马陵山站硐室改造前后VS型垂直摆倾斜仪数据质量分析

赵小贺 公续升 王西宝 程树岐 杨永生

[摘要]  利用潮汐分析法，分析和评价了马陵山站VS型垂直摆倾斜仪硐室改造前后数据质量的变化情况，结果表明：①历年数据观测精度m_γ均小于0.02，仪器搬迁至改造后硐室又有显著提升，数据质量优于搬迁前，超越全国形变优秀台的标准；②搬迁后仪器观测噪声水平M_l始终在0.005″左右，稳定性更好；③校正后发现搬迁前仪器安装方位角存在较大偏差，影响M₂波相位滞后。硐室环境优化改造是有效改善观测数据精度，提高数据质量的重要保证。

[关键词] 硐室改造; 垂直摆; 数据质量; 对比分析

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-189

0  引言

地壳形变观测包括GPS、大地水准、断层形变和地倾斜等观测，旨在测定地壳表面点位之间相对位置的变化，以及反映地壳岩石物性变化的潮汐因子（γ，δ，α）、相位滞后等，以获取地壳形变的信息。除应用于地震预测预报研究外，还可为地球物理学、地球动力学、天文学等相关学科提供服务^[1]。形变数据质量的好坏直接制约着地震分析预报的实效性，对仪器资料质量情况的分析已经取得了许多研究成果^[2-4]。所以，有必要对台站形变观测资料的质量和稳定性进行分析和评价，为今后台站资料使用和异常判定提供科学参考依据。本文主要通过计算形变观测数据的固体潮潮汐参数，分析马陵山站VS垂直摆倾斜仪硐室环境改造前后数据资料的质量变化情况，探讨新观测室（墩）建设方法对仪器观测资料质量的影响，为其他台站地震观测室（墩）的建设提供参考。

1  台站观测条件

马陵山监测站位于山东境内沂沭断裂带南段，观测区跨安丘—莒县断裂，台基为破碎白垩系红色砂岩，1668年7月25日在距离台站以北18 km处发生过8.5级郯城大地震。台站位于马陵山主峰西坡一侧，周围是农田、山地，无大型厂矿企业，远离居民点，背景噪声低，观测环境优良。

台站使用战备坑道作为形变观测硐室，坑道整体为混凝土结构，硐内年均温度为16.5℃，年温差小于0.03℃。硐室内现有DSQ型水管仪、SSQ-2型水平摆、DZW型重力仪等形变类仪器。2006年5月硐室安装一台VS型垂直摆倾斜仪（以下简称垂直摆），观测室在洞深260 m处，顶部覆盖层约30 m。2015年5月进行了硐室改造，建设新观测室（观测墩）。2017年4月垂直摆搬迁至新观测室，新观测室在洞深440 m处，顶部覆盖层达60 m。新改造硐室恒温恒湿环境有了较大改善，垂直摆仪器运行正常，至今马陵山站已积累了10多年垂直摆观测资料。垂直摆在硐室内安装位置如图1所示。硐室改造前后垂直摆安装的主要参数见表1。

2  硐室改造

2015年5月台站对形变观测硐室进行了优化改造，在山洞深处新建垂直摆观测硐室和仪器墩，观测硐室内面积13 m²，仪器墩长×宽×高为2.8 m×1.2 m×0.5 m。首先，对硐室内地面进行凿挖，露出完整基岩，在基岩墩面范围钻若干个孔，孔深0.5 m左右，孔内植入Ф20螺纹钢，用锚固剂填缝，钢筋间距为20 cm，Ф20螺纹钢作为仪器墩面范围内四角的支撑钢筋；然后，用Ф8螺纹钢架放在观测墩四周、底部和上顶面，捆扎成钢筋笼，钢筋笼距仪器墩外側为10 cm；最后，在钢筋笼外加装模板，使用C40混凝土均匀一次性浇筑，在放入混凝土时，使用振动棒对浇筑混凝土进行均匀振动。仪器墩浇注完工后对墩面用水泥抹面细磨平整，在距离仪器墩四周20 cm处建砌砖结构隔振槽，在隔振槽内回填黄沙，降低振动干扰。对于室内地面，使用水泥砂浆来找平，地面越平齐防水防潮效果会越好，水泥砂浆干燥后，清扫干净，避免地面有尘土、砂粒等；然后按比例取料配比调配防水涂料，使用专用搅拌器将防水涂料搅拌均匀，不能有团粒。地面涂抹防水层，一般要分层涂抹，涂抹每一层时要保持均匀，力求每一处都到位，避免有局部沉积物，遇到不好涂抹的边边角角一定要小心仔细，务必涂抹好、涂抹均匀，涂料与地层间应无气泡，保证粘结密实。第一层涂抹后要等完全干固不粘时，再开始涂抹第二层、第三层。最后用水泥砂浆做保护层，上面再铺设地板砖等。

