張紅秀，邰垣東，郭國祥，羅振東

（1.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西 臨汾 041000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025）

0 引言

準確識別前兆觀測資料中的異常圖像是進行地震分析預報的基礎，數字化資料觀測時間較短，對異常圖像的認識，尤其對震兆異常的判定尚處于摸索階段。地震前兆變化不同于同震與震后變化，其與地震震源的關系在時間上永遠有一定距離，相關性的判別會直接影響研究結果的科學性［1］。“十五”數字化儀器在日常觀測中常記錄到方波型異常圖像，其形態(tài)表現為記錄曲線的突然掉下（上跳）、低位（高位），記錄一段時間后，又突然回跳，且回到原值附近。如何準確分析該類圖像成因，對干擾異常識別及地震分析預測預報具有積極意義。

1 資料選取

“十五”數字化儀器于2005年至2007年陸續(xù)在山西各地震臺站完成安裝并運行至今，方波型異常圖像從記錄資料中選取，異常圖像所對應的地震事件從中國地震臺網中心（CENC）地震數據管理與服務系統(tǒng)中提取。

2 方波型圖像成因分析

2.1 儀器標定

為保證測量精度和檢驗儀器的穩(wěn)定性，根據觀測規(guī)范及各學科要求，需對觀測儀器進行定期標定，而標定是造成方波型圖像的原因之一。一種情況是儀器因標定而形成方波型圖像；另一種情況是在標定某一儀器時，對其他儀器產生干擾，而使其在標定時段記錄到同步方波型圖像（見圖1）。

2.2 儀器超量程

“十五”數字化儀器工作電壓范圍除水平擺為0～±4V外，其他儀器均為0～±2V，超出工作電壓范圍，儀器將處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，記錄到的數據視為無效數據。各儀器出現超量程的表現形式存在差異，水平擺超量程表現為測量數據為定值，而垂直擺超量程時則數據顯示為“0”，記錄曲線在超量程時段均為一直線，此時需做調零處理，使記錄曲線恢復正常，此過程會出現方波型圖像（見圖2）。

2.3 環(huán)境干擾

觀測環(huán)境及自然環(huán)境有時會對前兆觀測產生干擾。如，2010年5月15日，鎮(zhèn)川地震臺水位觀測因排水管堵塞，造成探頭外露形成臺階，在16日進行處理后恢復正常，期間形成類方波圖像干擾。2015年7月21日，臨汾臺擺式傾斜觀測資料由于測區(qū)出現雷雨冰雹而形成異常圖像（見圖3）。

2.4 高壓直流干擾

高壓直流干擾也是形成方波型異常圖像的原因之一，該干擾一般對電磁類觀測資料的影響比較明顯。太原基準地震臺M15儀器2013年6月2日垂直分量記錄資料受“寧夏—山東”高壓直流線干擾圖像如第11頁圖4所示。2013年12月23日，因受“哈密—鄭州”線高壓直流干擾，臨汾臺地電場長短極距觀測出現同步方波型異常干擾圖像（見圖5）。

2.5 人為干擾

2015年3月11日，對數字前兆儀器航空插頭進行拍照，對垂直擺觀測形成類方波型干擾（見圖6）。

2.6 同震響應

同震響應形態(tài)主要有：振蕩、下降同震階躍、上升同震階躍、單脈沖、先階躍再恢復等多種形態(tài)［2］，而對于先階躍后恢復類型的同震變化往往會形成類方波圖像（見圖7）。

圖1 臨汾地震臺垂直擺標定及受體應變標定干擾圖像Fig.1 Calibration of vertical pendulum tiltmeter and image interfered by calibration of body strain at Linfen Station

圖2 臨汾臺垂直擺、水平擺超量程異常圖像Fig.2 Outrange abnormal image of vertical pendulum tiltmeter and horizontal pendulum tiltmeter at Linfen Station

圖3 環(huán)境干擾異常圖像Fig.3 Abnormal image of environmental interference

2.7 震兆異常

曾有研究成果認為形變觀測中的類方波圖像與地震相關［3］。2005年10月8日巴基斯坦Ms7.8地震、2008年1月9日西藏改則Ms6.9地震及2008年2月20日蘇門答臘Ms7.7地震前，臨汾臺水平擺NS向觀測資料均有類似方波型圖像出現，并且EW向有大幅傾斜異?；蛎}沖突跳異常相對應（見圖8）。2008年5月12日汶川Ms8.0地震前，夏縣臺水位于同年2月6日突降2.60m后持續(xù)緩慢下降，直到3月21日回轉上升，當水位恢復到原下降年變斜率水平時異常結束，水位完成下降—上升—恢復全過程后發(fā)震，此次異常超前時間為3個月［4］（見圖9）。這幾次震前出現的異常均呈現出較好的短期及短臨特性，4次地震的基本參數及震前異常記錄如第11頁表1所示。

3 干擾方波的資料處理

正確識別和預處理干擾引起的資料異常變化，是保證資料連續(xù)可靠的重要一環(huán)［5］。針對不同原因形成的干擾方波，在資料預處理時應采取相應的方法，主要有以下幾種：

