洪旭瑜，张清秀，陈彩虹，秦双龙

（福建省地震局，福建 福州 350003）

0 引言

地球物理台网数据跟踪分析的开展促进了地震前兆观测工作由日常观测为主向观测、应用并重的转变[1]，让监测预报人员更加了解仪器运行情况、观测数据背景噪声、内在质量以及数据变化的影响因素，强化观测资料的特征分析及异常干扰信息的判别核实，务实数字化地球物理台网的基础处理能力[2-3]。因此，开展地球物理台网数据跟踪分析不仅能够充分发挥台网监测效能，也为地震预报分析提供更具有针对性的事件记录信息。

福建地球物理台网数据跟踪分析自2014 年2 月开展以来已累计1 万多条形变、重力、电磁以及地下流体学科的事件跟踪分析记录信息，积累大量丰富的异常干扰类型，形成了较为完善的数据库，为发掘地震前兆异常提供了平台，更好地服务于地震预报[4]。本文旨在通过对福建地区各观测手段数据进行动态分析，总结不同学科仪器观测曲线的变化趋势和观测效能，为地震分析预报提供可靠依据和科学参考。

1 福建数据跟踪分析概况

1.1 福建地球物理台网概况

福建地球物理台网包括形变、重力、电磁以及地下流体四大学科，主要部署在长乐—诏安、政和—海丰、永安—晋江和邵武—河源断裂带上，各学科台站分布如图1 所示，仪器类型包括数字化“九五”和“十五”仪器以及人工、模拟观测仪器，数字化仪器目前已实现自动化观测、数据自动汇集入库。2014 年以来，每年进行跟踪分析的仪器有90 余套，以流体学科和形变学科仪器为主，其中形变仪器26 套，占比27.71%，重力仪器6 套，占比7.23%，电磁仪器9 套，占比10.84%，流体仪器43 套，占比54.22%。

图1 福建地球物理台网各学科台站分布图Fig.1 Distribution of stations in various disciplines of Fujian Geophysical Network

1.2 分析产出情况

数据跟踪分析以台站为基本工作单元，对本台站所属各套仪器的主测项观测数据以周、月、年为周期进行扫描，分析判定观测数据是否为正常的动态变化。当观测数据为正常动态变化，形成正常记录，如果观测数据出现显著变化，按照引起观测数据变化的影响因素分别归类到不同的事件，对变化原因或佐证资料不明确，无法阐明诱因，应开展专项异常核实，确认数据异常变化原因，如果结论尚不明确的，应持续跟踪并落实。2014—2020 年，福建地球物理台网共记录观测系统事件1245 条，自然环境事件1736 条，场地环境事件349 条，人为干扰2016 条，地球物理事件最多，为8584 条，不明原因事件最少，为36 条，图2 为2014—2020 年福建地球物理台网数据跟踪分析不同事件统计。这些事件中形变学科记录到的条目最多，为9147 条，重力学科2880 条，流体学科1270 条，电磁学科最少，为670 条，本文以各学科记录到的事件条数为依据，分别对不同学科观测仪器进行动态数据跟踪分析。

图2 福建地球物理台网数据跟踪分析事件统计（2014—2018）Fig.2 Event statistics of Fujian Geophysical Network data tracking analysis（2014—2018）