由于马陵山站观测硐室是早期的战备坑道，坑道及各硐室墙壁防水防潮基本完好，只有个别地方出现地下水渗漏，需要对墙体进行清洁和修补，去除表面的污垢和松散物质，保证防水材料能够牢固地附着在墙体上；在墙面裂缝处注入防水材料进行堵漏防护处理，如聚氨酯等，坑道内墙面涂刷专用的基层涂料，保证洞内整体性良好，提高墙壁密封性和抗渗透性；最后，涂刷防水涂料，选择柔韧性好、抗压能力好的弹性防水涂料，以应对可能的地基沉降和洞内墙体微小的位移变化。硐室门采用双层玻璃塑钢密封门，硐室内隔离成内外两个房间，中间用保温板隔开，分别放置摆体和主机；通道上再加装两道密封门，降低空气的流动性；仪器钵体加装保温罩，保温罩和仪器墩面接触处用玻璃胶密封，对摆体进行多次防潮恒温处理。经改造后，新硐室内的温湿度恒定环境优于原硐室。

3  仪器搬迁前后数据质量分析

3.1  固体潮记录对比分析

固体潮观测的意义是计算实测固体潮相对理论固体潮的偏离数值。通过长期、连续观测获得固体潮随时间变化的信息，进而研究地球内部物质的变化状态及机理。垂直摆记录日分钟值曲线是观测地壳一天内所产生的形变量，反映了地壳一天的变化，以垂直摆2015年11月26—28日和2019年6月2—4日两个不同时段观测数据为例（图2），对整点值数据进行分析处理，去除受地震或其他人为干扰影响的数据，运用EIS2000软件的地倾斜固体潮理论值计算方法计算观测数据的固体潮值，将观测值和理论值进行对比。从图2中可以看出，无论是仪器搬迁前还是搬迁后，固体潮观测曲线光滑，清晰记录到半日波、日波固体潮汐，变化趋势和理论固体潮一致，相位一致，振幅相当。经相关计算，搬迁前NS向和EW向相关系数达到0.92以上；搬迁后NS向达到0.95，EW向甚至达0.98以上，仪器产出的数据真实可信。

3.2  调和函数分析

对马陵山站垂直摆2014—2021年观测数据整点值进行分析处理，参照观测日志逐年统计分析，计算仪器各分量整点值数据，应用Venedikow调和分析法按月对倾斜潮汐观测资料整点值进行调和分析，计算仪器各分量的M₂波潮汐因子γ、潮汐因子中误差err、潮汐相位滞后△φ等（图3）。

对计算数据潮汐参数稳定性进行对比分析，可看出：

（1）半日主波M₂波潮汐因子γ值EW向搬迁前后变化不大，均在0.8左右，NS向搬迁前潮汐因子γ值较为分散，最高达1.7，最低为0.7，潮汐因子保持在1.3～1.4之间；理论上潮汐因子接近于1，而在实际观测中，潮汐因子观测值大小与台站所处地形、地貌、浅部构造与深部构造等客观环境有关^[5]，也与观测仪器的类型有关，即与仪器的频率响应有关^[6]。仪器搬迁后NS向潮汐因子均大于理论值，EW向潮汐因子搬迁前后变化不大，均小于理论值；从潮汐因子稳定性来看，EW向的潮汐因子搬迁前后变化不大，波动性不明显，而NS向搬迁后明显变好，波动较小，趋于较稳定。

（2）从潮汐因子中误差来看，仪器搬迁前NS向中误差在0.0999～0.0043之间，EW向在0.024 9～0.0028之间，且每月变化较大，数据分散，非常不稳定；仪器搬迁后变化非常明显，NS向一直保持在0.006左右，变化极为稳定，EW向略差，但明显强于搬迁前。

（3）M₂波相位滞后△φ值，NS向搬迁前在25°左右，变化不稳定，搬迁后降为18°左右，数据变化平稳；EW向由搬迁前的23°左右降为13°左右，搬迁后同样优于搬迁前，但搬迁后EW向不如NS向稳定，使得相位滞后偏差过大，这可能与仪器安装方位角修正后有关。

