孙伶俐蒋玲霞丁文秀王 慧周 洋杨艳芳李 明邓建刚

1）中国武汉430071中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室

2）中国武汉430071湖北省地震局

湖北省水管倾斜仪观测数据变化特征

孙伶俐1），2）蒋玲霞1），2）丁文秀1），2）王 慧2）周 洋2）杨艳芳2）李 明1），2）邓建刚2）

1）中国武汉430071中国地震局地震研究所地震大地测量重点实验室

2）中国武汉430071湖北省地震局

采用2003—2015年湖北省数字化地壳形变地倾斜潮汐分钟值资料，利用潮汐与非潮汐分析方法，对地壳形变观测对各影响因素的响应特征进行分析，结果表明，倾斜潮汐观测资料日均变化幅度、M2波潮汐因子均方差、长周期拟合相对噪声水平等指标变化稳定，均达中国优秀台站观测水平，观测资料可信度高。

水管倾斜观测；变化特征；疑似地震异常；跟踪分析

0 引言

地应变、地倾斜等定点形变测量指标能直接反映地壳介质微动态变化，捕捉地壳介质破裂前的力学变化信息，观测优势在10-6—10-10的变化量级，适用于监测地震中短和短临前兆。就定点形变中倾斜观测而言，它是从地壳上某一特定点的相对位置变化可找到地球动态变化与地震孕育、发生的关系，表现在观测数据速率、方向等变化特征上。倾斜观测提供地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等科学数据，帮助研究人员认清地震事件周期、应力的变化以及相关地壳变形之间的关系（张雁滨等，2002；蒋海昆，2005；陈运泰，2009）。

湖北省形变观测台网多年观测结果表明，潮汐观测受各种因素干扰概率较高，影响机理复杂，判定与识别比较困难。本文对2007—2015年湖北省各台站水管倾斜仪资料的微观、宏观变化进行特征分析，对干扰形态进行系统总结，寻找规律，分析成因，对观测资料内在精度、相对噪声水平等指标进行分析，探讨观测中出现的暂态事件、疑似地震及不明原因的异常变化，为地震分析、前兆异常识别及提高异常信度积累可靠的基础资料。

1 台站观测条件

湖北省有8个定点形变类观测台站，分别位于武汉（九峰、狮子山）、宜昌、麻城、襄樊、黄石、黄梅和十堰（柳林沟），观测范围包括湖北中部、鄂西北、鄂东等具中强地震背景的重点区域，空间分布见图1。湖北形变观测台站观测手段包括地倾斜、洞体应变、钻孔应变、台站重力；配备地倾斜、应变类观测仪器20套，相对重力观测仪器4套；仪器类型包括DSQ型水管倾斜仪、VS型垂直摆倾斜仪、VP宽频带垂直摆倾斜仪、CZB-1竖直摆倾斜仪、SS-Y型铟瓦棒洞体应变仪、SS-Y型石英管洞体应变仪、YRY-4型分量式钻孔应变仪、DZW型微加重力仪。十堰、宜昌、武汉、麻城、黄梅、黄石地震台配备DSQ水管倾斜仪，技术指标及相关参数见表1，各台站地质背景、观测条件见表2。

图1　湖北省定点形变（水管倾斜观测）台站分布Fig.1 Distribution of fixed crustal deformation observation stations（water tube tilt） in Hubei Province

表1　湖北省地震台DSQ水管仪技术指标及参数Table 1 Basic parameters of DSQ instruments of water tube tiltmeter at fixed crustal deformation observations stations in Hubei Province

表2　湖北省各台站观测条件（2007—2014年）Table 2 Conditions of observation stations in Hubei Province（from the year 2007 to 2014）

2 观测数据变化特征

2.1 长趋势观测曲线年度对比

湖北省各地震台水管倾斜仪观测环境良好，洞室温度变化稳定，经过多年平稳运行，地倾斜观测固体潮曲线年变清晰、光滑，具有明显季节特征，呈现明显的年变拐点，一般为每年的2—4月和9—11月（蒋玲霞等，2015）。从DSQ水管倾斜仪年变趋势对比观测曲线（图2）可知，长趋势观测数据具有以下特征：①长周期年变规律背景上叠加较明显的季节性变化。以年为周期重复出现某种成分的波动，如麻城、宜昌、十堰台观测时间较长，观测数据质量较高、观测资料稳定；②无明显变化规律、不含固定周期波动成分。该类曲线有的表现为单调上升或下降，如宜昌台DSQ水管仪NS分量；有的表现为无规律波动，如武汉、黄石台，存在不稳定的趋势变化，易受降雨影响，因覆盖层薄、仪器墩基自身不稳定等原因引起。

