朱曉秋,王 琳,孫素梅,王 鵬,王寶鵬
(1.營口地震臺,遼寧 營口 115000;2.遼寧省地震局,遼寧 沈陽 110034)
地殼形變是地震構造活動中產(chǎn)生的可測地球物理場之一,固體潮汐是定點形變觀測中最主要的觀測和檢驗目標。遼寧省營口地震臺(以下簡稱營口臺)是國家定點地形變觀測基本臺站,目前有三套傾斜類儀器同步運行,分別是SQ-70模擬水平擺傾斜儀、SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀及DSQ數(shù)字水管傾斜儀。利用三套傾斜類儀器觀測歷史數(shù)據(jù),首先從資料可用性入手,對觀測數(shù)據(jù)的運行質量、儀器標定、儀器故障、干擾因素影響及遠震響應等方面進行梳理。以梳理結果為基礎,從潮汐參數(shù)、長趨勢等方面進行分析對比,利用科學方法識別和提取變化特征,查找一致性和區(qū)別,總結同一測點的三套傾斜類儀器觀測資料特征及異同關系,為遼寧及周邊地區(qū)震情跟蹤和研判提供科學依據(jù)。
營口臺位于大石橋市官屯鎮(zhèn)石硼峪村,距營口市30km,距大石橋市10km,距石硼峪村約1km,占有兩座小山,前山海拔高度是120m,坡度大約在45°左右,在前山海拔高度85m處挖掘山洞,后山海拔高度是135m,坡度大約是20°。在地質構造上屬于郯城-廬江斷裂帶的北延帶附近,出露基巖為晚侏羅紀粗?;◢弾r[1]。營口地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候,光照充足,雨量適中。年平均氣溫在8.5~11℃之間,1月平均氣溫-8.5~-1℃,七月平均氣溫24~25℃,年平均降水量650~700mm,無霜期165天。該地區(qū)出露的地層由西向東,由新變老,它們的次序是第四系,白堊系、侏羅系、震旦系、前震旦系。臺址附近出露的基巖就是晚侏羅世粗?;◢弾r。該地區(qū)最發(fā)育的斷裂是北東向斷裂,它們在該區(qū)由西向東依次是高升—張家屯斷裂,臺安—大洼斷裂,大灣—二界溝斷裂,佟二堡—營口斷裂,金州—鞍山斷裂,青山懷—八里斷裂。佟二堡—營口斷裂以西幾條斷裂是屬于郯城—廬江斷裂的北延。該區(qū)發(fā)育的另一組構造是北西西向構造帶,它們分別是虎皮峪背斜,三道嶺—周家堡子東西向擠壓帶,青花峪東西向斷裂帶,這組構造的特點是規(guī)模小,斷裂多是隱伏斷裂。
營口臺是綜合觀測臺站,測震及地球物理場觀測手段齊全。測震觀測主要有數(shù)字寬頻帶測震儀及2001年與韓國合作開展數(shù)字地震觀測工作;地球物理場觀測項目主要包括地傾斜、地應變、地磁場及地下流體等前兆手段。營口臺的前兆儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定,運行正常,記錄固體潮清楚,產(chǎn)出數(shù)據(jù)精度較高,能夠準確、科學、客觀地反映本地區(qū)監(jiān)測范疇內(nèi)的地殼形變情況。
營口臺現(xiàn)有的前兆觀測手段有地形變、應變、地磁、流體觀測等(圖1)。其中數(shù)字化儀器9臺套,分別是:SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀、DSQ數(shù)字水管傾斜儀、SSY數(shù)字伸縮應變儀、YRY-4數(shù)字鉆孔應變儀、FHD數(shù)字質子磁力儀、RZB-2數(shù)字鉆孔應變儀、WYY-1數(shù)字氣象綜合測量儀、SWY-II型數(shù)字式水位儀和SZW-1A型數(shù)字式溫度計;模擬記錄儀器1套為SQ-70水平擺傾斜儀。數(shù)字水位儀和數(shù)字溫度計目前在備用數(shù)據(jù)庫中試運行,未納入到正式數(shù)據(jù)庫。
圖1 營口地震臺觀測儀器分布圖Fig.1 Distribution map of observation instruments at Yingkou Seismic Station
本文研究的三套傾斜類儀器目前都處于較為穩(wěn)定的運行狀態(tài),其中SQ-70水平擺傾斜儀為模擬儀器,該儀器在1987年安裝調試,運行時間久遠,儀器工作穩(wěn)定,觀測資料可靠,并在1999年岫巖地震前的分析預報工作中起到了一定的作用?!笆濉逼陂g新增了2套數(shù)字化地傾斜類儀器,其中DSQ數(shù)字水管傾斜儀于2006年10月28號開始安裝,10月29號進行技術培訓、調試及標定,該儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定;SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀于2006年7月3日開始安裝,7月4日開始運行并接入數(shù)據(jù)庫,該儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定。
