的为地震监测预报服务。

（2）牡丹江地震台硐体应变和垂直摆倾斜仪能够清晰的记录到固体潮现象，且调和分析结果均处在正常值范围内，垂直摆倾斜仪对于近震和远震都有很好的同震响应，硐体应变仪对于近震几乎无同震响应，但能够清晰的记录到远震的同震变化。

（3）在日常的观测中，牡丹江硐体应变观测主要受到仪器故障、气压、大风、降雨等因素的影响，因此能够正确的识别干扰源，排除各种干扰，获得真实的信息，对于提取地震前兆信息有很大的帮助。

[1]马宝君,高双玲. 中国东北及邻近地区未来地震趋势分析[J]. 地震地磁观测与研究，2015，36（1）：14-18.

[2]马宝君，高双玲. 水管倾斜仪的快速标定方法[J].地震地磁观测与研究，2009，30（4）：83-86.

[3]高双玲，马宝君. 牡丹江台形变数据快速转换软件[J].地震地磁观测与研究，2013，34（3/4）：228-231.

The Internal Quality Analysis of
Deformation Observation at Mudanjiang Seismic Station

LIU Yan-bin1，QIN Li-yan2，ZHAO Jian-tong3，MA Long-chen4，LIU Chang-sheng4
（1. Jiagedaqi Seismic Station，Heilongjiang Jiagedaqi 165100，China; 2. Harbin Earthquake Prevention and Disaster Reduction Center，Heilongjiang Harbin 150021，China; 3. Mudanjiang Seismic Station，Heilongjiang Mudanjiang 157009，China; 4. The Earthquake Analysis Prediction and Volcano Research Center of Heilongjiang Province, Heilongjiang Harbin 150090，China）

This article analyses the VS vertical pendulum tiltmeter and SSY-extensometer data of Munanjiang Seismic Station from 2009 to 2015，including instrument continuity，tidal effects，harmonic analysis，coseismic effects and interference analysis. The result shows that the VS vertical pendulum instrument operates normally and are sensitive to earthquakes and external factors，while SSY-extensometer does not have coseismic effects on near-field earthquakes and are sensitive to external factors.

VS vertical pendulum; SSY-extemeter; data processing; coseismic effects；Mudanjiang Seismic Station

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.005

1674-8565（2017）02-0027-06

中国地震局地震科技星火计划项目（XH16012）资助

2017-01-21

2017-03-05

刘彦彬（1969-），男，山东省武城县人，毕业于中央广播电视大学，大专，助理工程师，现主要从事地震监测方面的工作。E-mail：375899512@qq.com