图2　DSQ水管倾斜仪观测曲线年变趋势对比（a）麻城台；（b）十堰台；（c）宜昌台；（d）狮子山台Fig.2 Annual variation curve of some water tube tilt observation instruments

2.2 潮汐观测背景变化特征

2007—2014年湖北省形变观测台网观测质量较高，数据稳定，倾斜类观测数据日均变化幅度约（1.5—4.0）×10-3″/天，M2波潮汐因子γ值年均水平为0.604 9×10-3″，γ值均方差年均水平为4.86‰、长周期拟合相对噪声水平3.938×10-3″。由湖北地倾斜观测长周期噪声水平与断层距离对比图（图3）可见，噪声水平与断层距离相关性保持正比，断层距离每增加1 m，噪声水平约提高0.093 7×10-3″。从表3、表4可知，湖北省形变倾斜类观测质量指标均达国内优秀台站观测水平。

图3　长周期噪声水平与断层距离拟合对比Fig.3 Contrast and fitting results of the fault distance and ground noise level for a long period of time

表4　湖北省DSQ水管仪M2波潮汐因子均方差、长周期拟合相对噪声水平M1Table 4 Quality results of annual average of tidal factor of M2and M1of water tube tilt observation stations

表5　湖北省与其他地震台DSQ水管仪观测质量对比Table 5 Index comparison of DSQ water meter tilt instruments in Hubei Province and other similar stations

2.3 观测数据动态变化量级

参考2014年湖北形变观测台网水管倾斜观测数据典型变化，发现主要影响因素包括观测系统故障、自然环境、场地环境等，分别占全年数据变化的23.37%、20.78%和9.09%。各类影响因素的影响形态与量级各不相同，统计2014年至2015年6月数据动态变化量级，见表5。由表5可知，水管倾斜仪受到干扰影响后，观测数据发生微动态（短时期）和长趋势（中长期）变化，主要表现形态为：①阶跃、突跳；②固体潮畸变；③噪声增大（高频扰动）；④错误数据、缺数；⑤趋势性变化。

表6　湖北省水管仪数据变化形态及量级统计（2014年1月—2015年6月）Table 6 Statistics of form and magnitude change of water tube tilt meter in Hubei Province（2014-01—2015-06）

2.4 观测数据动态变化典型图例

（1）观测系统影响。以麻城、十堰、黄梅等地震台为例，受传感器、供电系统、数采故障及水管换水等原因影响，观测数据出现固体潮畸变、突跳、噪声增大等变化（图4）。

图4　水管仪观测曲线受观测系统故障影响典型变化（a）2015年6月麻城台原始数据分值；（b）2015年6月18日—7月3日十堰柳林沟台原始数据分值；（c）2014年7月23日—24日黄梅台分值；（d）2014年7月20日狮子山台分值Fig.4 Typical change curves affected by observation system of water tube tilt observation of all stations

（2）自然环境影响。受自然环境影响，湖北省各地震台倾斜变化幅度和持续时间与干扰因素强度、时间有关（孙伶俐等，2014）。据统计，2014年湖北省水管倾斜观测受降雨、雷电影响占自然环境类80%，观测数据变幅超出日变1.5—13.6倍。

雷电干扰使观测曲线出现固体潮畸变、突跳现象（图5）；降雨与外界环境和初始条件有关，影响复杂（陈德福等，1993；王梅等，2003；马栋等，2011），会引起观测曲线的明显变化，具有突发性，随降雨停止而减弱、终止，且受降雨量大小、降雨方式、降雨前包气带含水量等因素共同作用影响（图5）。

图5　水管仪观测曲线受自然环境影响典型变化（a） 2015年4月1日—15日黄石台受降雨干扰；（b） 2014年9月2日黄梅台受雷电干扰Fig.5 Typical change curves affected by natural environment influence of water tube tilt meter observation

