易县地震台形变资料的一致性及差异性分析

赵慧琴，张 肖

(河北省地震局保定中心地震台，河北 保定 071000)

易县地震台形变资料的一致性及差异性分析

赵慧琴，张 肖

(河北省地震局保定中心地震台，河北 保定 071000)

文章选取易县地震台DSQ型水管倾斜仪、VS型垂直摆倾斜仪、SS-Y型伸缩仪、TJ-2型体积应变仪多年的观测资料，采用形态对比法及Venedikov调和分析法讨论潮汐因子、相位滞后等参数，对统计结果进行一致性和差异性分析。结果表明，同一观测环境下，不同仪器相同物理量观测不一致，同物理量观测的潮汐因子幅度、精度不一致。

潮汐因子；形态对比；差分分析；Venedikov调和分析

0 引言

地倾斜观测是地震前兆观测中的重要项目，其震兆异常已为多个地震验证。地倾斜观测项目中，VS型垂直摆倾斜仪的基线长度为40 cm，其高灵敏的传感器技术实现了观测固体潮的要求；DSQ型水管仪基线长度在10 m至数十米之间，长基线和良好的工作环境使其实现了高精度固体潮观测；SS-Y型短基线伸缩仪选用含铌特种因瓦棒(Nb-Invar)为基线，膨胀系数比石英小，性能稳定，仪器精度的分辨率优于10-9；TJ-2钻孔体应变仪器为数字化记录仪，灵敏度优于10-9[1]。

VS型垂直摆倾斜仪、DSQ型水管仪与SS-Y型伸缩仪、TJ-2钻孔体应变仪均属相同物理量的地倾斜观测仪与地应变观测仪。在同一观测环境下，具有相同物理量的不同仪器所得观测资料的相关性，将极大提高形变观测资料的使用效果。我国开展地震前兆观测30多年以来，积累了大量的观测数据，但在同一观测环境下，不同仪器相同物理量观测的年变形态、日变幅变化是否一致，闭合观测是否闭合等情况，仍是困惑地震预报的一个问题[2]。

文章选取易县地震台(以下简称易县台)DSQ型水管倾斜仪、VS型垂直摆倾斜仪、SS-Y型伸缩仪、TJ-2型体积应变仪多年的观测资料，采用形态对比法(原始月均值和差分分析)和Venedikov调和分析法讨论潮汐因子、相位滞后等参数，对不同仪器具有相同物理量的观测资料进行一致性和差异性分析。

1 台站概述

易县台建于20世纪70年代，位于河北省保定市易县西陵镇龙里华村，清西陵以南，隶属河北省地震局。地处太行山北段低山丘陵地区，紫荆关断裂带东侧，属太行山隆起带与华北平原拗陷区的分界部位。

易县台形变观测手段有YRY四分量钻孔应变观测、TJ-2钻孔体应变观测、SS-Y型伸缩仪观测、DSQ型水管倾斜仪观测、VS型垂直摆倾斜仪观测、跨断层短水准测量等。形变观测山洞进深200 m，洞体覆盖厚度大于40 m，洞体岩石为震旦系沉积岩。山洞年温度变化幅度小于0.5 ℃，日变幅度小于0.03 ℃，山洞周围无明显干扰因素。易县台TJ-2钻孔体应变观测仪于2001年3月20日安装运行，钻孔深70.30 m，钻孔岩性分3个层位：0～2 m为第四系黄土；2～9 m为震旦系沉积页岩；9～70.30 m为中生代侵入闪长岩[3]。

易县台形变观测资料连续率、可信度较高，数据内精度和连续率均达到重点形变综合台的精度要求，符合形变观测规范。

2 形态对比分析

文章对易县台倾斜、应变资料做出整理，并对其进行基本的形态对比。其中，水管仪与垂直摆NS向选取2008年1月至2010年9月、2011年9月至2014年6月的观测数据，2010年10月至2011年7月，台站仪器因雷击出现前置放大器等故障，产出错误数据，所以未选用该时段的数据(见第18页图1)；EW向选取2011年12月至2014年9月的观测数据(见第18页图2)。伸缩仪与体应变选用2008年1月至2010年4月、2012年10月至2014年9月的数据资料(见第18页图3)。

2.1 月均值曲线图

(1) 水管仪与垂直摆NS向对比曲线。

图1 水管仪与垂直摆NS向对比曲线Fig.1 Data of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in NS direction

(2) 水管仪与垂直摆EW向对比曲线。

图2 水管仪与垂直摆EW向对比曲线Fig.2 Data of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in EW direction

(3) 伸缩仪与体应变的对比曲线。

图3 伸缩仪与体应变的对比曲线Fig.3 Data of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in EW direction

2.2 差分分析

第19页图4所示为2008年1月至2010年9月、2011年9月至2014年6月水管仪与垂直摆NS向差分曲线；第19页图5为2011年12月至2014年9月水管仪与垂直摆EW向差分曲线；第20页图6为2012年10月至2014年9月伸缩仪与体应变的差分曲线。

2.3 形态对比分析结论

直观上看，水管仪与垂直摆、伸缩仪与体应变的月均值曲线图、差分分析曲线图不相关，存在变化形态不一致现象。这与王长江等[3]提到的在同一观测环境下，不同仪器同物理量观测不一致的结论相同。

图4 水管仪与垂直摆NS向差分曲线Fig.4 The differential curve of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in NS direction

图5 水管仪与垂直摆EW向差分曲线Fig.5 The differential curve of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in EW direction

