張雪娟 王玥明 張國華 楊浩東 王鯤鵬

（中國陜西 725029 陜西省地震局安康地震監(jiān)測中心站）

0 引言

作為臺站形變監(jiān)測的主要儀器之一，鉆孔應(yīng)變儀一般被安裝在地下數(shù)十米甚至數(shù)百米深處，以便連續(xù)監(jiān)測觀測區(qū)域內(nèi)地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，其中體積式鉆孔應(yīng)變儀觀測精度高、穩(wěn)定性好，可清楚記錄固體潮汐和地震孕育過程中的地殼變形，為地震分析預(yù)報工作提供了大量可靠的形變資料（全建軍等，2016；孫藝玫等，2021）。目前，地震科研人員利用鉆孔應(yīng)變儀觀測資料開展了大量研究工作，集中在觀測資料質(zhì)量分析（毛華鋒等，2018；全建軍等，2021）、干擾異常識別（李杰等，2003；盧雙苓等，2010）、大震前異常分析（邱澤華等，2010，2015）、映震能力及同震響應(yīng)研究（方宏芳等，2010；于慶民等，2014；全建軍等，2021）等。

2007 年3 月，寧陜地震臺（下文簡稱寧陜臺）架設(shè)TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀（以下簡稱體應(yīng)變儀）開展形變觀測。截至2022 年，儀器運行狀態(tài)良好，積累了大量精確可靠的形變觀測資料。文中選取2016—2020 年寧陜臺體應(yīng)變觀測資料，就數(shù)據(jù)完整性、穩(wěn)定性及可靠性等對觀測質(zhì)量進行系統(tǒng)評估，基于地震記錄和同震形變響應(yīng)，分析該臺體應(yīng)變儀映震能力，以便更清楚地了解儀器運行狀況和地震監(jiān)測效能，為地震分析預(yù)報人員提供一定參考依據(jù)。

1 臺址概況

陜西寧陜臺地處秦巴腹地，位于寧陜縣城東北漁洞河村，海拔高度850 m。該臺始建于1977 年，1980 年投入觀測，觀測山洞洞體進深38 m，洞體覆蓋層厚25 m，植被良好，臺基巖性為印支期花崗巖，大面積出露，觀測環(huán)境良好。2007年初臺站觀測完成數(shù)字化改造，同年3 月架設(shè)TJ-Ⅱ型體應(yīng)變儀并運行至今，其觀測井深66.32 m，探頭深度15 m 左右。

2 觀測資料質(zhì)量評估

2.1 資料完整性分析

評估觀測資料完整性的主要參數(shù)為數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率。連續(xù)率是指一段時間內(nèi)儀器實際產(chǎn)出數(shù)據(jù)量占應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)量的比重，反映觀測儀器的運行狀況；完整率是指一段時間內(nèi)儀器產(chǎn)出的有用數(shù)據(jù)量占應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)量的比重，反映觀測數(shù)據(jù)的可用情況?，F(xiàn)收集2016—2020 年寧陜臺體應(yīng)變儀觀測資料，計算數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率（表1）。由表1 可知，該臺體應(yīng)變觀測每年數(shù)據(jù)連續(xù)率均大于99.50 %；除2016 年外，每年數(shù)據(jù)完整率均在99.30%以上。影響數(shù)據(jù)連續(xù)率的原因主要有主機故障、數(shù)采死機、傳感器故障及供電故障。其中，在統(tǒng)計時段內(nèi)，數(shù)采死機和主機故障出現(xiàn)3 次以上，值得注意的是，每年單次故障時長在10 h 以上的故障只有1—2 次（2017 年和2020 年每年1 次，其他3 年每年2 次）。2016 年該臺數(shù)據(jù)完整率過低，原因是9 月28 日—10 月6 日供電線路故障，觀測數(shù)值超儀器量程，導(dǎo)致儀器不斷自動開閥，觀測曲線多次出現(xiàn)超差現(xiàn)象，只能人為做缺數(shù)處理，10 月6 日更換供電線路后，儀器逐漸恢復(fù)正常。

