陳貴美，譚爭光，劉 錦，王小娜，邵 葉，李曉慧

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

中國地震局為推進地球物理臺網(wǎng)從觀測向觀測、應用并重轉變，強化觀測數(shù)據(jù)的質量控制，規(guī)范數(shù)據(jù)處理分析工作，發(fā)揮前兆觀測數(shù)據(jù)在震情監(jiān)視、會商中的基礎性作用，推進監(jiān)測預報結合，更好地服務于地震預測和科學研究。廣東區(qū)域地球物理臺網(wǎng)從2014年6月份開始，按中國地震臺網(wǎng)中心制定的相關要求開展了數(shù)據(jù)跟蹤分析工作[1]。隨著多年的跟蹤分析工作的積累及研究，臺站產生大量的數(shù)據(jù)。而這些工作對臺站產出數(shù)據(jù)是否真實可靠，觀測人員能正確認識觀測資料質量和變化特征，確定觀測值的正常動態(tài)變化范圍，正確識別異常等等，卻未做過論證和評價。本文針對廣東省形變臺站觀測數(shù)據(jù)資料進行探討分析。認為資料的穩(wěn)定性和可靠性等方面均達到預報指標要求，可以應用到日常的地震預報工作中。

1 觀測資料質量分析

1.1 觀測數(shù)據(jù)分析

廣東形變觀測歷經了模擬和數(shù)字長時間的數(shù)據(jù)觀測：期間模擬觀測經過近30年的運行，在地球動力學及地震預報研究中均顯示出不可替代的作用。N3水準儀、007水準儀、擺式傾斜儀、電子傾斜儀、水管傾斜儀、金屬擺傾斜儀、整體傾斜儀等，水準儀的數(shù)據(jù)所顯示的各測區(qū)的總體形變過程及局部形變變化特征，為全省地震趨勢會商會提供了背景資料。傾斜儀能觀測到固體潮，這些儀器可以觀測到目前唯一能從理論上精確計算的形變（傾斜、重力、應變）固體潮，還有可能捕捉到不同形式的地震前兆信息。

廣東省形變數(shù)字化觀測自2007年陸續(xù)開始至今，也經歷了10 多年的時間。形變儀目前主要為地傾斜和地應變儀，包括“九五”、“十五”地傾斜5 套（垂直擺傾斜儀和水管傾斜儀）和地應變儀3套（伸縮儀和分量式鉆孔應變儀）。其中汕頭4 套，分別為DSQ 水管傾斜儀、VP 寬頻帶傾斜儀、SS-Y銦瓦棒伸縮儀和RZB-2分量式鉆孔應變儀；信宜2套為VS 垂直擺傾斜儀和RZB-2 分量式鉆孔應變儀；潮州1 套VP 寬頻帶傾斜儀；韶關1 套VS 垂直擺傾斜儀。形變數(shù)字化前兆儀器的使用，避免了觀測人員到觀測室換紙等干擾因素，減少了對觀測環(huán)境的影響，同時也避免了人工讀數(shù)造成的誤差。因此觀測資料總體質量應更有保證。

廣東地區(qū)雖然是少震區(qū)，但在過去模擬時期的30 多年的地震預報探索過程中。也觀測到一些震前形變異常，如1986年的陽江5.0 級地震和自1970年以來新豐江水庫區(qū)4級以上地震。信宜臺整體擺傾斜儀觀測結果顯示出傾斜量有異常變化；新豐江臺的形變儀在新豐江水庫區(qū)4級以上地震前后，有異常變化顯示。通過巖石力學實驗和理論研究以及大量的觀測和震例總結，以往地形變模擬觀測在地震預報中的作用已為地震學者所公認。2007年以后投入的數(shù)字化觀測，資料已應用到地震監(jiān)測中。在積累了多年的資料后，在做跟蹤分析之余，有必要根據(jù)形變觀測規(guī)范的標準，對觀測數(shù)據(jù)進行全面的認識和評價，以便能更有效的在強地震的監(jiān)測中發(fā)揮作用[2]。

1.2 資料選取

在整理多年的資料時發(fā)現(xiàn)，部分臺站的可用資料長度僅3～4個月，計算mγ、σα的誤差太大，因此用月序列主波潮汐參數(shù)的穩(wěn)定性研究資料的穩(wěn)定性。另外在觀測精度分析前增加了Nakai 檢驗，對資料進行預處理，并以殘差值的分布評判資料穩(wěn)定性。