DSQ數(shù)字水管傾斜儀觀測基本原理是根據(jù)連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理(圖2)。當連通管兩端地基出現(xiàn)相對垂直位移時,兩端液面便會相對于儀器缽體發(fā)生變化,這種變化,通過浮子、位移傳感器等變成電信號輸出自動記錄[2]。
圖2 DSQ觀測基本原理圖Fig.2 Basic principle diagram of DSQ observation
式中Δh為傾斜變化引起的水面上升或下降的變化量,L為測線長度。采用前兆數(shù)采儀記錄情況如下:
η為儀器格值(〃/mv),n為電靈敏度(mv/μm),V(mv)為觀測數(shù)據(jù)。
DSQ數(shù)字水管傾斜儀優(yōu)點是系統(tǒng)穩(wěn)定性好,受環(huán)境干擾小,所以廣泛應用到地球動力學、大地傾斜、固體潮觀測、斷層形變等觀測中。缺點是對觀測場地要求較高、結構相對復雜、液體介質穩(wěn)定性較差等。
SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀是用于測量地球內(nèi)部運動引起地面水平向傾斜變化的一種高靈敏度儀器,當大地發(fā)生傾斜變化時,擺桿繞旋轉軸偏轉,通過電渦流傳感器把擺端的位移變成電信號輸出(圖3)。
圖3 水平擺傾斜儀觀測原理圖Fig.3 Observation principle diagram of horizontal pendulum inclinometer
式中ψ為地傾斜角,η為儀器格值,ΔH為脹盒運行高差,α為脹盒常數(shù),S為底角距離,V為觀測數(shù)據(jù)。該傾斜儀的優(yōu)點是靈敏度高,結構簡單,對場地條件要求相對較低,其缺點是穩(wěn)定性差,易受環(huán)境因素影響。
SQ-70模擬水平擺傾斜儀觀測原理和SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀一致,區(qū)別在于儀器擺端的位移采取光點記錄方式呈現(xiàn)在相紙上。
式中ψ為地傾斜角,δ為光點偏離基線的距離(量圖值),L為折合擺長,A為光桿距,T為自振周期。該傾斜儀的優(yōu)點是靈敏度高,結構簡單,對場地條件要求相對較低,其缺點是穩(wěn)定性差,易受環(huán)境因素影響。
營口臺觀測山洞成L型,引峒30米,進深90米,覆蓋厚度32米,年溫差不大于0.5℃。觀測洞室?guī)r石結構相同,其間無明顯斷層通過,儀器基墩均為完整的花崗巖,其四周設有防振槽。臺區(qū)內(nèi)無明顯干擾源,因距渤海較近,易受海洋潮汐的影響。三套地傾斜儀器安裝在同一山洞內(nèi),并且相距較近,背景環(huán)境相同,可視為同一測點(圖4)。
圖4 傾斜類儀器山洞架設圖Fig.4 The erection diagram of the inclined instrument cave
2.3.1 DSQ數(shù)字水管傾斜儀基本參數(shù)儀器基線長度:LEW=29.89m;LNS=29.84m;儀器方位角:λE=122.6°;φN=60.68°;αEW=91.7756°;αNS=0.51428°;
儀器水槽直徑:DE=166.78mm;DW=166.73mm;DN=165.68mm;DS=165.39mm;
儀器標定棒直徑:R=12mm。
2.3.2 SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀基本參數(shù)
標定器水銀脹盒系數(shù):αNS=0.511×10-6;αEW=0.535×10-6;
底座距離:SNS=329mm;SEW=329mm;ΔH=300mm;
固有傾角(標定值):ψNS=0.09611;ψEW=0.10062;
DWL位移傳感器靈敏度:NS間隙±3.5mm;h=4.96mv/μm;EW間隙±3.0mm;h=4.91mv/μm;
傳感器供電電壓:±15V;
選用格值范圍:ηNS=0.5×10-3/mV;ηEW=0.6×10-3/mV。
2.3.3 SQ-70模擬水平擺傾斜儀基本參數(shù)儀器格值特性常數(shù):KNS=3.5252;KEW=3.5687;儀器選用格值范圍:ηNS=1.79×10-3/mm;ηEW=2.91×10-3/mm;
儀器折合擺長:A=8.150m;
儀器方位角:αNS=-6°;
儀器自振周期:T=34s。
地傾斜觀測記錄的突出特點就是實現(xiàn)連續(xù)觀測,這種連續(xù)觀測對地震預報中短臨震兆信息的提取,地震學現(xiàn)象的研究,都是很重要的。因此,評定觀測資料的連續(xù)率、年變幅和年零漂是資料質量控制的主要指標之一。選取三套傾斜儀2010年至2019年觀測數(shù)據(jù),對連續(xù)率、年變幅和年零漂進行數(shù)據(jù)質量一般評定,統(tǒng)計結果見表1,其中連續(xù)率以預處理數(shù)據(jù)(報經(jīng)學科技術管理組備案的洞室、儀器改造等原因引起的缺記)為統(tǒng)計對象;年零漂采用日均值法計算,將年度12月31日的日均值減去當年1月1日數(shù)值,差值作為該年零漂值(有正、負之分);年變幅為全年整時值最大值與最小值的差值。