表1 2016—2020 年觀測資料的連續(xù)率和完整率Table 1 The continuity and integrity of observation data from 2016 to 2020

綜合分析可知，寧陜臺體應(yīng)變觀測資料的連續(xù)率和完整率在2018—2020 年雖有逐年提升趨勢，但相較于2017年，未來仍有提升空間，尤其是數(shù)據(jù)完整率可提升空間較大。因此，應(yīng)進一步加強臺站儀器的巡查工作，重視數(shù)采和主機類故障的發(fā)現(xiàn)和解決，爭取做到對故障“早發(fā)現(xiàn)、快處理”，以便使該測項數(shù)據(jù)完整性得到進一步提升。

2.2 資料穩(wěn)定性、可靠性分析

為評估體應(yīng)變觀測資料的穩(wěn)定性及可靠性，使用年零漂、潮汐因子和相對噪聲水平3個指標進行分析。

2.2.1 年零漂。年零漂是用來衡量觀測儀器及墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運動大小的重要指標。觀測儀器的年零漂越小，表明觀測儀器與墩基耦合越好，觀測資料的準確性越高（全建軍等，2021）。采用日均值法計算年零漂，即用該年度12 月31 日日均值減去當(dāng)年1 月1 日日均值（盧雙苓等，2011）。2016—2020 年寧陜臺體應(yīng)變觀測資料年零漂見表2。由表2 可見，2017—2020 年體應(yīng)變觀測資料的年零漂約為2 400×10-9，每年零漂幅度較為穩(wěn)定且處于正向漂移狀態(tài)。2016年其年零漂值過大，絕對值近6 000×10-9，這是因為，2016 年9 月28 日—10 月6 日供電線路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致觀測曲線從正向漂移快速轉(zhuǎn)為負向漂移，直到12 月才逐漸恢復(fù)，開始緩慢正向漂移。

表2 2016—2020 年觀測資料的年零漂Table 2 Baseline drifts of observation data from 2016 to 2020

2.2.2 潮汐因子。體應(yīng)變儀能夠清晰記錄到固體潮汐變化，而潮汐因子是指各個潮汐波群的觀測振幅值與其理論振幅值之比，是反映固體潮汐變化的特征參數(shù)，其中月亮的主半日波M2的潮汐因子受到的干擾較小，精度較高，因此一般選用M2波潮汐因子精度來評定觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過調(diào)和分析，逐月計算寧陜臺體應(yīng)變儀2016—2020 年觀測資料M2波潮汐因子及相關(guān)指標參數(shù)，并求得相應(yīng)年均值（表3）。其中，潮汐因子的相對中誤差（內(nèi)精度）用于衡量固體潮數(shù)據(jù)的可靠性，相對中誤差數(shù)值越小，說明觀測資料越可靠（趙小賀等，2018）。

由表3 可知，寧陜臺體應(yīng)變觀測資料的潮汐因子（α）在2.382 8—2.527 3 范圍內(nèi)，相對中誤差（δα/α）在0.004 0—0.019 3 范圍內(nèi)，符合鉆孔應(yīng)變觀測的標準（δα/α≤0.05）（中國地震局，2014），表明該臺體應(yīng)變觀測資料的精度較高。

表3 2016—2020 年觀測資料調(diào)和分析結(jié)果Table 3 The results of harmonic analysis about observation data from 2016 to 2020

2.2.3 相對噪聲水平。相對噪聲水平M1是衡量儀器觀測資料長期穩(wěn)定性的一項定量指標，其數(shù)值越低，表明儀器提取的信號越真實（張紅秀等，2019）。相對噪聲水平計算方法分為日均值和五日均值2 種，其中五日均值相對噪聲水平是用契比雪夫多項式與1 年觀測資料的73 個五日均值作30 階擬合而成，是一種數(shù)學(xué)逼近擬合方法，具體公式為

其中，n=1，2，...，m；Tn（X）為契比雪夫多項式；X為五日均值；C0為常數(shù)；Cn為擬合系數(shù)，m為提取的五日均值總個數(shù)。

通過對寧陜臺體應(yīng)變儀2016—2020 年觀測資料進行處理，基于五日均值的計算結(jié)果見表4。由表4 可知，寧陜臺體應(yīng)變儀相對噪聲水平在0.001 0×10-9—0.027 2×10-9范圍內(nèi)。除2016 年外，其他4 年的相對噪聲水平基本在0.001 0×10-9左右，相對噪聲水平較低。