觀測數(shù)據(jù)內精度分析對數(shù)據(jù)的基本要求是，①進行Nakai 檢驗的資料連續(xù)率在48 h 以上，并剔除不連續(xù)的數(shù)據(jù)段；②為保證潮汐參數(shù)的準確性，必須排除Nakai 檢驗中擬合殘差太大的數(shù)據(jù)段。原計劃統(tǒng)一使用2017年1月到2017年12月的資料進行分析，但在整理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，部分臺站不連續(xù)的數(shù)據(jù)段較多，如韶關臺的垂直擺傾斜儀、潮州臺的寬頻帶傾斜儀等，為保證計算精度和準確性，選擇至少連續(xù)穩(wěn)定觀測3個月以上的資料參加分析。各套儀器所選取的時間見表1、表2。

1.3 觀測數(shù)據(jù)內精度分析

連續(xù)形變主要觀測傾斜與應變。本文根據(jù)中國地震局制定的《地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范—地殼形變觀測（試行）》[3]及中國地震局監(jiān)測預報司編制的《地形變測量》為標準，以2017年觀測數(shù)據(jù)為例，對廣東省現(xiàn)行在觀測的各形變儀進行分析。

《地形變測量》中提出，現(xiàn)有的傾斜和應變觀測資料內精度指標共有兩項內容：觀測資料調和分析，觀測相對噪聲水平計算。而優(yōu)秀臺站即Ⅰ類臺的標準是，地傾斜M2 波中誤差mγ≤0.02、日均值相對噪聲水平M1≤0.02'；地應變M2 波相對中誤差σα/α≤0.05、日均值相對噪聲水平Ml≤0.05×10-6[4]。

1.3.1 固體潮觀測精度

（1）利用相對M2 波潮汐因子的中誤差和相對誤差。 檢驗觀測資料的精度。優(yōu)秀臺站（Ⅰ類臺）的標準是，地傾斜潮汐因子的中誤差mγ≤0.02。應變相對中誤差σα/α≤0.05。

（2）內在精度計算結果分析。使用中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對各臺站數(shù)字化形變觀測資料進行了數(shù)據(jù)檢驗和評價分析。采用以傾斜潮汐因子γ值、線應變因子α等為代表的、既具有明確物理意義，又有較高的有效率的誤差分析方法進行計算[5]。地傾斜儀的傾斜潮汐M2 波γ值中誤差以及應變儀潮汐M2 波σ值相對中誤差計算精度結果見表1、表2，由表可見各臺形變儀精度大多數(shù)達到優(yōu)秀標準。

表1 地傾斜觀測數(shù)據(jù)精度結果表Table 1 Precision results of clinometer observation data

表2 地應變觀測數(shù)據(jù)精度結果表Table 2 Precision results of strainmeter observation data

（接表2）

各臺形變儀誤差結果見圖1、圖2。對地傾斜儀資料的分析表明，①水管傾斜儀的誤差最小，mγ≤0.02 的月份有9個，整年誤差均值是0.0214，最小誤差值為0.0077；②同為VP 寬頻帶傾斜儀，汕頭臺的誤差相對較小，NS 向較EW 向好，mγ≤0.02 的月份NS 向有8個，EW 向無，整年誤差均值是0.0323，最小誤差值為0.0128。潮州臺為市縣臺，從安裝開始就不穩(wěn)定，其誤差較大，尤其EW向更甚，mγ≤0.02 的月份NS 向有6個，EW 向無，整年誤差均值是0.0573，最小誤差值為0.0148；VS垂直擺傾斜儀，韶關臺的誤差較信宜臺大，可能是因為儀器老化，故障較多，導致2臺的誤差均較大。韶關臺NS 向較EW 向差，mγ≤0.02 的月份NS向有5個，EW 向11個，整年誤差均值是0.0276，最小誤差值為0.0081。信宜臺主要是NS 向較差，EW 向很好，mγ≤0.02 的月份NS 向有6個，EW 向12個，整年誤差均值是0.0167，最小誤差值為EW向的0.00。

圖1 各臺傾斜儀M2波γ值中誤差Fig.1 The RMS of γ value of M2 wave of each inclinometer

圖2 各臺應變儀M2波σ值相對中誤差Fig.2 The relative RMS of σ value of M2 wave of each strain gauge

對洞體應變儀資料的分析來看，相對誤差較小，σα/α≤0.05 的月份12個，整年誤差均值是0.0268，最小誤差值為0.007。說明潮汐觀測的日變形態(tài)正常，穩(wěn)定性好。

鉆孔體應變資料的分析表明，汕頭和信宜2個臺站的相對誤差均很小。σα/α≤0.05 的月份分別為11 和12個，整年誤差均值是0.0183 和0.0131，最小誤差值為0.0054、0.0024。