表1 觀測資料一般評定統(tǒng)計表
通過對數(shù)據(jù)質量進行一般評定,可以看出營口臺三套地傾斜儀器整體上連續(xù)率較高,兩套數(shù)字化儀器均值都在99.7%以上,明顯優(yōu)于模擬儀器,這也反映了數(shù)字化儀器工作穩(wěn)定性更好,在發(fā)生故障后也可以做到第一時間維修,有利于保證觀測資料連續(xù)可靠。SQ-70模擬水平擺傾斜儀在2011年和2017年數(shù)據(jù)連續(xù)率較低,主要因為儀器在該年份多次出現(xiàn)記錄器推動鐘卡鐘,儀器故障率較高造成數(shù)據(jù)缺測,并且故障不易在第一時間發(fā)現(xiàn),維修周期較長,影響了數(shù)據(jù)連續(xù)率。
地傾斜觀測資料的年變幅和年零漂可以記錄地殼本身的傾斜變化,也可用來衡量觀測儀器及其墩基的穩(wěn)定程度,如墩基穩(wěn)定且耦合較好則儀器零漂小,獲得的觀測數(shù)據(jù)精確性便高。
年變幅及年零漂,三套傾斜儀變化呈現(xiàn)不同的特點(圖5):
圖5 三套傾斜類儀器年變幅和年零漂曲線圖Fig.5 Curves of annual variation and annual zero drift of three sets of tilt instruments
(1)2010年至2012年,SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀北南分量年變幅均值達860ms,年零漂均值達-728ms,東西分量年變幅均值達668ms,年零漂均值達-507ms,表現(xiàn)出高值變化,其原因為2010年5月及11月儀器數(shù)采故障,更換新數(shù)采造成數(shù)據(jù)波動較大,之后儀器經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定后恢復正常工作狀態(tài);SQ-70模擬水平擺傾斜儀和DSQ數(shù)字水管傾斜儀北南分量年變幅均值分別為358ms、166ms,年零漂均值分別為154ms、136ms;東西分量年變幅均值分別為354ms、300ms,年零漂均值分別為-251ms、14ms,變化較為穩(wěn)定,DSQ水管儀優(yōu)于SQ-70模擬水平擺。
(2)2013年至2014年,SQ-70模擬水平擺傾斜儀、SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀和DSQ數(shù)字水管傾斜儀北南分量年變幅均值分別為360ms、229ms、240ms;年零漂均值分別為223ms、-105ms、12ms。東西分量年變幅均值分別為,249ms、310ms、158ms;年零漂均值分別為-83ms、-174ms、-48ms,變化較為穩(wěn)定,DSQ水管儀優(yōu)于SSQ水平擺優(yōu)于SQ-70水平擺。
(3)2015年開始,三套傾斜儀器北南分量年變幅及年零漂變化幅度再次出現(xiàn)高值變化,SQ-70變化最為明顯,2015年年變幅及年零漂分別為690ms和666ms,2016年年變幅及年零漂分別為1121ms和1054ms,明顯高于2009年至2014年359ms和188ms的均值,呈現(xiàn)明顯加速趨勢,2017年年變幅及年零漂分別為928ms和907ms,至2019年變化幅度逐漸變小,但仍高于均值水平。另兩套數(shù)字傾斜儀也表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律,2015年DSQ變幅度和年零漂分別為530ms和351ms,高于2009年至2014年203ms和74ms的均值;2015年SSQ年變幅度和年零漂分別為438ms和-358ms,高于2009年至2014年114ms和-53ms的均值。在此期間,三套傾斜儀器均運行正常,未出現(xiàn)故障或其他干擾因素,三套傾斜儀北南分量表現(xiàn)出較為一致的變化趨勢,SQ-70變化幅度遠大于其他兩套數(shù)字化傾斜儀。
(4)2015年開始,三套傾斜儀器東西分量年變幅和年零漂變化水平和往年均值相當,SQ-70水平擺優(yōu)于DSQ水管儀優(yōu)于SSQ水平擺,并未出現(xiàn)與北南分量同步的變化。DSQ數(shù)字水管傾斜儀東西分量在2017年年變幅及年零漂表現(xiàn)出高值變化,其原因為2017年5月,更換儀器東西分量前置放大盒。SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀東西分量在2018年年變幅及年零漂表現(xiàn)出高值變化,其原因為2018年6月開始數(shù)據(jù)曲線不定期出現(xiàn)短時間數(shù)據(jù)畸變,持續(xù)時間及畸變幅度也沒有規(guī)律性,2018年7月對儀器數(shù)采進行了維修,之后儀器恢復正常工作狀態(tài)。
校準指校對儀器使其準確。在規(guī)定條件下,為確定測量儀器或測量系統(tǒng)所指示的量值,或實物量值或參考物質所代表的量值,與對應的由標準所復現(xiàn)的量值之間關系的一組操作,是對儀器檢定和檢測。儀器校準是判定儀器是否正常運行的重要方法,在儀器觀測系統(tǒng)運行中,對保持量值的準確、可靠和統(tǒng)一具有非常重要的作用。