3 Venedikov调和分析

地倾斜观测固体潮潮汐因子理论上应为0.666 7左右。而实际观测中，仪器数值存在偏差。

为更直观地对易县台地倾斜观测资料进行一致性的相关分析，绘制水管仪与垂直摆潮汐因子和相对误差的同轴对比曲线(见第20页图7～图10)。

由图7、图8可以看出，在易县台地倾斜仪器的实际观测中，垂直摆与水管仪NS向的潮汐因子较接近理论潮汐因子，但垂直摆EW向潮汐因子偏大，水管仪EW向潮汐因子略偏小，反映了垂直摆EW向的格值比真值偏大，水管仪EW向的格值比真值略偏小[4]。由图9、图10可知，易县台垂直摆与水管仪的潮汐因子相对误差基本一致(除个别突跳点外)，但水管仪的基线长度比垂直摆大两个数量级，其基线长度的优势没有得到发挥[5]。

图6 伸缩仪与体应变的差分曲线Fig.6 The differential curve of extensometer and strain meter

图7 垂直摆与水管仪NS向潮汐因子对比曲线Fig.7 The tidal factor comparison curve of vertical pendulum tiltmeter and water tube tiltmeter in NS direction

图8 垂直摆与水管仪EW向潮汐因子对比曲线Fig.8 The tidal factor comparison curve of vertical pendulum tiltmeter and water tube tiltmeter in EW direction

图10 垂直摆与水管仪EW向潮汐因子相对误差对比曲线Fig.10 The tidal factor relative error comparison curve of vertical pendulum tiltmeter and water tube tiltmeter in EW direction

综上所述，易县台地倾斜观测手段，同物理量观测的潮汐因子幅度不一致，潮汐因子的精度不一致。其原因可能有以下几方面：

(1) 仪器自身存在缺陷。少数仪器在出厂时存在线性和非线性漂移，又可能与仪器山洞内的防潮设施不到位有关。在山洞内长期运行，使地盘仪器老化，造成数据随机漂移。为避免上述问题，台站应对仪器进行严格的防潮密封，通过改造，观察能否减小仪器的漂移[6]。

(2) 仪器生产工艺缺陷。仪器出厂到使用的周期有限，缺少老化程序，材料的变化程度未得到充分释放，造成仪器出现随机漂移。

(3) 耦合问题。“四耦合”是指传感器与仪器地盘的耦合、仪器地盘与仪器地脚垫块的耦合、仪器地脚垫块与仪器墩的耦合、仪器墩与地壳的耦合[7]。其中，仪器墩与地壳的耦合随着观测山洞使用时间的增长逐渐稳定；传感器与仪器地盘的耦合、仪器地盘与仪器地脚垫块的耦合、仪器地脚垫块与仪器墩的耦合，会随山洞观测仪器使用时间的增长氧化生锈，出现随机变化和长期漂移。易县台水管仪与垂直倾斜仪至2014年已投入观测13年，长时间的使用使其出现数据的随机变化和长期漂移，导致相同物理量观测结果不一致的情况出现。

4 结论与讨论

对易县台水管仪、垂直摆、伸缩仪和体应变的观测资料通过形态对比法(日均值和差分法)和调和分析法进行分析，得出以下结论：

(1) 直观上看，水管仪与垂直摆、伸缩仪与体应变的月均值曲线图、差分分析曲线图不存在相关性，即两组曲线不相关，存在变化形态不一致现象。与王长江等[3]得出的，在同一观测环境下，不同仪器同物理量观测不一致的结论相同。

(2) 对于易县台地倾斜观测手段，同物理量观测的潮汐因子幅度不一致、精度不一致。其原因可能与仪器自身设计、生产工艺缺陷、耦合问题及工作人员业务技能等有关，有待今后的进一步探索与完善。

[1] 苏恺之，张 钧，李秀环，等.钻孔环境在钻孔地形变观测中的作用[J].地震地磁观测与研究，2005，26(6)：46-55.

[2] 赵慧琴，李俊良，张 肖，等.唐山4.8级地震前易县台地应变异常特征[J].地震地磁观测与研究，2015,36(6)：73-79.

[3] 王长江，康有明，宋晓冰，等.困惑地震预报的一个问题——对于同物理量观测不一致问题的讨论[J].地震地磁观测与研究，2005，26(6):62-67.

[4] 张红秀.山西临汾中心地震台地倾斜震前异常变化特征[J].山西地震，2004,118(3):19-21.

[5] 朱 航.地下水位与应变的相关性分析[J].内陆地震，2001，15(3)：247-251.

[6] 苏恺之，李海亮，张 钧，等.钻孔地应变观测新进展[M].北京：地震出版社,2003.

[7] 李占录，苏树朋，支树明，等.昆仑山口西8.1级地震易县台潮汐形变图像浅析[J].大地测量与地球动力学,2004,24(4):82-84.

The Consistency and Difference Analysis of Crustal DeformationData in Yixian Seismic Station

ZHAO Hui-qin, ZHANG Xiao

(Baoding Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei province, Baoding, Hebei 071000, China)

In this paper, years of observation data of DSQ water tube tiltmeter, VS vertical pendulum tiltmeter, SS-Y extensometer and TJ-2 strain meter in Yixian Seismic station are selected. The tidal factor, phase lag and other parameters are researched by using morphological comparison method and Venedikov harmonic analysis method. Then, consistency and difference analysis is carried out on the statistical results. The results show that, in the same observation environment, the same physical quantity observation of different instruments are inconsistent, and the tidal factor amplitude and accuracy of the same physical quantity observation are also inconsistent.

Tidal factor; Morphological comparison; Differential cryptanalysis; Venedikov harmonic analysis

1000-6265(2017)01-0017-05

2016-06-02

河北省地震局三结合课题(2015-10-31-06)。

赵慧琴(1982— )，女，河北省张家口人。2010年毕业于河北大学，硕士研究生，工程师。

P315.73

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