1.3.2 相對噪聲水平

相對噪聲水平M1是用來判斷觀測資料長期穩(wěn)定性的一項定量指標。優(yōu)秀臺站即Ⅰ類臺此項標準是，地傾斜日均值相對噪聲水平M1≤0.02'；地應變日均值相對噪聲水平Ml≤0.05×10-6。采用中國地震前兆臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)集成版軟件提供的相對噪聲水平計算方法，計算了廣東省4個臺站8 套形變儀器連續(xù)3年的數(shù)據(jù)均值。計算結果見表3。結果表明，除市縣管理的潮州臺VP 寬頻帶傾斜儀相對噪聲水平較高，為0.0308'和0.0568'未達到優(yōu)秀外，其余均為優(yōu)秀以上，其中伸縮儀的最低，其次是2套鉆孔應變儀。

表3 形變儀相對噪聲水平表Table 3 Relative noise level of deformation instruments

2 形變觀測資料評價

對廣東省觀測資料的連續(xù)性、動態(tài)穩(wěn)定與噪聲水平、觀測精度等方面進行數(shù)據(jù)質量評價。

2.1 資料連續(xù)性

數(shù)據(jù)連續(xù)是地震預報對觀測數(shù)據(jù)的基本要求之一。對2017年度各臺儀器的連續(xù)率進行統(tǒng)計，結果見表4 可以看出，各儀器的連續(xù)率均達到99%以上，觀測儀器的運行狀態(tài)良好。

表4 2017年度各臺形變儀連續(xù)率Table 4 The continuity rate of each deformation instrument in 2017

2.2 資料年零漂、年變幅及噪聲水平統(tǒng)計

由漂移量可以看出儀器的穩(wěn)定性和年變形態(tài)，漂移量是檢驗儀器是否正常工作的重要指標。由表5 和圖3 可以看出：對于地傾斜儀，汕頭臺的1套水管傾斜儀的月漂移量在0.001～0.08 之間；汕頭臺、潮州臺、信宜臺和韶關臺的垂直擺傾斜儀，其NS 向月漂移量在0.0002～0.61 之間，EW 向在0.0015～0.52 之間?？傮w來說，垂直擺傾斜儀的月漂移量都不大，多數(shù)在0.2 內。信宜和韶關臺的月漂移量較大，信宜臺NS 向超出0.2 范圍內有3個，韶關1個，EW 向超出0.2 信宜、韶關臺各1個，說明這2臺儀器的穩(wěn)定性較其他臺略差。

圖3 2017年傾斜、應變儀各月零漂值Fig.3 Monthly zero drift value of inclinometer and strainometer in 2017

表5 2017年各臺形變儀年零漂均值Table 5 Mean value of annual zero drift of deformation instruments in 2017

對于地應變儀，汕頭臺的洞體應變儀的穩(wěn)定良好，月漂移量在0.0003～0.03 之間；信宜臺、汕頭臺的鉆孔應變儀NS 向和EW 向月漂移量，除了汕頭臺各有1個較大值外，分別為2.8 和0.6，其余均在0.1范圍內。

噪聲水平指標與觀測環(huán)境、觀測系統(tǒng)噪聲水平等直接關聯(lián)，主要反映數(shù)據(jù)動態(tài)變化的穩(wěn)定性水平[6-7]。從表3 結果來看，汕頭臺形變觀測儀器安裝在168 m 的坑道內，干擾少，觀測條件較好，各儀的相對噪聲水平均較低。信宜臺洞壁為花崗片麻巖，巖性完好。2 套形變儀的相對噪聲水平應變儀較小，垂直擺稍大。韶關臺基條件穩(wěn)定，觀測條件較理想，形變儀噪聲水平較低。潮州臺噪聲水平較高，該臺是隸屬潮州市地震局的地方臺站。形變觀測的山洞洞壁和洞頂為石砌結構，底部為水泥埕面，洞體長年潮濕，加上南方雷雨天氣頻繁，因而一定程度影響了記錄的連續(xù)性、完整性、穩(wěn)定性和觀測質量[8-9]。

2.3 資料穩(wěn)定性及可靠性評價

潮汐變化是外部天體對于地面觀測站相對位置變化造成的附加引力而引起的，而地震研究關注的是從實際觀測資料中分離出與地震孕育有關的非潮汐因素所引起的傾斜、應變及重力變化[10]。用Venedikov 法可將潮汐波背景值剔除，較完整地保留細微的形變信息。M2 波潮汐因子中誤差是評定觀測資料精度的主要標準，用相位滯后可以比較不同臺站資料的穩(wěn)定程度[11-12]。在地震平靜期，用上述方法也可反映出觀測系統(tǒng)受干擾情況、自身運行情況及臺址條件，從而對各臺資料穩(wěn)定性和可靠性進行評價

2.3.1 地傾斜儀

洞體地傾斜測量是在山洞或地下室內應用傾斜儀測定地面的傾斜變化。廣東此類形變觀測儀有水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀。

