孫壽安,辛建村,曹沖

(陜西省地震局,陜西 西安 710068)

0 引 言

西安地震臺(tái)定點(diǎn)形變觀測開始于1971年,因觀測山洞進(jìn)深淺、基線長度短、覆蓋層薄,架設(shè)的形變觀測儀器受背景噪聲、自然環(huán)境的干擾較大,觀測數(shù)據(jù)精度不高。為繼續(xù)做好地震觀測工作、有效提高形變觀測質(zhì)量,2017年啟動(dòng)了西安臺(tái)定點(diǎn)形變綜合觀測場地建設(shè)項(xiàng)目。場地選在臺(tái)站南部的鉆孔應(yīng)變觀測區(qū), 2019年投入使用。

理論上,同一地點(diǎn)的地傾斜觀測資料應(yīng)該相同或相似。實(shí)際上,不同臺(tái)站因其所處的塊體構(gòu)造、地下介質(zhì)、電性結(jié)構(gòu)等條件不同,其對(duì)應(yīng)力變化的響應(yīng)也各有區(qū)別[1-5]?；谖靼才_(tái)新山洞DSQ、VP兩套地傾斜儀觀測數(shù)據(jù),本文從觀測資料精度、潮汐因子一致性、長期趨勢分析、強(qiáng)降雨和大風(fēng)等自然環(huán)境干擾效應(yīng)及強(qiáng)遠(yuǎn)震響應(yīng)等方面對(duì)這兩種傾斜觀測資料進(jìn)行分析對(duì)比,并嘗試探討兩種資料間異同關(guān)系的原因,為更好地使用資料提供參考。

1 水管傾斜儀和寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量分析

1.1 新山洞基本情況

新建山洞海拔約660 m,處于秦嶺山前大斷裂帶的南盤上,距離秦嶺北緣大斷裂破碎帶約700 m。覆蓋層厚度50 m以上,整個(gè)山體植被良好,灌木、雜草居多,無大片高大喬木。臺(tái)基為花崗巖,巖石較完整。距離西安地震臺(tái)約350 m,具備良好的運(yùn)行條件。新建山洞總長約244 m,按照觀測業(yè)務(wù)、比測實(shí)驗(yàn)、宣傳展示等三大版塊進(jìn)行功能分區(qū)(圖1)。2019年9月在新山洞觀測業(yè)務(wù)區(qū)架設(shè)DSQ型水管傾斜儀和VP型寬頻帶傾斜儀,其中DSQ型水管傾斜儀的分辨力為0.000 5″, VP型寬頻帶傾斜儀的分辨力為0.000 2″。水管傾斜儀沿北南、東西和北西三個(gè)方向架設(shè),基線長度分別為26.48 m、26.59 m、31.13 m。寬頻帶傾斜儀安裝在北南和東西方向交匯處的N測室,經(jīng)過一年多的試運(yùn)行后, 2021年5月入網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 西安地震臺(tái)新山洞功能布局

1.2 數(shù)據(jù)完整率、連續(xù)率

數(shù)據(jù)完整和連續(xù)率是反應(yīng)儀器運(yùn)行狀態(tài)、性能的主要指標(biāo)之一[6]。2020～2021年西安臺(tái)新山洞兩套傾斜儀的數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,如表1,寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率均大于99%,水管傾斜儀2020年數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率小于99%。這主要是山洞建成初期,一方面參觀人次多,數(shù)據(jù)處理時(shí)干擾數(shù)據(jù)剔除較多;另一方面洞體內(nèi)部的濕度較大,調(diào)零電機(jī)銹蝕嚴(yán)重,斷電檢修造成缺數(shù)較多。寬頻帶傾斜儀安裝在角落的獨(dú)立觀測室,日常參觀對(duì)其干擾相對(duì)較小。2019～2020年新山洞洞內(nèi)濕度達(dá)到80%以上,為了保障儀器正常運(yùn)行,在山洞口安裝了一臺(tái)柜式除濕機(jī),內(nèi)部非觀測區(qū)放置了10余臺(tái)小型除濕器,降低洞體內(nèi)部濕度。

表1 2020～2021年寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀數(shù)據(jù)完整率、連續(xù)率