2 动态数据跟踪分析

2.1 形变观测分析

福建形变观测仪器共有24 套，包括9 套垂直摆倾斜仪、5 套洞体应变仪、5 套水管倾斜，5 套钻孔应变。从同震响应来看，以2020 年为例，每套垂直摆倾斜仪记录到的地震事件条数约为36 条，洞体应变6 条，水管倾斜仪30 条，钻孔应变15 条，因此从同震响应地震事件条数看，垂直摆和水管仪的同震响应能力高于洞体应变和钻孔应变，洞体应变的同震响应能力最差。表1 为福建形变仪器除钻孔应变仪外年变动态曲线情况统计表，从年变动态看，多数形变仪器观测曲线能观测到清晰的年变化，占比达73.68%，年变幅度随台站条件不同而异，各台主要表现为受地壳运动形变引起的年变、受气温、气压、降水、地下水位变化等影响引起趋势性变化及明显仪器零漂。图3（a） 中部分形变仪器有典型年变动态清晰的观测曲线，如垂直摆观测曲线还呈现夏高冬低或夏低冬高的年变规律，年变规律背景上叠加较明显的季节性变化，但部分仪器的某一分量年变化规律不明显，没有明显的年变周期性变化，这部分仪器占比为26.32%，主要表现为线性单调上升或下降趋势或者无规律性的年变，如图3（b）所示，泉州台垂直摆北南分量2017 年之前变化比较平稳，2018—2019 年呈现下降趋势，到2020 年趋于平稳后出现小幅转折上升，东西分量刚好相反，2017 年至2019 上半年处于稳定变化趋势，2019 下半年至2020 年没有出现转折上升或者下降趋势，龙岩台垂直摆北南分量、 泉州基准台水管北南分量年变动态呈现单调上升趋势，厦门垂直摆东西分量总体上处于下降趋势，各分量趋势上升或下降速率不一样，这跟各仪器性能有关，主要是仪器零漂造成，不能够说明是该地区地壳结构变化或者密度变迁造成的。福州台洞体应变2018 年上半年受仪器、环境、降雨综合影响出现大幅度下降直到下半年趋于稳定，而后缓慢下降，漳州台洞体应变东西受到山顶寺庙广场施工铺设条石造成仪器山洞覆盖层承压导致观测曲线快速下降。

表1 福建形变台网倾斜仪和应变仪年变动态情况表（2017—2020 年）

图3 形变仪器观测年变动态曲线Fig.3 Annual dynamic curves observed by deformation instrument

福建地区体应变观测总体质量较好，表2为多个台站的钻孔应变观测精度，可以看出除福州台的观测精度较差，其他台站的观测精度较为稳定，观测质量较好。福州台的钻孔观测井2009 年12 月19 日终孔，开口孔径150mm，终孔井径130mm，孔深83.16m，水位埋深7.3m，钻孔基岩破碎，观测曲线日变动态不清楚，受降雨、气压影响严重，观测以来观测质量一直处于较差状态。

表2 钻孔应变观测精度（2018—2020 年）

2.2 重力观测分析

福建重力仪型号全部为gPhone，为秒采样仪器，仪器具有分辨率高、信噪比好、稳定性强的特点[5]，由于福建地处沿海地区，重力仪受台风和海潮潮汐影响较大，台风影响过程中重力仪原始观测曲线出现明显噪声加粗现象，而潮汐会影响到固体潮计算，重力台尤其是在东南沿海地区受海潮影响最大，且振幅变化大，这可能是受近海的强烈作用，福建西北部地区振幅变化不大，比较平缓，重力台站受海潮负荷的影响总体趋势有自沿海向内陆递减的趋势[6]。在地震同震响应方面，地震发生过程所产生的体波、瑞利波和勒夫面波等高频信息是能够被较高频带秒采样gPhone 重力仪地震检测仪记录到的。由图4 可以看出gPhone 重力仪清晰记录到地幔折射波（P 波）、S 波和面波R。在映震能力上，以泉州基准台重力仪为例，如图5 所示，重力仪同震响应波幅与地震强度、震中距呈现正相关关系，相同震中距，震级越大，波幅越大；从时频图上可以看出，不同强度和震中距的地震，在频域上的不同分布，远震以低频率成分为主，福建台网另外5 个重力台也呈现同样的现象。

图4 gPhone 重力仪记录到地震同震响应曲线Fig.4 Coseismic response curves recorded by gPhone gravimeter

图5 泉州台重力仪地震同震响应时序图和时频图Fig.5 Time sequence diagram and time frequency diagram of coseismic response of gravimeter at Quanzhou station

2.3 地磁观测分析

福建地磁观测台网由5 个地磁观测台站组成，主要观测仪器为质子矢量磁力仪、磁通门磁力仪。图6 为福建地磁台网观测各测项变化趋势，地磁观测年变呈现出一定周期变化的规律，总体上夏季变化大，冬季变化小，各分量日变幅白天变化大，夜间变化小，但变化形态没有显著差别。日变形态和日变幅还随着纬度呈现规律性分布，地磁总强度大小随着纬度的增高而增大，而垂直分量变化的显著特点是中午有一个极小值，相位随经度而变化，同一地方时的相位基本相似。

