五指山台DSQ水管倾斜仪和VP垂直摆观测数据质量对比分析＊

郭昱琴 付国超 孙三健 吴 双

1) 海南省地震局，海南海口 570203

2) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

1910年里德（Reid）利用形变测量资料提出弹性回跳说，开创了以地壳中应变积累与释放这一矛盾的相互消长解释地震过程的科学思路，使地形变观测成为探索地震前兆的主要途径之一[1]。根据大量震例总结，在孕震过程中会出现形变前兆的阶段性特征，即形变速率的变化、形变方向的变化和岩石力学性质的变化[2]。其中，前两项特征（形变速率和形变方向的变化）可以由地倾斜观测数据直接获得，第三项特征（岩石力学性质）可以间接以固体潮振幅因子及波形形态来描述[3]。杨晓东等[4-5]、苏维刚等[6]、夏超德[7]分别对陕西台、韩城台、宁波台、格尔木台等的倾斜模拟观测和数字化垂直摆观测资料进行了对比研究。曹白伦等[8]对云县台水平摆和垂直摆观测资料进行了对比研究。杨玲英等[9]对云南垂直摆映震能力进行了研究。胡炜等[10]对不同地震台站水管倾斜仪数据资料进行了对比分析。这些研究较多的是对比分析在一个地区不同站点的垂直摆的观测资料，而本文通过对五指山台DSQ水管倾斜仪和VP垂直摆观测数据，精度内在质量以同震形变波分析，探讨了五指山形变台的水管倾斜仪观测与VP垂直摆资料的可靠性。2套仪器的结构和原理差别较大，加深这两种倾斜仪记录资料的对比分析，将有助于对不同仪器观测资料的理解和利用。进而为该区域地壳应力—应变状态的长期变化研究提供宝贵资料。

1 台站基本情况

五指山形变台位于五指山市冲山镇阿里山度假村旁太平山山麓半山腰（18.79°N，109.53°E）（图1），该区域广泛出露二叠系花岗岩和三叠系花岗岩[11]。其中五指山台周围基岩裸露，均为花岗岩类，且10 km范围内无大断裂通过，地壳稳定性较好。

台站洞体基岩坚硬完整，致密均匀，测点周边观测环境也较为稳定。台站为无人值守台站，观测山洞由部队防空洞改建。其中DSQ水管倾斜仪和SSY铟瓦棒伸缩仪布设在主洞室内，两者相同分量的仪器部件平行布设且共用同一槽体，而VP垂直摆则布设在主洞室南侧的侧洞室（图1）。

图1 五指山台站构造位置及仪器布设图Fig. 1 Structure location and instrument layout of Wuzhishan Station

2 观测资料对比分析

2.1 观测资料运行统计

完整率是检验仪器运行质量的根本条件, 也是地壳形变学科组重点检查对象[12]。表1为2015年1月1日—2017年12月31日五指山形变台两套地倾斜仪器观测资料统计表。通过分析认为，影响资料完整性的主要原因是停电、仪器故障和调零等因素。

表1 五指山台两类倾斜仪运行基本情况统计表Table 1 Statistics of the basic operating conditions of the two types of inclinometers at Wuzhishan Station

2.2 漂移量

在硐室形变观测中，仪器零漂一般受仪器自身漂移、地球内部密度变化或物质迁移、外部干扰（包括温度、气压、电压、湿度等变化）的影响[12]。年零漂是用来衡量观测仪器及墩基稳定程度或地壳继承性新构造运动的指标。其计算方法有日均值法和潮汐值法。日均值法是将该年度12月31日的日均值减去当年1月1日的日均值，该年零漂值有正有负。潮汐值法是将12月31日23点整点值数据减去同年1月1日零点值。本文采用潮汐值法计算水管仪漂移量，从表2来看，水管倾斜仪NS分量2016年比较稳定，但2017年年漂移量加大，缓速向南端倾斜，而2017水管倾斜仪仪器正常且无大的故障和干扰，漂移加快应是地壳运动的真实反映。VP垂直摆NS分量基本持平，EW分量日漂移量均值为0.45×10-3″，VP垂直摆日漂移量的设计指标小于5×10-3″，符合设计要求。

表2 DSQ水管倾斜仪、VP垂直摆年漂移量 （单位：10-3″）Table 2 Annual drift of DSQ water pipe inclinometer and VP vertical pendulum （unit：10-3″）

2.3 观测数据精度对比

关于形变类观测资料质量评价，以调和分析M2波潮汐因子中误差和长周期拟合相对噪声水平作判定指标。按中国地震局形变Ⅰ类台的标准[13]，倾斜要求M2波潮汐因子中误差mγ≤0.02，长周期拟合相对噪声水平m1≤0.02″。