1.3 觀測曲線對(duì)比

通過2020～2021年寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀日均值曲線對(duì)比(圖2),可以看出兩套觀測儀器均沒有明顯的年變形態(tài),這可能與區(qū)域的構(gòu)造有關(guān),資料顯示陜西關(guān)中區(qū)域存在顯著的橫向不均勻性[7]。圖3是2021年6月兩套地傾斜儀的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)曲線對(duì)比,可看出兩套儀器均能清晰的記錄到固體潮汐,且形態(tài)、變化趨勢較為一致,這說明兩套儀器的性能基本穩(wěn)定,記錄數(shù)據(jù)的可靠性較高[5,8]。寬頻帶傾斜儀兩個(gè)測向記錄相對(duì)較好,水管傾斜儀北南和東西向數(shù)據(jù)漂移較大, 北西向數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 2020～2021年寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀日均值曲線

圖3 2021年6月寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀整點(diǎn)值曲線

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)比

固體潮汐參數(shù)指標(biāo)可以用來評(píng)價(jià)地傾斜觀測資料的內(nèi)在質(zhì)量。根據(jù)形變學(xué)科數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[6],選取M2潮汐因子、M2潮汐因子中誤差、相對(duì)噪聲水平等三個(gè)指標(biāo)對(duì)兩套設(shè)備觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)在質(zhì)量、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

對(duì)2020～2021年兩套儀器觀測數(shù)據(jù)整點(diǎn)值進(jìn)行調(diào)和分析,得到M2潮汐因子、M2潮汐因子中誤差質(zhì)量指標(biāo)(圖4)。理論上,同一地點(diǎn)或相近地點(diǎn)的地傾斜觀測儀器,觀測到的潮汐因子應(yīng)相同或相近。

圖4 寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比

2020年1月至6月期間,兩套傾斜儀潮汐因子相差較大,這可能與山洞建成初期周圍巖體沒有完全穩(wěn)定、洞體內(nèi)部濕度大等有關(guān)。 2020年7月開始,兩套儀器的潮汐因子趨于相同,說明兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,結(jié)果符合相關(guān)理論[5,8]。

以地傾斜Ⅰ類臺(tái)站觀測精度指標(biāo)0.02作為最大值進(jìn)行檢驗(yàn),寬頻帶傾斜儀北南向2020年有6個(gè)月大于0.02,東西向有4個(gè)月大于0.02,2021年北南向有8個(gè)月大于0.02,東西向有4個(gè)月大于0.02。水管傾斜儀北南和東西測向2020年度有兩個(gè)月大于0.02,北西向有八個(gè)月大于0.02,三個(gè)測向2021年度全年均小于0.02?？傮w來看,水管傾斜儀觀測精度明顯優(yōu)于寬頻帶傾斜儀。

運(yùn)用均方連差法,計(jì)算寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀2020年和2021年非潮汐部分的噪聲水平(表2)。通過噪聲水平數(shù)據(jù)對(duì)比,可以看出寬頻帶傾斜儀兩個(gè)測向噪聲水平低于水管傾斜儀。同時(shí),兩套儀器的東西向噪聲水平均優(yōu)于北南向,這一結(jié)論與地傾斜固體潮理論是一致的。

表2 寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀相對(duì)噪聲對(duì)比

1.5 自然環(huán)境影響對(duì)比

西安地震臺(tái)舊山洞由于進(jìn)深淺、覆蓋層薄,水管儀日常觀測容易受到大風(fēng)、強(qiáng)降雨氣壓變化等干擾。2021年1月10～11日寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀受大風(fēng)影響對(duì)比情況可以看出(圖5),新山洞水管儀、寬頻帶傾斜儀觀測數(shù)據(jù)未受到明顯影響,舊山洞水管儀數(shù)據(jù)噪聲明顯變,這與新山洞覆蓋層厚、進(jìn)深較深、封閉性好等有關(guān)[7]。

圖5 2021年1月10～11日西安臺(tái)舊山洞與新山洞寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀一階差分曲線