傾斜儀γ因子中誤差和M2 波相位滯后誤差見圖1 和圖4。對DSQ 水管傾斜儀潮汐因子中誤差及相位滯后誤差計算情況來看：γ因子中誤差達到優(yōu)秀標準的月份NS 向10個較EW 向7個多，說明觀測精度NS 向較EW 向高。汕頭、信宜VP 寬頻帶傾斜儀NS 向γ因子中誤差達到優(yōu)秀標準的月份較EW向多。信宜、韶關垂直擺傾斜儀則EW 向γ因子中誤差達到優(yōu)秀標準的月份較NS 向多，誤差小的分量說明觀測精度較高。

圖4 形變儀相位滯后誤差Fig.4 Phase lag error of deformation instrument

從M2 波相位滯后的誤差可以得出：DSQ 水管傾斜儀、汕頭VP寬頻帶傾斜儀和韶關VS垂直擺傾斜儀的EW 向誤差較小，表明固體潮波動小，數(shù)據(jù)記錄穩(wěn)定。而潮州VP寬頻帶傾斜儀和韶關VS垂直擺傾斜儀的NS 向誤差相對較大，表明固體潮波動大，數(shù)據(jù)不夠穩(wěn)定。

垂直擺傾斜儀mγ年誤差均值和M2波相位滯后的誤差由小到大的排序為信宜、韶關、汕頭、潮州和汕頭、信宜、韶關、潮州。信宜臺的mγ誤差最小，相位誤差也較小，說明觀測精度高，資料較為穩(wěn)定。汕頭臺相位誤差最小，mγ誤差略大，潮州臺各項指標均較差，觀測精度及穩(wěn)定性均不理想。

2.3.2 地應變儀

由圖2和圖4可以得出：汕頭SS-Y伸縮儀潮汐M2 波σ值相對中誤差較小。相位滯后誤差NS向較大，EW 向較小。RZB-2 分量式鉆孔應變儀，汕頭和信宜2個臺站潮汐M2 波σ值相對中誤差均很小，信宜臺略小。相位滯后誤差以上2 臺總的基本相當，而汕頭臺NS 向較EW 向小，為0.6121 和1.4880 ；信宜臺NS向較EW向大，為1.0667 和0.4394。說明應變儀的以上指標達到或超過了中國局形變Ⅰ類臺標準。

3 結語

廣東省數(shù)字化形變觀測臺網(wǎng)經過10 多年的運行，各手段數(shù)據(jù)在觀測質量、靈敏度及精度上尚可，資料的穩(wěn)定性和可靠性等方面均達到預報指標要求。觀測臺點以及部分臺站的觀測數(shù)據(jù)，為地震預報提供了豐富的資料。經數(shù)據(jù)處理分析認為：觀測資料能夠提供較明顯的短臨及臨震信息，在地震預報工作中將會成為有利的判據(jù)，發(fā)揮重要作用。

（1）對廣東數(shù)字化形變觀測資料的分析表明，儀器的觀測精度多數(shù)臺達到中國地震局形變Ⅰ類臺標準，部分臺的精度遠遠超過了現(xiàn)有的指標，可以用于前兆異常的分析研究。形變儀器最多的汕頭臺和儀器次多的信宜臺觀測資料總體質量較好。韶關臺次之，潮州臺較其它臺受雷電、降雨干擾大、相對噪聲大，資料的穩(wěn)定性及精度較低，可能與臺基條件有關，值得進一步研究。

（2）汕頭DSQ 水管傾斜儀的觀測精度和穩(wěn)定性較好。中誤差mγ為0.021，相對噪聲水平0.002，月漂移量在0.001～0.08 之間，相位滯后誤差0.96。各項指標均達到優(yōu)秀。

（3）VP 寬頻帶傾斜儀，潮州臺因為市縣臺站，從安裝開始就不穩(wěn)定。其各項指標均不理想；汕頭臺的形變觀測儀器安裝在100 多米長的坑到內，干擾少，觀測條件較好，觀測精度較高，各項觀測指標較潮州臺好。對于VS 垂直擺傾斜儀，可能是因為儀器老化，韶關、信宜2臺運行均超出10年，故障較多，導致2 臺的誤差均較大。mγ中誤差普遍NS向較EW向差。

（4）分析認為，用于洞體地應變觀測與研究的SS-Y 型伸縮儀，其EW 分量的觀測結果優(yōu)于NS 分量，σα/α相 對 中 誤 差EW 向0.0132、 NS 向 為0.0403。

（5）為觀測地殼應變狀態(tài)隨時間的微小變化的鉆孔應變儀不同于其他洞室固體潮儀器，受人為及環(huán)境變化影響小[13-14]。對其資料的分析表明，汕頭和信宜2個臺站的相對誤差均很小。σα/α≤0.05 整年誤差均值分別為0.0183和0.0131。其余各項指標均為優(yōu)秀以上。