在形變觀測最新相關規(guī)范制度中,對傾斜類儀器年校準次數(shù)、格值誤差等做了調整。要求儀器格值校準一般每年不少于2次,間隔時間不大于195天,校準時段應控制在固體潮小潮期或波峰、波谷時段。前次校準的格值誤差小于2%;相鄰兩個月潮汐因子相差小于20%;校準過程中電壓讀數(shù)不得超過量程的90%;同分量格值校準重復精度≤l%;水管傾斜儀同分量兩端靈敏度的一致性應優(yōu)于(含)1%。校準完成后的5天內(nèi)應通過“傾斜應變臺站運行管理平臺”填寫并提交格值記錄信息。
營口臺三套地傾斜儀器均嚴格按照規(guī)范進行儀器校準工作,結果均符合要求。在實際工作中,標定過程中會出現(xiàn)一次標定不達標,不代表儀器出現(xiàn)故障,一般在進行2至3次標定即可達到要求。實際工作中還會遇到因儀器標定裝置故障、標定裝置齒輪卡殼等問題,導致標定持續(xù)時間較長,例如2015年DSQ標定(表2),2月4日儀器更換前置放大盒,2月5日對標定操作,第一次標定北南分量格值超差,東西分量標定結果符合要求。直到2月6日,對北南分量共進行了8次標定,才使其結果符合要求。2015年10月8日,在對DSQ進行標定時,發(fā)現(xiàn)儀器標定面板按鍵故障,參數(shù)輸入錯誤,無法進行標定操作,上報省地震局維修中心,10月14日對面板進行更換后進行標定操作,第一次標定格值校準重復精度遠遠偏離規(guī)范要求,第二次標定,其結果符合要求。
表2 2015年DSQ格值校準情況統(tǒng)計表
啟用新格值后,需要密切關注觀測曲線形態(tài),出現(xiàn)問題及時解決。格值標定可以保障觀測儀器正常、穩(wěn)定工作,產(chǎn)出符合要求的真實、連續(xù)、完整、可靠地觀測資料,為地震研究提供基礎數(shù)據(jù)。
經(jīng)過“十五”數(shù)字化改造和網(wǎng)絡項目建設,營口臺形變觀測新增了2套數(shù)字化地傾斜類儀器,分別是DSQ水管儀和SSQ水平擺,并保留了SQ-70模擬水平擺傾斜儀。數(shù)字傾斜類儀器優(yōu)點是記錄連續(xù)、采樣率高,傳輸快捷及時,雖故障率高于模擬儀器,但維修周期遠遠小于模擬儀器。數(shù)采故障是影響儀器運行的主要因素,而儀器主體的故障較少。
常見故障基本分為公共部分故障和個體故障。公共部分如臺站電源系統(tǒng)故障、網(wǎng)絡系統(tǒng)故障。電源系統(tǒng)故障主要是在市電停電后,切換UPS供電,當UPS電池老化或機頭故障時會造成儀器不能穩(wěn)定工作甚至斷電。網(wǎng)絡系統(tǒng)故障主要指服務器、交換機等出現(xiàn)故障,最為常見的是光貓死機。雷擊也是造成數(shù)字化儀器故障的主要原因,例如SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀2010年5月29日16時54分數(shù)采遭雷擊(圖6),2010年6月2日10時恢復正常工作。DSQ數(shù)字水管傾斜儀2010年11月11日9時數(shù)采網(wǎng)卡遭雷擊,12日10時更換數(shù)采網(wǎng)卡恢復正常工作。
圖6 SSQ預處理數(shù)據(jù)畸變曲線圖Fig.6 SSQpreprocessing data distortion curve
DSQ數(shù)字水管傾斜儀常見故障為數(shù)采故障和前置放大盒故障,2018年11月27日對儀器進行標定,數(shù)據(jù)不穩(wěn),無規(guī)律變化,標定結果不符合要求,疑似儀器數(shù)采標定控制部分故障,上報省局維修中心,11月28日更換數(shù)采和主機后恢復正常工作。2015年儀器數(shù)據(jù)噪聲明顯增大,2月4日14時對儀器前置放大盒進行檢修,拆除其前端避雷裝置數(shù)據(jù)仍不見好轉,5日8時更換前置放大盒后數(shù)采恢復正常工作。數(shù)字水平擺2015年7月3日數(shù)采遭雷擊,維修后數(shù)采基本可以正常工作,但會經(jīng)常出現(xiàn)短時間的故障情況,故障主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的突跳和小幅度的臺階,并且持續(xù)時間不長,不會對數(shù)據(jù)的變化趨勢性造成較大影響。我們對儀器進行了比較全面的檢查,并且和省局維修中心進行了報告,分析認為該儀器的數(shù)采和電源部分存在問題,之后對該儀器進行了必要的維護,但由于相關備件缺乏,很難從根本上解決問題。目前全國該型號水平擺在運行中都有同樣的問題存在。