五指山水管倾斜仪2014年安装，2015年数据逐渐稳定，从M2波潮汐因子中误差来看，NS分量很多时段中误差未达标，其中2016年5月和7月mγ受洞室建筑施工影响致NS向高达0.7，2017年7月mγ=0.7是由于累计25天传感器故障影响；EW分量固体潮畸变与突变异常较多，也出现很多时段中误差未达标。从相对噪声水平来看，两分量噪声水平，2015—2018年均达标（图2）。

图2 五指山台DSQ水管倾斜仪（a） 、VP垂直摆倾斜仪（b） 精度曲线Fig. 2 Accuracy curves of DSQ water pipe inclinometer （a），VP vertical pendulum inclinometer （b） at Wuzhishan Station

VP垂直摆除了部分时间段格值变化或仪器故障造成潮汐因子台阶变化，格值变大，其潮汐因子也明显变大；并且NS分量的潮汐因子均明显高于EW分量，2016年硐室改造后，更换仪器仍出现相似的特征，排除了硐室环境和仪器的因素，可能与该区域构造地质背景有关，使得仪器不能明显记录到水平NS方向潮汐变化。

2.4 同震形变波的观测对比

前人对形变观测仪器的映震能力进行了较深入研究[14-16]，尤其是对全国93套钻孔应变仪器记录到2011年日本9.0级地震造成的应变阶性质的研究和对川滇地区钻孔应变记录到的汶川8.0级地震和芦山7.0级地震的同震应变阶的分析研究，均表明应变观测有较强的映震能力。本文统计了五指山台两套倾斜仪2015年1月1日—2017年12月31日记录的全球地震共277条，发现五指山台两套地倾斜观测固体潮记录清晰，映震能力较强，对东南亚中强地震有较好的反应，对全球6级以上地震有较好的同震响应（图3）。

图3 五指山台DSQ水管倾斜仪（左） 、VP垂直摆（右） 同震响应对比图Fig. 3 Comparison of co-seismic response of DSQ water pipe inclinometer （left） and VP vertical pendulum （right） at Wuzhishan Station

水管倾斜仪记录的最小地震震级为3级，相应的震中距为892 km；所记录到的最远地震分别为2015年2月12日阿根廷6.7级地震和2015年3月23日智利北部地区6.1级地震，相应的震中距分别为19 410 km、19 891 km。记录到的5级左右最小震中距地震为2015年3月1日云南省临沧市5.5级地震，最远震中距地震为2015年2月18日所罗门群岛5.8级地震；VP垂直摆的频率响应范围较宽，记录到最小且震中距较近的地震为广东徐闻3.8级地震，震中距约192 km。

以水管仪与VP垂直摆同日的地震响应为例，2016年8月24日印尼ML5.9、缅甸ML6.9和意大利ML6.1记录到的3次地震，震中距分别为：2 625 km、1 574 km和9 119 km（图4）。

图4 2016年8月24日水管仪与VP垂直摆同震响应对比曲线Fig. 4 Comparison curves of co-seismic response between plumbing instrument and VP vertical pendulum on August 24，2016

两套倾斜仪器记录远震能力基本相当。VP垂直摆对近距离小震比较敏感，较近距离的爆破和塌方均能使之掉格，也可能与仪器的不稳定有关，可以认为是由仪器机械结构包括基墩由于振动使机械结构松动或错位引起的，与仪器的稳定性无关。

3 结语

本文从连续率、漂移量、潮汐参数和噪声水平对五指山台两套倾斜仪进行检验分析，认为连续率、漂移量、潮汐参数和噪声水平等资料质量指标均符合形变要求规范。自2014年3月试运行以来，五指山台经历了2015年防雷改造，2016年洞体改造，目前观测资料连续、可靠、有较强的映震能力。但是五指山台为无人值守台，仪器运行受到仪器维修周期长、仪器调修带来的相互干扰等因素的制约，在一定程度上影响数据质量。

通过以上分析，可以得出如下结论：

（1）通过分析认为，影响资料完整性的主要原因是停电、仪器故障和调零等因素。

（2）水管倾斜仪NS分量2016年比较稳定，但2017年年漂移量加大，持续缓速向南端倾斜，经两次现场核实，分析后认为，该现象为前兆异常。VP垂直摆NS分量基本持平，EW分量日漂移量均值为0.45×10-3″，VP垂直摆日漂移量的设计指标小于5×10-3″，符合设计要求。

（3）参考我国中东部地区20个台站EW测项半日波（M2）的潮汐因子γ值的均值约0.699±0.016，五指山台水管倾斜仪及VP垂直摆EW分量潮汐因子γ值的均值分别为0.830 4和0.750 2，可认为未受海潮影响。

（4）水管倾斜仪和VP垂直摆对不同震中距的地震记录存在较大差异： ① 当震中距较小时，水管仪无同震响应，VP垂直摆同震记录清晰； ② 当震中距＞6 000 km，两种仪器记录能力相当。