圖4 太原臺M15儀器垂直分量觀測曲線Fig.4 Observation curve of vertical component of M15at Taiyuan Station

圖5 臨汾臺地電場觀測異常圖像Fig.5 Abnormal image of geoelectric field observation at Linfen Station

圖6 2015年3月11日臨汾臺垂直擺觀測曲線Fig.6 Observation curve of vertical pendulum tiltmeter at Linfen Station on March 11，2015

圖7 同震響應圖Fig.7 Coseismic response

表1 4次地震基本參數Table 1 Basic parameters of 4earthquakes

（1）缺數處理。

對標定、超量程、人為干擾以及觀測環(huán)境干擾形成的干擾方波，由于期間記錄到的觀測數據為無效數據，在資料預處理時應根據中國地震前兆臺網數據處理軟件進行缺數處理，并在觀測日志中做相應說明。

（2）臺階處理。

對標定造成的其他觀測項目同步干擾、高壓直流干擾，因該類干擾只是因瞬時電壓或供電電流改變而形成的干擾，在資料預處理時對形成的突跳做臺階處理即可，能有效保證觀測資料的連續(xù)、完整。

（3）不處理。

對疑似震兆異常及同震響應形成的方波圖像，在資料預處理時不能進行處理，因該類圖像可能會攜帶震源區(qū)及震波傳播介質的地質構造信息，利于對震兆異常及震前前驅波變化特征的研究。對于自然環(huán)境及不明原因所致的方波圖像，建議不進行處理，便于在今后的工作中進行分析研究，但需在相應的日志中對異常時段及干擾排除情況做詳細記錄。

4 干擾方波的避免及觀測條件保障

正常情況下，對于震兆異常方波、同震方波、高壓直流擾動方波及標定形成的方波是無法避免的，但對于超量程、人為擾動方波應積極探尋和改善觀測環(huán)境條件，以盡可能避免人為方波的出現。

對于超量程方波，只要時刻關注儀器工作電壓，在臨近超量程時及時對儀器進行“調零”處理，就可避免。

圖8 臨汾臺水平擺震前異常記錄圖Fig.8 Abnormal records of horizontal pendulum tiltmeter before earthquakes at Linfen Station

圖9 夏縣臺水位震前異常記錄圖Fig.9 Abnormal records of water level before earthquakes at Xiaxian Station

對于人為方波，應從觀測條件保障入手。多年儀器運行維護及調試經驗認為，要避免人為方波的出現應做到以下幾點：

（1）要盡可能避免各儀器供電線間的相互干擾。臺站各觀測儀器主機基本都放置在同一機柜中，電源線、網線、信號線要整理有序，不能隨意堆放相互交叉，尤其是各儀器供電電源線，避免因對某一儀器進行檢查而對其他儀器產生干擾。

（2）要保障供電電壓的穩(wěn)定。在日常觀測中，電壓不穩(wěn)定是產生方波干擾的原因之一，建議有條件的臺站，可為各類儀器配備獨立的穩(wěn)壓裝置。

（3）要減少人為干擾。儀器正常工作期間，不應進入儀器工作室，如確需對儀器進行檢查、調節(jié)，要提前做好準備工作，避免多次往返，使觀測室溫度、氣壓產生大的波動，且盡量減少在儀器工作室的停留時間。

（4）定期巡檢。對觀測線路、觀測環(huán)境及各儀器連接線路要定期巡檢，發(fā)現問題及時處理，避免因接觸不良或儀器軟故障而產生方波擾動。

5 結語

通過分析認為，數字前兆觀測中的方波型圖像多數情況下為干擾或儀器軟故障所致，當外界干擾因素消失后，記錄恢復正常。由于當前數字化資料的應用尚處于摸索階段，對儀器記錄到的任何異常信息在未明確起因時，均不能主觀確定為非震兆異常?？偨Y臨汾臺數字化觀測資料，當水平擺NS向出現方波型異常圖像時，同時段內EW向觀測資料均有大幅度傾變或脈沖突跳相對應，認為與強震有一定的對應關系，且在震后短期內會恢復正常。今后，要注重對各類異常圖像成因的分析研究，排除干擾，找出震前信息，為地震預報提供依據。

［1］牛安福.地震短期、短臨預測面臨的“最后一分鐘”［J］.國際地震動態(tài)，2005，314（2）：29－31.

［2］楊成元，李哲，呂強，等.錦州臺體應變觀測資料階變分析［J］.地震地磁觀測與研究，2009，30（4）：67－71.

［3］陳德福，陳京，楊星.滇西永勝定點形變監(jiān)測到的多次重現的震兆異常［J］.大地測量與地球動力學，2008，28（3）：21－26.

［4］劉國俊，張文男，楊海祥，等.東郭井水位與水溫成組異常及其映震特征［J］.華北地震科學，2012，30（1）：22－28.

［5］張紅秀，郭國祥，郭林旺，等.數字洞體擺傾斜觀測常見干擾分析［J］.地震地磁觀測與研究，2012，33（5／6）：208－211.