SQ-70水平擺傾斜儀屬于模擬儀器,結構上相比較數(shù)字化儀器簡單很多,故障問題也比較單一,其主要原因就是儀器記錄滾筒推動鐘故障,光源燈和時號等故障偶有發(fā)生。2017年儀器因推動鐘故障全年累計斷記達590小時,嚴重影響數(shù)據(jù)完整率。近幾年,SQ-70模擬水平擺傾斜儀運行故障率較高,主要故障表現(xiàn)為記錄器推動鐘故障及光源燈故障,該儀器上下相紙周期為5天,對于出現(xiàn)的故障很難第一時間發(fā)現(xiàn),因此造成斷記較多。目前記錄器推動鐘的備用件已經(jīng)全部使用完畢,正在運行的推動鐘也處于故障狀態(tài),經(jīng)常不規(guī)律出現(xiàn)卡鐘問題,只能根據(jù)經(jīng)驗采取人為輕輕拍打或旋轉記錄滾筒的保守方法緩解卡鐘問題。
營口臺三套傾斜類觀測儀器日常運行中主要受自然環(huán)境干擾和人為干擾影響。
自然環(huán)境影響主要為氣壓影響、強降雨干擾及雷電天氣等,主要表現(xiàn)為同步的數(shù)據(jù)畸變,并在短時間能恢復正常變化,下面對幾種典型情況進行說明。
降雨干擾在地震形變前兆觀測中是比較典型且普遍的干擾現(xiàn)象,干擾主要表現(xiàn)為轉折性和短時間趨勢性加速變化,原因為山洞表面積滲水后,滲透至山洞內(nèi)儀器主墩及過渡帶附近,降低了巖石的抗壓強度和屈服力,導致巖石壓力和應變發(fā)生變化。每年7月至9月雨季,營口臺SQ-70模擬水平擺傾斜儀數(shù)據(jù)曲線都會發(fā)生加速變化。從圖7可以看出,儀器曲線加速變化非常明顯,每年進入雨季后,都會受降雨影響,數(shù)據(jù)曲線會出現(xiàn)一個明顯加速變化。
圖7 SQ-70整點值曲線和降雨曲線對比圖Fig.7 SQ-70 whole point value curve and rainfall curve comparison diagram
雷電干擾主要是數(shù)字化儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較靈敏,在受到較近的雷電干擾時會出現(xiàn)自動保護或雷擊的情況,數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為突跳點較多,個別事件會出現(xiàn)小幅臺階,比較容易識別和處理。2017年7月14日,SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀受雷電干擾影響,數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)尖峰及畸變;2018年7月6日,DSQ數(shù)字水管儀傾斜儀北南分量受雷電干擾影響,數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)尖峰及畸變,同一儀器的東西分量沒受到雷電干擾,數(shù)據(jù)曲線變化正常(圖8)。
圖8 SSQ和DSQ記錄雷電干擾數(shù)據(jù)曲線圖Fig.8 SSQ and DSQ record lightning interference data curve
氣壓干擾對營口臺前兆觀測資料影響比較容易識別,而且氣壓干擾影響范圍比較廣,特點是異常持續(xù)時間較短,觀測資料畸變形態(tài)與氣壓變化基本同步,待氣壓影響結束后數(shù)據(jù)曲線形態(tài)隨即恢復,一般不會出現(xiàn)長時間的趨勢性影響。
人為干擾事件主要包括檢修儀器、山洞進人干擾、調零及標定等多種情況。該干擾情況都可以找出準確因果對應關系,因此比較容易分析處理。營口臺日常工作中主要人為干擾事件為山洞進人對儀器進行維修、標定、校準及SQ-70模擬水平擺傾斜儀換紙。營口臺水管儀與伸縮儀放置于同一擺墩,因此對單個儀器進行維修、標定、校準等操作時,另外一臺儀器會受到比較明顯影響。該異常特征主要表現(xiàn)為錯誤數(shù)據(jù)及臺階變化,易識別處理。SQ-70模擬水平擺傾斜儀換紙周期為5天,每次工作人員出入山洞時。數(shù)字水管儀都會有數(shù)據(jù)突跳記錄,該異常特征明顯,時間點與山洞出入人員同步,數(shù)據(jù)表現(xiàn)為單點突跳,易識別處理。
傾斜類儀器記錄地震事件主要表現(xiàn)為儀器數(shù)據(jù)曲線的同震響應。營口臺數(shù)字水管儀與數(shù)字水平擺是記錄地震同震響應比較清晰的儀器,這種響應是以高頻振蕩衰減的形式疊加在所記錄的固體潮曲線上(圖9)。地震激發(fā)起的震蕩時間與震級成正比關系,震級越大,震蕩時間越長。對于同一個地震,一般數(shù)字水平擺的響應幅度大于數(shù)字水管儀,這與數(shù)字水平擺的阻尼較小有關系;對于同一臺儀器,響應幅度和震蕩時間與震級成正比關系。
圖9 SSQ和DSQ記錄地震曲線圖Fig.9 SSQ and DSQ recorded seismic curves
營口臺測點5數(shù)字水平擺傾斜儀SSQ北南和東西分量,2018年1月10日11時05分至15時05分記錄到1月10日10時51分洪都拉斯以北地區(qū)(83.50°W,17.38°N)7.5級地震,震源深度12公里,震中距13037公里。變化幅度NS=41.20ms,EW=346.94ms。