(2) 針對江蘇潮間帶風(fēng)機長期承載特性評價的結(jié)果表明，設(shè)計預(yù)應(yīng)力下錨桿基礎(chǔ)兩年內(nèi)的承載力均滿足相應(yīng)材料設(shè)計強度要求，且具有一定的安全裕度，能夠保證風(fēng)機安全運行，且錨桿基礎(chǔ)整體受力較為均勻，各部位應(yīng)力變化較平緩。評價結(jié)果與現(xiàn)場風(fēng)機實際狀態(tài)較為一致。

表4 2016—2020 年觀測資料的相對噪聲水平Table 4 Relative noise of observation data from 2016 to 2020

3 映震能力分析

3.1 地震記錄分析

地震臺站一般通過地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件對形變儀器記錄的各類事件（含地震事件）進行初步分析。據(jù)統(tǒng)計，2016—2020 年寧陜臺體應(yīng)變儀共記錄地震事件158 次，具體結(jié)果見表5，其中震級統(tǒng)一使用面波震級（MS）。體波震級的換算公式（于慶民等，2014）為

表5 2016—2020 年體應(yīng)變儀記錄地震事件統(tǒng)計Table 5 Statistics of seismic records of volume borehole strain meter from 2016 to 2020

在158 次地震事件中，最小地震為2018 年10 月11 日湖北宜昌市秭歸縣MS4.5 地震，最大地震為2017 年9 月8 日墨西哥沿岸近海MS8.6 地震，最遠地震為2016 年12 月25 日智利MS7.9 地震，其震中距達18 881 km。

分析發(fā)現(xiàn)，寧陜臺體應(yīng)變儀對小震記錄能力有限，對中強震記錄能力較強，可記錄到周邊鄰省MS≥5.0、國內(nèi)MS≥6.0 的大多數(shù)地震，而震級在MS4.0 左右的地震僅記錄2例。據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式目錄，2016—2020 年全球共發(fā)生7.0 ≤MS＜8.0 地震事件72 次，MS≥8.0 地震事件7 次。結(jié)合表5 可知，寧陜臺體應(yīng)變儀記錄的MS≥8.0 地震事件數(shù)與中國地震臺網(wǎng)正式目錄一致，但7.0 ≤MS＜8.0 地震事件僅50 次。經(jīng)統(tǒng)計分析，寧陜臺體應(yīng)變儀未記錄的MS7.0 以上地震基本為距離較遠（震中距10 000 km 以上）、震級相對較小（MS7.0—7.3）的中深源或近海型國外地震。綜上可知，寧陜臺體應(yīng)變儀可記錄到國內(nèi)MS≥7.0和國外MS≥7.4 的地震。

3.2 同震形變響應(yīng)分析

同震形變響應(yīng)是指地震發(fā)生后通過形變儀器觀測到的同震響應(yīng)。作為同震形變響應(yīng)分析的重要指標之一，同震響應(yīng)最大變幅是指地震發(fā)生時，形變儀器記錄的幅度最大值，是地震能量在監(jiān)測儀器中的直觀體現(xiàn)，也是計算震級的重要依據(jù)。同震響應(yīng)最大變幅一般與震級、震中距存在一定關(guān)聯(lián)。通過分析相同震級下最大變幅與震中距的關(guān)系和相同震中距下最大變幅與震級的關(guān)系，深入探討三者之間的關(guān)聯(lián)性。