另外，受台风影响，水管仪观测数据曲线发生高频抖动，背景噪声大。吕品姬等（2011）、张燕等（2011）利用超宽频带地震仪观测资料进行分析，认为观测数据受台风与地震影响明显，且影响频段不同。

（3）场地环境影响。以宜昌台水管倾斜仪为例，2014年5—6月受距离台站200—500 m的森林公园施工影响，观测曲线形态出现毛刺现象，经一阶差分、移动斜率等方法处理，发现噪声水平明显增大，变幅超出日变1.1—5.2倍（图6）。

2.5 疑似震前异常

2.5.1 秭归县屈原镇4.6级地震前宜昌台水管仪观测曲线出现阶跃下降现象。2008年11月22日16时01分宜昌秭归屈原镇发生4.6级地震，地震前约4小时，距震中56 km的宜昌台水管仪N、S单端值于当日12时40分同时下降，下降量为23×10-3″和10×10-3″，NS分量阶跃量达-10×10-3″（图7）。

调查排除观测系统故障等原因，且此时段内无环境变化与人为干扰。水管仪NS分量数据畸变与宜都、兴山台地震波形记录振动时间一致，表明该时段水管仪观测记录真实，确实存在地振动现象。分析认为，宜昌台水管仪NS分量下降阶跃现象与台站南端仙女山、天阳坪断裂活动有关。

图7　2008年秭归4.6级地震前后宜昌台形变观测曲线（a）水管仪；（b）伸缩仪Fig.7 Deformation observation curves of Yichang Seismic Station before and after Zigui M 4.6 earthquake，2008

2.5.2 水库地区地震前宜昌台水管仪潮汐相位滞后、日变速率表现异常。以2001年秭归4.1级、2008年秭归4.6级、2013年巴东5.2级地震为例，发现宜昌台水管倾斜观测潮汐因子值在2次地震前变化较为稳定（图8），但潮汐相位滞后具有下降后缓慢抬升的发震特征；潮汐日变速率具有较明显差异，NS、EW分量出现明显负向差异变化（图9）。

图9　三峡水库地区地震前宜昌台水管倾斜观测参数指标对比Fig.9 Contrast of parameter of titl meter observation of Yichang Seismic Station before the earthquake at the three gorges reservoir area

2.5.3 汶川8.0级地震前十堰台水管仪非潮汐特征加卸载响应比值表现异常。2008年5月12日四川汶川发生M 8.0地震，十堰台距震中500 km以上，是湖北省西北部距发震地点最近的形变台站。地震发生后，利用调和分析、Nakai检验、去潮汐及潮汐分析、加卸载响应比等方法（蒋骏等，2002；陆远忠等，2002），对2008—2009年该台水管仪整点值观测数据进行异常筛查发现：①NS分量加载响应比计算结果显示异常，在地震发生前2个月呈现系统偏离现象，且波动频度与强度均较大，临震前期急剧下降，震后2—4月缓慢恢复；②潮汐因子震前未见明显异常。十堰台水管倾斜仪非潮汐特征加卸载响应比值变化曲线见图10。

图10　2008年2月—2009年12月十堰台水管仪非潮汐加卸载响应比Fig.10 Load/unload response ratio on removing tide of tube tilt meter at Shiyang Seismic Station

2.5.4 江西九江—瑞昌5.7级地震和汶川8.0级前麻城台水管仪潮汐因子出现偏离。2005年11月26日江西九江—瑞昌5.7级地震和2008年5月12日四川汶川8.0级地震前，麻城台水管仪潮汐因子γ值出现异常变化（邓建刚等，2009）。

（1）九江—瑞昌地震发生前4—6个月，距震中180 km的麻城台水管仪倾斜潮汐因子γ值曲线出现明显系统偏离现象，异常特征表现为偏离值持续下降（图11）。EW、NS分量偏离值分别达21%、34%，与1996年2月3日云南丽江7.0级地震前永胜台（震中距76 km）γ值异常类似。

图11　九江—瑞昌5.7级地震前后麻城台水管倾斜仪γ值异常变化Fig.11 Anomalous change of tidal factor observed with the water tube tilt meter at Macheng Seismic Station before and after Jiujiang-Ruichang MS5.7 earthquake