3.3  潮汐因子均方差m_γ和噪声水平M₁

根据《地倾斜观测资料质量评比评分细则（2015年修订）》中有关指标要求，M₂波潮汐因子均方差m_γ是衡量地倾斜观测资料精度的一项重要指标。观测精度跟场地环境、仪器最初架设情况、安装点的地理位置、地质构造、观测系统和干扰因素等均密切相关。从图4也可看出，仪器搬迁后观测精度有很大提高，且变化稳定，尤其是NS向，精度提高很大。M₂波潮汐因子均方差m_γ的年均值2019年最小可达0.0042，远低于优秀台站指标0.02（表2）。2019—2020年，马陵山站垂直摆观测质量评比进入全国前3名，硐室（墩）的成功建设是精度提高的主要原因，且马陵山站是位于郯庐大断裂破碎带上，这为全国精度较低的台站优化改造提供了某些借鉴。

长周期拟合相对噪声水平M₁是表征观测值长期稳定性的一项定量化指标。从表2中可看出，马陵山站垂直摆相对噪声水平M₁年均值小于優秀台站指标0.02″，2018—2021年仪器搬迁后噪声始终在0.005″左右，仪器稳定性较好。

3.4  映震情况分析

地震对倾斜观测造成很大的影响，同一次地震，对不同的观测仪器的影响度是不同的。通过长期观测发现，由于仪器固有周期及响应频率的差异，台站周边小震，对垂直摆的影响最大，硐室改造仪器搬迁后，垂直摆对小震反映总体变化不大，但仪器灵敏不变，表现为日分钟值曲线有1～2 min的台阶波，尤其是NS向，往往出现仪器超量程，而硐室内水平摆与水管仪数据没有影响。如图5所示，2016年1月8日发生在山东临沂临沭县M3.1地震反映图，震源深度9 km，距台站仅30 km。统计近几年观测资料发现：距台站600 km范围内发生的3～4级左右的地震，垂直摆能感应到，其他设备无反映。图6所示2023年8年6日山东平原发生M5.5地震台站3套倾斜仪的影响曲线，从图上可看出，垂直摆的反映灵敏度高于水平摆与水管仪。统计还发现：对于M7.0以上的国内外远震，台站形变仪器均有反映，且影响幅度垂直摆要大于其他仪器^[7]。

4  结论

（1）仪器搬迁改造后硐室实测固体潮与和理论固体潮趋势一致，振幅相当，搬迁前两个分量相关系数为0.92，迁至新硐室后NS分量达0.95，EW分量达0.98以上，产出的数据真实可信。

（2）从潮汐因子稳定性分析结果看，垂直摆M₂波潮汐因子γ值EW分量较搬迁前变化不大，波动不明显；而NS分量搬迁后有明显改善，波动较小，数据稳定性好。

（3）垂直摆M₂波相位滞后△φ值搬迁后，NS向偏18°左右，EW向偏13°左右，致使相位滞后△φ值偏差太大，可能与仪器搬迁安装方位角偏差校正有关。

（4）垂直摆相对噪声水平M₁值远低于优秀台站考核指标0.02″，仪器搬迁新硐室后，2018—2021年噪声水平总体在0.005″左右，稳定性较好。

（5）仪器搬入新硐室数据精度m_γ有很大改善，外界温湿度季节性变化对观测墩稳定性产生影响不明显，说明增加硐室覆盖层厚度，改善硐室防潮保温条件是提升数据内在质量的重要因素。

（6）仪器搬入新硐室，垂直摆对地震反映灵敏有一定提升，距台站600 km范围内3～4级左右地震，垂直摆能有反映，而硐室其他形变仪器反映不灵敏。

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Analysis of observation quality changes before and after the renovation of cavern with vertical pendulum

Zhao Xiaohe^{1， 2， 3， *}， Gong Xusheng^{1， 2， 3}， Wang Xibao^{1， 2， 3}， Cheng Shuqi^{1， 2， 3}， Yang Yongsheng^{1， 2， 3}

1. Linyi Seismic Monitoring Center Station of Shandong Earthquake Agency， Shandong Linyi 276000， China

2. National Seismic Instrument Comparison Base （Shandong）， Shandong Tancheng 276100， China

3. Field Scientific Observation and Research Station of Low-rate Compression and Thrust Structure in TanchengShandong， Shandong Tancheng 276100， China

[Abstract]  The tide analysis method was used to analyze and assess changes in the quality of the observed data before and after the renovation of cavern with vertical pendulum tiltmeter in Malingshan seismic station. The results show that： ① The observation accuracy （m_γ） of every year all is less than 0.02， it has a markable improvement after the instruments relocation， which is better than before， surpassing the standard of excellent deformation stations of the whole country. ② After the relocation， the noise level （M₁） is always around 0.005″， and the stability is better. ③ After correction， it is found that there is a large deviation in the installation azimuth of the instrument before relocation， which affects the phase lag of M₂wave. Optimization of chamber environment is beneficial to improve the accuracy of observation data， and it provides a guarantee for the observation equipment to produce high-quality observation data.

[Keywords] the renovation of cavern; vertical pendulum; observation quality; comparative analysis