2020年7月10日至7月12日,受持續(xù)強(qiáng)降雨影響,地表載荷增加,新山洞水管傾斜儀、寬頻帶傾斜儀觀測數(shù)據(jù)在這期間未出現(xiàn)明顯變化,而舊山洞水管儀觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯變化,北南向由北傾變?yōu)槟蟽A,東西向加速西傾(圖6)。進(jìn)一步反映了新山洞覆蓋層較厚,幾乎不受降雨影響,觀測環(huán)境和運(yùn)行條件優(yōu)越,洞內(nèi)溫差變化等均符合形變儀器觀測環(huán)境要求[9]。

圖6 西安臺(tái)舊山洞與新山洞寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀受降雨影響對(duì)比曲線

1.6 強(qiáng)遠(yuǎn)震同震響應(yīng)對(duì)比

選取2022年1月8日青海海北州門源縣Ms6.9、2021年5月22日青海果洛州瑪多縣Ms7.4地震,分析兩套儀器的同震響應(yīng)情況。

2022年1月8日青海門源發(fā)生Ms6.9地震(37.77°N,101.26°E,震源深度10 km,震中距807 km),西安地震臺(tái)寬頻帶傾斜儀和水管傾斜儀均記錄到同震變化(圖7),都有突跳、震蕩現(xiàn)象。其中,寬頻帶傾斜儀北南向變化幅度約353 ms,東西向變化幅度約764 ms。水管傾斜儀北南向變化幅度約283 ms,東西向變化幅度約232 ms,北西向變化幅度約100 ms。

圖7 2022年1月8日門源Ms6.9地震形態(tài)對(duì)比

2021年5月22日青海瑪多發(fā)生Ms7.4地震(34.59°N,98.34°E,震源深度17 km,震中距976 km),兩套傾斜儀均記錄到同震變化(圖8),突跳、震蕩現(xiàn)象明顯,其中寬頻帶傾斜儀北南向變化幅度約1 108 ms,東西向變化幅度約624 ms。水管傾斜儀北南向變化幅度約770 ms,東西向變化幅度約909 ms,北西向變化幅度約407 ms。

圖8 2021年5月22日瑪多Ms7.4地震形態(tài)對(duì)比

通過以上兩個(gè)震例分析可看出,兩套儀器相比較,寬頻帶傾斜儀記錄到同震變化的時(shí)間早、幅度大、持續(xù)時(shí)間更長。這一方面與兩套儀器在高頻段的幅頻特性差異有關(guān),另一方面還需要考慮信號(hào)的同源性。超長周期信號(hào),其波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過儀器的基線長度,信號(hào)可以看成是同源的,因此記錄波形比較一致;對(duì)于高頻信號(hào),由于其波長較短,基線長度不同導(dǎo)致的信號(hào)源不同就顯現(xiàn)出來,輸入信號(hào)就不能完全看成是同源的,因此就導(dǎo)致兩種儀器記錄的數(shù)據(jù)有差別[8]。

2 結(jié)論及討論

通過對(duì)2020～2021年西安臺(tái)新山洞VP型寬頻帶傾斜儀和DSQ型水管傾斜儀的觀測資料進(jìn)行對(duì)比分析,得出:

(1)2020～2021年西安臺(tái)新山洞寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率均大于99%,受人為干擾和儀器多次檢修的影響,2020年水管傾斜儀數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率小于99 %。

(2)寬頻帶傾斜儀兩個(gè)測向觀測數(shù)據(jù)較好,水管傾斜儀北南和東西向數(shù)據(jù)漂移較大,北西向數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定,但兩套儀器目前均無明顯年變形態(tài),這可能與區(qū)域構(gòu)造和地下介質(zhì)有關(guān)。

(3)水管傾斜儀觀測精度和噪聲水平明顯高于寬頻帶傾斜儀。

(4)強(qiáng)降雨、大風(fēng)等自然環(huán)境變化對(duì)兩套儀器觀測沒有明顯影響。

(5)寬頻帶傾斜儀記錄到強(qiáng)遠(yuǎn)震同震變化較水管傾斜儀的時(shí)間更早、幅度更大、持續(xù)時(shí)間更長,這與兩套儀器高頻段的幅頻特性、基線長度、輸入信號(hào)的頻率等有關(guān)。