營口臺測點1水管傾斜儀DSQ北南和東西分量,2018年1月10日11時05分至14時40分記錄到1月10日10時51分洪都拉斯以北地區(qū)(83.50°W,17.38°N)7.5級地震,震源深度12公里,震中距13037公里。變化幅度NS=31.82ms,EW=59.49ms。
4.1.1 Venedikov調和分析方法
1966年,維尼狄可夫提出了基于計算機技術的數(shù)字濾波器,提取潮汐觀測中的分波信息,從而對固體潮資料進行調和分析,被稱為Venedikov調和分析方法。
其基本原理為設t時刻的觀測值是由不同周期的潮汐波疊加而成并隨時間的變化的量。
其中,t是自T時起算的以小時表示的時間;T是t為0的時間;y(t)是t時刻的觀測值;An是第n個潮波的觀測振幅;ωn是第n個潮波的角頻率;φn是第n個潮波的T時刻的初相位;D(t)是t時刻的儀器零漂。
對觀測序列進行數(shù)字濾波及回歸分析,得到主要潮波的觀測振幅An和相位φn,與相應的理論振幅之比是反映區(qū)域介質彈性性質的潮汐因子(γ,δ,α),與相應的理論相位之差則是反映介質粘滯性的相位滯后Δφ,即:潮汐因子=(觀測振幅An)/(理論振幅An);Δφ=(觀測相位φn)/(理論相位φn)。
4.1.2 計算結果及分析
使用中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和EIS200軟件[4],對三套傾斜儀2010至2019年觀測數(shù)據(jù)進行固體潮調和分析計算(表3)??紤]到半日波(M2)受干擾小,精度高,可靠性較好,故主要分析和研究了半日波的主要潮汐參數(shù)。
表3 主要潮汐參數(shù)統(tǒng)計表
據(jù)形變學科組對傾斜觀測資料觀測精度評定的要求,選取傾斜固體潮汐因子均方差mγ、相對噪聲水平Ml兩種指標作為判定傾斜類儀器觀測精度的標準。
(1)潮汐因子均方差mγ
從表3中我們發(fā)現(xiàn),SQ-70模擬水平擺傾斜儀2017年和2018年潮汐因子均方差mγ出現(xiàn)明顯高值,其主要因為該時間段儀器頻繁出現(xiàn)故障問題,我們根據(jù)儀器運行狀態(tài),考慮其數(shù)據(jù)誤差帶來的影響,對2017年和2018年潮汐因子均方差進行了人為地歸算。
圖10 潮汐因子均方差統(tǒng)計圖Fig.10 Mean square error statistics of tide factor
2011年SQ-70模擬水平擺傾斜儀潮汐因子均方差也出現(xiàn)了一個相對高值變化,其原因也是因為該年儀器出現(xiàn)故障問題。從儀器的數(shù)據(jù)完整率上我們也可以看出,2011年、2017年及2018年,儀器數(shù)據(jù)連續(xù)率分別是92.3%、91.8%和97.9%。而該儀器年均完整率可達到99.5%以上。三套傾斜類儀器的潮汐因子均方差年均值在0.010至0.018之間變化,其觀測資料精度達到小于0.02的優(yōu)秀標準,DSQ數(shù)字水管傾斜儀觀測精度優(yōu)于SSQ數(shù)字水平擺傾斜儀優(yōu)于SQ-70模擬水平擺傾斜儀。
(2)相對噪聲水平M1
使用2010至2019年觀測資料,計算三套儀器6個分量日均值、五日均值標準差及平均值,計算結果列于下表。由表4可見,從三套傾斜類儀器的相對噪聲水平M1年均值看,其觀測資料精度都可達到小于0.02″的優(yōu)秀標準,用日均值與五日均值計算的標準差結果相差一個數(shù)量級,日均值好于五日均值。相同儀器兩分量比較(圖11),SQ-70東西分量優(yōu)于北南分量;SSQ北南分量優(yōu)于東西分量;DSQ北南分量優(yōu)于東西分量。不同儀器相同分量對比,DSQ北南優(yōu)于SSQ北南優(yōu)于SQ-70北南;SSQ東西優(yōu)于SQ-70東西優(yōu)于DSQ東西。
圖11 三套傾斜類儀器噪聲水平統(tǒng)計圖Fig.11 Noise level statistics of three sets of tilt instruments
表4 噪聲水平統(tǒng)計表
(3)潮汐因子及相位滯后
固體潮是由日、月和近地行星對地球的引力變化導致的地球內(nèi)部和表面的周期性形變。潮汐因子是同一時刻固體潮觀測值與理論值之比,無震情況下反映觀測數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。采用整點值數(shù)據(jù),使用中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),計算M2波潮汐因子和相位滯后(表3)。對于M2波潮汐因子,三套儀器變化都非常穩(wěn)定,相同儀器兩分量比較,北南分量明顯好于東西分量。不同儀器相同分量比較,DSQ北南潮汐因子均值0.663566,最接近于理論值,SQ-70北南潮汐因子均值0.449934和SSQ北南潮汐因子均值0.417713比較接近;SQ-70東西潮汐因子均值1.319589與SSQ東西潮汐因子均值1.289313及DSQ東西潮汐因子均值1.302539較為接近。東西分量潮汐因子較大,和臺站西面靠近海岸線有很大關系。對于M2波相位滯后,三套儀器變化都非常穩(wěn)定,相同儀器兩分量比較,北南分量明顯大于東西分量。不同儀器相同分量比較,DSQ北南相位滯后均值在47°大于SSQ的均值35°大于SQ-70均值27°;三套儀器東西相位滯后均值基本都在均值-15°左右變化,較為一致。