（2）2008年汶川发生M 8.0地震，水管倾斜仪（距震中1 000 km）NS分量在发震前2个月出现异常，同年3月开始偏离正常值变小，至5月γ值曲线开始回升过程中发生汶川地震。麻城台水管倾斜仪在汶川8.0级地震前后的γ值异常变化曲线见图12。

图12　汶川8.0级地震前后麻城台水管倾斜仪γ值变化Fig.12 Anomalous change of tidal factor observed with the water tube tilt meter at Macheng Seismic Station before and after Wenchuan MS8.0 earthquake

2.6 目前持续异常

麻城水管倾斜仪NS分量观测曲线于2015年6月5日开始出现加速上升变化和反向破年变转折异常，现场核实后发现钵体、标定器、水管各处接头未发现漏水或溢水现象。截至2015年7月7日，N、S单端曲线持续加速下降，N端下降630.5 mV，S端下降1 115.0 mV，高差数据为正向北倾170×10-3″，上升幅度大，异常现象明显（图13）。

图13　2015年5月1日—7月7日麻城台水管仪观测曲线转折变化趋势Fig.13 Anomalous change of observation curve trend of water tube tilt meter at Macheng Seismic Station in the year 2015

经现场异常核实工作后确定，麻城台水管倾斜仪NS分量2015年6月开始出现破年变加速北倾的上升变化与观测系统、自然环境与场地环境影响关系不大，综合分析认为，麻城台水管异常情况可能是受鄂豫皖、郯庐断裂带南段区域应力影响导致。

3 结论

通过对2003—2015年度湖北省定点形变水管倾斜观测资料对比分析，得出以下结论。

（1）湖北省各地震台水管倾斜仪长趋势固体潮曲线具有以下年变特征：①长周期年变规律背景上叠加较明显的季节性变化；②无明显变化规律、不含固定周期波动成分。

（2）水管倾斜观测数据背景变化稳定，各指标均达国内优秀地震台站观测水平。

（3）水管倾斜仪观测数据典型变化主要影响因素包括观测系统故障、自然环境、场地环境、人为干扰等。

（4）湖北省水管倾斜仪观测出现疑似地震异常事件。如：宜昌台水管仪在汶川8.0级地震和区域近震前，出现数据暂态短时阶跃、潮汐相位滞后差异性异常变化；麻城台水管仪潮汐因子在江西九江—瑞昌5.7级和汶川8.0级地震前出现偏离。

（5）麻城台水管倾斜仪NS分量2015年6月开始出现破年变加速北倾上升变化，与观测系统、自然环境与场地环境影响关系不大，区域地震前兆异常信度较高。

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Abstract

Tilt tidal data with minute sampling in Hubei Province from the year 2003 to 2015 are applied to analyze the response rule of the crustal deformation by factor variations.Tidal and no-tidal analysis methods are used to obtain the variation rule with different frequencies.Research results show that changes of tilt tidal observation data for many years are relatively stable.The daily average change，mean square error of M2tidal wave factor and noise level of long period have achieved the same advanced level with the other excellent stations.The results have shown that typical changes of water tube tilt meter observation data were mainly influenced by the observing system，natural environment and site environmental factors.

Analysis of change characteristics of deformation observation on water tube tiltmeters in Hubei Province

Sun Lingli1），2），Jiang Lingxia1），2），Ding Wenxiu1），2），Wang Hui2），Zhou Yang2），Yang Yanfang2），Li Ming1），2）and Deng Jiangang2）
1） Key Laboratory of Geodesy，Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Wuhan 430071，China
2） Earthquake Administration of Hubei Province，Wuhan 430071，China

water tube tilt observation，change characteristics，suspected earthquake anomalies，tracking analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.018

孙伶俐（1977-11—），女，硕士，工程师，2006年6月毕业于武汉理工大学环境工程，从事地壳形变观测技术、地震预测研究工作。E-mail： sunll777@sina.com

2015年中国地震局地震研究所所长基金（IS201546227）、2015年中国地震局三结合课题（1804-09）、中国地震局前兆台网数据跟踪分析2015年定向工作任务（201522004041804-11）联合资助