3.2.1 相同震級下同震響應(yīng)最大變幅與震中距的關(guān)系。經(jīng)統(tǒng)計分析，同一震級下MS7.0 地震事件數(shù)較多，有13 個。剔除偏差較大的2 個MS7.0 震例，利用公式A=aeblgD（a，b為相關(guān)系數(shù)），擬合11 個MS7.0地震的最大變幅（A）與震中距（D）的關(guān)系，結(jié)果見圖1，可見二者基本符合負相關(guān)關(guān)系，即相同震級下震中距越大，同震響應(yīng)最大變幅越小。以震中距（9 252 km）較大的斐濟群島以南地震和震中距（3 544 km）較小的菲律賓棉蘭老島地震為例，驗證該負相關(guān)性是否成立。2 次地震同震響應(yīng)曲線見圖2，可知斐濟群島以南地震的最大幅度（8.35×10-9）較小，而菲律賓棉蘭老島地震的最大幅度（37.21×10-9）較大。

圖1 體應(yīng)變儀同震響應(yīng)最大變幅與震中距的對數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship diagram between the maximum amplitude of co-seismic response recorded by volume borehole strain meter and epicenter distance

圖2 斐濟群島地震和菲律賓地震的同震響應(yīng)曲線Fig.2 Co-seismic response curves of earthquakes in the Fiji Islands and the Philippines

3.2.2 相同震中距下同震響應(yīng)最大變幅與震級的關(guān)系。將同一地區(qū)的地震近似認為震中距相同，并分別選取發(fā)震頻率較高的菲律賓、日本、印度尼西亞3 國以及中國臺灣地區(qū)2016—2020 年的震例來擬合最大變幅與震級（MS）的關(guān)系（圖3）。

圖3 體應(yīng)變儀同震響應(yīng)最大變幅與震級的關(guān)系（a）菲律賓地區(qū)；（b）日本地區(qū)；（c）印度尼西亞地區(qū)；（d）中國臺灣地區(qū)Fig.3 Relationship diagram between the maximum amplitude of co-seismic response recorded by volume borehole strain meter and earthquake magnitude

圖4 日本2 個地震的同震響應(yīng)曲線Fig.4 Co-seismic response curves of the two earthquakes in Japan

此外，由圖3 可知，印度尼西亞周邊地區(qū)震例擬合效果較好（R2=0.815 8），菲律賓、日本2 國和中國臺灣地區(qū)的震例擬合效果稍差（R2分別為0.697 4、0.688 2 和0.608 6）。分析發(fā)現(xiàn)4 個地區(qū)的地震分布均較分散，即同一地區(qū)地震的震中距最大相差可達1 500 km，但印度尼西亞地區(qū)震例相對較多，地震事件達22 個；菲律賓、日本2 國和中國臺灣地區(qū)的震例則相對較少，地震事件數(shù)分別為14、12 和8 個。這表明相同震中距下同震響應(yīng)最大變幅與震級的擬合效果可能受地震分布及震例數(shù)量等因素影響。

4 結(jié)論

基于觀測質(zhì)量和映震能力，系統(tǒng)分析2016—2020年寧陜臺TJ-Ⅱ型體應(yīng)變儀觀測資料，獲得以下結(jié)論：

（1）利用年零漂、潮汐因子和相對噪聲水平等指標評估寧陜臺體應(yīng)變觀測資料，發(fā)現(xiàn)基本滿足學(xué)科規(guī)范要求，尤其是潮汐因子的相對中誤差（內(nèi)精度）指標遠超相關(guān)要求，表明觀測資料的穩(wěn)定性和可靠性整體較好，但連續(xù)率和完整率尚有待提升。

（2）寧陜臺體應(yīng)變儀對中強近震、強（巨）遠震的映震能力較強，可記錄到鄰省MS≥5.0、國內(nèi)MS≥6.0 的大多數(shù)地震以及國內(nèi)MS≥7.0 和國外MS≥7.4 地震。

（3）同震形變響應(yīng)分析表明，同震響應(yīng)最大變幅與震中距之間基本滿足A=aeblgD的關(guān)系，其擬合曲線和地震的同震響應(yīng)曲線均表明兩者間具有一定的負相關(guān)關(guān)系；同震響應(yīng)最大變幅與地震震級之間基本滿足A=aebM的關(guān)系，其擬合曲線和地震的同震響應(yīng)曲線均表明兩者間具有一定的正相關(guān)關(guān)系。此外，相同震中距下同震響應(yīng)最大變幅與震級的擬合效果可能受地震分布及震例數(shù)量等因素影響。