圖12 三套傾斜類儀器潮汐因子和相位滯后統(tǒng)計圖Fig.12 The tidal factor and phase lag statistics of three sets of tilt instruments
選取2010至2019年整點值數(shù)據(jù),對比分析三套儀器兩分量整點值曲線圖(圖13),北南分量變化趨勢區(qū)別較大,東西分量基本一致。為了方便對比,我們以SQ-70為數(shù)據(jù)曲線為基準,分別與兩套數(shù)字化傾斜儀進行對比。
圖13 三套傾斜類儀器2010—2019年原始記錄曲線整點值對比圖Fig.13 Comparison of the integral point values of the original record curves of three sets of tilt instruments from 2010 to 2019
通過對比SQ-70和SSQ整點值數(shù)據(jù)曲線,我們可以看出,兩套儀器北南分量趨勢變化呈明顯的反向變化趨勢,既SQ-70北傾變化,SSQ南傾變化;東西分量都為西傾變化,趨勢變化一致。兩套儀器都表現(xiàn)出一定的年變規(guī)律,但在長趨勢對比下并不明顯。
通過對比SQ-70和DSQ整點值數(shù)據(jù)曲線,我們可以看出,兩分量變化基本一致,即北南分量北傾趨勢變化,東西分量西傾趨勢變化。從年變規(guī)律上看,SQ-70模擬水平擺傾斜儀較清晰,DSQ數(shù)字水管傾斜儀年變規(guī)律不十分明顯,這和其故障維修情況較多有一定關系。
形變儀器趨勢性傾向變化有可能是儀器本身的零漂及受山洞內(nèi)氣溫、氣壓的影響,觀測墩基的逐漸穩(wěn)定過程,同時也應該記錄著監(jiān)測范圍內(nèi)地殼本身的傾斜變化。營口臺SQ-70模擬水平擺傾斜儀2013年9月開始,數(shù)據(jù)北南分量打破年變規(guī)律,年變幅度增大,北傾加速異常。如此明顯可是地傾斜異常信息為什么數(shù)與字傾斜儀記錄不同步?安裝在同一測點的SQ-70和SSQ為什么北南分量傾向會不一致?
圖14 2010—2019年SQ-70、SSQ、DSQ整點值曲線對比圖Fig.14 Comparison chart of the whole point value curve of SQ-70,SSQ,DSQfrom 2010 to 2019
我們隨機選取了2019年12月11日至12月15日,大潮時間段的三套傾斜儀整點值數(shù)據(jù),將三套傾斜儀北南分量5日固體潮曲線進行對比,發(fā)現(xiàn)SQ-70和DSQ固體潮周期變化較為一致,但SSQ與其固體潮形態(tài)不一致。
圖15 2019年12月11日至15日SQ-70、SSQ、DSQ北南分量整點值曲線Fig.15 Hourly value curve of SQ-70,SSQ,DSQ North-South component from December 11 to 15,2019
通過SSQ和SQ-70兩套儀器北南分量2019年觀測數(shù)據(jù)整點值相關性計算,得到北南分量的相關系數(shù)均值為-0.94,負相關明顯。是什么原因造成的?是儀器傳感器不同還是儀器數(shù)采原因造成的呢?
圖16 2019年SQ-70、SSQ NS分量整點值曲線和相關系數(shù)曲線Fig.16 SQ-70,SSQ 2019 NScomponent integral point value curve and correlation coefficient curve
降雨對定點形變觀測的影響是常見的,尤其是持續(xù)性強降雨對山洞周圍產(chǎn)生瞬時應力變化和累積降雨量荷載,對地傾斜觀測造成短時間內(nèi)的趨勢性變化。理論上持續(xù)性強降雨對地傾斜儀器的影響具有時間上同步,階變方向一致且幅度相當?shù)奶攸c。
圖17 2018年SQ-70、SSQ北南分量整點值和降雨量曲線Fig.17 The whole point value and rainfall curve of SQ-70 and SSQnorth-south component in 2018
2018年8月14日營口臺臺區(qū)內(nèi)發(fā)生強降雨,降雨量達122.2mm,8月20日再次降雨,降雨量達48.3mm,連續(xù)降雨對山洞內(nèi)傾斜儀器造成明顯影響,SQ-70和SSQ受兩次強降雨影響,記錄曲線發(fā)生階變,在時間上同步;SQ-70階變幅度為425ms,SSQ階變幅度為-169ms,SQ-70階變幅度為SSQ的2.5倍;階變方向不一致,SSQ為向下變化,SQ-70為向上變化,數(shù)據(jù)恢復時間在一周左右。