从图6 可看出福建地磁场观测水平分量H呈平稳震荡变化、磁偏角D 呈下降趋势，垂直分量Z 和总强度F 呈上升趋势，各地磁台站各分量变化一致。地磁总强度F 观测值大小同纬度呈正相关关系，纬度越高，观测值越大，邵武台处于最北边，观测值最大，年均观测值约为47520nT，漳州台处于最南边，观测值最小，年均观测值约为45995nT，另外三个台站按纬度从高到底分别是永安台、龙岩台和泉州南安地磁台，年均观测值分别约为46688nT，46402nT，46043nT，其他分量观测值跟纬度高低没有必然联系，垂直分量Z 和总强度F 日变幅呈现夏季变化大，冬季变化小的规律。

图6 福建地磁台网观测各测项变化趋势Fig.6 Variation trend of observation items of Fujian Geomagnetic Network

2.4 地下流体观测分析

一个好的承压井地下水位的变化，能反映出地球潮汐体应变的变化[7]。水位主要受降雨影响呈季节性的起伏变化，总体上呈夏高冬低的动态。福建地下流体共有22 个台站，不同台站水位受降雨影响产生的变化幅度不同，以2019年为例，对福建16 个台水位变化幅度F 与降雨量累计值R 的关系进行统计，另外6 个台站水位受周边抽水影响不纳入统计，结果如表3 所示。从表3 可以看出，不同台站水位变化幅度（F/R） 不同，大于1.0 的有10 个台，小于1.0的有6 个台，其中南安2 号台和福清江兜台变化最大，宁德台和罗源洋后台变化最小，究其原因可能是与各井所在区域降雨量、井孔水文地质条件有关[8]。通过分析水位多年动态变化情况，如图7 所示，年变动态呈现夏高冬低的形态，这与福建地处大陆东部沿海，位于北亚热带湿润季风气候区内，夏季潮湿多雨，冬季干燥少雨的情况相符。从多年年变幅度看，以永安台为例，通过对永安台水位年变幅度和降雨量累计值进行多年拟合，拟合结果如图8 所示，水位的年变幅度与降雨量总体呈正相关关系，对全省其他台站水位进行同样拟合分析，结果一致，降雨量越大水位年变幅越大。

图8 永安台水位年变幅度与降雨量拟合对应曲线Fig.8 Fitting corresponding curve between annual variation range of water level and rainfall in Yong'an Seismic Station

表3 福建地球物理台网静水位变化幅度与降雨量关系（2019 年1—6 月）

图7 部分水位多年动态曲线与降雨量关系Fig.7 Typical multi year dynamic curves of some water levels

衡量水温观测质量的重要指标是水温一阶差分均方差应≤0.02，一阶差分序列超过3 倍均方差的个数应≤1%[8]，以2020 年为例，福建地区水温主要技术指标如表4 所示，水温观测数据一阶差分均方差和一阶差分序列超过3 倍均方差的个数均符合水温观测质量指标要求，说明福建地区水温观测质量较高。

表4 福建地球物理台网水温观测主要技术指标（2020 年）

3 结论与讨论

通过对福建地球物理台网数据跟踪动态分析，得到以下结论：

（1）福建地区73.68%的形变仪器观测曲线能观测到清晰年变动态，年变幅度随台站条件不同而异，个别仪器观测曲线年变化规律不明显，没有明显年变周期观测仪器，主要表现为单调线性上升、下降或无规律性的年变情况。

（2）福建地区重力仪受台风和海潮潮汐影响大。在映震能力上，重力仪能清晰记录到地震波信息，同震响应波幅与地震强度、震中距呈现正相关关系。

（3）地磁场年变比较有规律，呈现夏季变化大，冬季变化小的周期性变化，各分量日变幅呈现白天变化大，夜间变化小，但变化形态没有显著差别。

（4）福建地区水温观测数据质量较好，水位受降雨影响明显，各台站的变化幅度也不一样，但受降雨影响总体上呈现季节性夏高冬低的起伏变化。