SSQ儀器運行穩(wěn)定,故障問題較少,和另兩套傾斜儀長期趨勢和短期固體潮變化成明顯的反向規(guī)律,這應該是儀器數(shù)據(jù)在產(chǎn)生過程中造成的。我們對儀器的擺體部分、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)采工作狀態(tài)進行了檢查,同時查看了儀器安裝報告和安裝指南。
圖18 SSQ擺體(a),接線盒(b),數(shù)采端(c)Fig.18 SSQ pendulum body(a),junction box(b),data acquisition terminal(c)
儀器擺體安裝在墩基上,安裝方位準確,擺體上的數(shù)據(jù)線通過接線盒連接至數(shù)采端,接線盒上有明顯的SN,EW標識,數(shù)采端接收的數(shù)據(jù)分別為SN向和EW向。也就是說,SSQ兩分量數(shù)據(jù)的實際輸出值,不應是我們常規(guī)理解的北南分量和東西分量,實際應為南北分量和東西分量,體現(xiàn)在數(shù)據(jù)曲線圖上應為指上為南/東,指下為北/西。
對于上述情況,我們也咨詢了學科組和儀器維護方面的專家,得到了兩點認識:儀器在設計時,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄都是一種相對變化量,因此向上為北或南都是相對的;儀器在安裝初期,由于標準不完全統(tǒng)一,有可能造成擺系輸出時方向不同。所以在使用營口臺SSQ數(shù)據(jù)進行對比分析時,要將數(shù)據(jù)曲線反轉為上北方向。
通過SSQ和SQ-70,2010年至2019年整點值數(shù)據(jù)同向對比(圖19),可以看出隨季節(jié)變化的年周期動態(tài),有明顯的同步峰谷變化;線性的趨勢動態(tài)也比較一致,都表現(xiàn)出一定速率的北傾變化。
圖19 2010年至2019年SQ-70和SSQ(反向坐標)整點值曲線Fig.19 The whole point value curve of SQ-70 and SSQ(reverse coordinate)from 2010 to 2019
圖20 SQ-70和SSQ 2016年兩分量整點值曲線圖Fig.20 The two-component integral point value curve of SQ-70 and SSQ in 2016
我們選取SQ-70和SSQ運行穩(wěn)定、無維修故障記錄的2016年整點值數(shù)據(jù)曲線做對比分析,可以看出,兩套儀器北南和東西分量數(shù)據(jù)曲線趨勢有較好的一致性,北南分量每年1月至4月平緩北傾變化,5月份開始同步加速北傾變化,進入9月份曲線變化開始轉南傾。東西分量每年1月至4月西傾變化,5月份開始轉向東傾平緩變化。年變幅度和年零漂SQ-70大于SSQ。
圖21 SQ-70和DSQ 2013年兩分量整點值曲線圖Fig.21 The two-component integral point value curve of SQ-70 and DSQ in 2013
同樣,我們選取SQ-70模擬水平擺傾斜儀和DSQ數(shù)字水管傾斜儀運行穩(wěn)定,無維修故障記錄的2013年整點值數(shù)據(jù)曲線做對比分析,可以看出,兩套儀器東西分量有較好的一致性,每年1月至10月平緩西傾變化,11月份開始平緩轉為東傾變化;北南分量變化有一定的差異,兩套儀器趨勢走向一致,都表現(xiàn)出了明顯的年變周期特征。年變幅度和年飄零SQ-70大于DSQ。
對比分析表明,營口臺三套傾斜儀連續(xù)率均值高于99.5%。固體潮汐因子均方差mγ不大于0.02,相對噪聲水平Ml不大于0.02″,達到形變臺I類標準。
(1)儀器性能對比:三套儀器M2波潮汐因子變化都非常穩(wěn)定,相同儀器兩分量比較,北南分量明顯好于東西分量。不同儀器相同分量比較,DSQ北南潮汐因子均值0.663566,最接近于理論值,東西分量潮汐因子較大,和臺站西面靠近海岸線有很大關系;三套傾斜儀的年變幅和年零漂趨勢變化較為一致,SQ-70年變幅和年零漂最大,其次為SSQ,DSQ最??;儀器校準,故障、干擾和同震方面由于儀器性能的差異,造成變化特點不同。綜合精度和穩(wěn)定性方面,DSQ最好,SSQ次之,SQ-70最低。
(2)儀器趨勢對比:通過地傾斜的趨勢分析及表明,三套儀器的觀測結果是基本一致的,都表現(xiàn)出了隨季節(jié)變化的年周期動態(tài),有明顯的同步峰谷變化,北南分量都表現(xiàn)出一定速率的北傾變化,東西分量表現(xiàn)出一定速率的西傾變化。SSQ和SQ-70線性的趨勢比較一致,DSQ東西分量趨勢變化一致性較差,和其故障維修情況較多有一定關系,綜合認為三套傾斜儀都能夠較好地反映監(jiān)測區(qū)域大地傾斜的變化特征。
(3)隨著臺站改革工作的推進,地震臺在保證產(chǎn)出及時準確可靠的觀測資料這個核心任務的同時,科研工作的地位日益凸顯,但工作人員有時往往局限于數(shù)據(jù)應用方面的研究,和老一輩地震工作者相比,我們對于儀器的安裝過程、工作原理和故障的排查維修方面的能力差距較大,這是在以后的工作中急需要提高的一個重要方面。