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第 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 59 监测与分析监测与分析 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 夏超德 浙江省宁波地震台 浙江 宁波 315029 摘要摘要 通过对宁波台地倾斜数字 VS 垂直摆与模拟 JB 水平摆倾斜仪 2002 年一年时间的并 行观测和研究 认为在观测资料的连续性 稳定性 可靠性和观测精度上 VS 垂直摆倾斜 仪明显优于 JB 水平摆倾斜仪 在数据传输上 数字化仪器实现了远距离快速传输 有利 于及时捕捉地震的短临信息 有利于资料共享 引言引言 2000 年以前 我国地震前兆地倾斜观测曾长期使用模拟记录仪器 随着科学技术 的不断发展 九五 期间中国地震局组织力量研制了一批数字化地震前兆观测仪器 并对部分台站实施了数字化改造 宁波地震台于 2001 年 4 月安装了 VS 型垂直摆倾斜 仪 简称 VS 垂直摆 通过对该台数字化倾斜仪与模拟 JB 型金属水平摆倾斜仪 简称 JB 水平摆 2002 年一整年时间的并行观测和研究 发现数字化仪器记录资料的连续性 稳定性 可靠性和观测精度等明显优于模拟记录 本文拟对此作对比分析 为数字化 仪器使用提供参考判据 1 1 台站观测条件及仪器台站观测条件及仪器 1 11 1 台址及观测条件台址及观测条件 宁波地震台位于中国东部的杭州湾南岸 宁波盆地北部山区与平原交界处的江北 区庄桥街道灵山村 纬度 29 58 N 经度 121 31 E 海拔 20m 距东海海岸约 16 m 地倾斜观测仪器安装在台内进深约 43 的人工开凿的专用山洞仪器室内 洞内 台基为上侏罗纪火山岩 岩性致密坚硬 整体性好 洞室顶覆盖层厚度在 30 以上 山坡上有杂草松树等植被 洞内有七道防护门 仪器室内日温差极小 年温差小于 0 3 常年保持在 18 1 左右 湿度大于 95 数字观测 VS 垂直摆和模拟观测的 JB 水平摆分别安装在同一山洞内的相距约 10 的两个仪器室内 详见图 1 数字仪的记 录室与摆室相距约 150 符合 规范 规定要求 周边没有明显的人为干扰因素 是 一个环境条件较为理想的观测台站 1 21 2 观测仪器观测仪器 1 2 11 2 1 模拟观测仪器模拟观测仪器 宁波台地倾斜模拟观测项目于 1973 年选台 1974 年开始建设 1977 年无锡仪器 仪表设备厂生产的 JB 型金属水平摆倾斜仪投入运转 JB 水平摆采用金属丝悬吊摆体 60 形变学科通讯 2006 年 摆体产生水平摆动 利用机械光放大原理 使用照相纸连续记录 每天定时更换一次 记录纸 对相纸处理后采用人工读数的方法获得观测数据 图 1 VS 垂直摆 JB 水平摆仪器室位置示意图 1 2 11 2 1 数字化观测仪器数字化观测仪器 根据 95 01 02 项目要求和台站山洞条件 选用由中国地震局武汉地震研究 所研制的 VS 型垂直摆倾斜仪 该仪器采用垂直悬挂的摆系 利用电容式位移传感器测 量摆的微小位移 通过传感器把探测到的信号经电容测微机箱直接输入公用数据采集 器中 公用数采选用由中国地震局地壳应力研究所研制的 DQS 2 型数采仪 除每天定 时向省局自动传输数据外 台站也可通过计算机收集前一天及当天的分钟值和整点值 数据 该台仪器同时配有长图记录器同步记录实时观测模拟电量曲线 仪器于 2001 年 4 月安装 同年 8 月投入考核运行 11 月通过验收进入正式运行 2 2 观测资料对比分析观测资料对比分析 2 12 1 资料的连续性对比资料的连续性对比 VS 垂直摆有两种记录方式 公用数据采集器收集 模拟长图曲线记录 对 2002 年观测数据进行统计 通过公用数采收集的数据 全年断记共 24 小时 缺记率为 0 14 其中更换仪器配件断记 6 小时 仪器厂家来台检查调试仪器 数采接触不良 干扰 强雷电干扰 强震等 造成数据无法使用合计 18 小时 而 VS 垂直摆的长图记 录不通过公用数采 因此缺记率仅为 0 03 由于 VS 垂直摆的输出有数字 数采 模拟两种方式同步记录 所以在数据应用时 只要 摆 不出现故障 数字与模拟记 录的数据还可以互补内插 使数据丢失率减少 能够最大限度地保持数据的连续性 2002 年由于发生 7 0 级及以上地震使 JB 水平摆有 5 次发生靠摆 记录器及光源灯 等其它原因造成记录曲线断记共计 75 小时 全年断记率为 0 43 对比分析统计结果表明 观测资料的断记率数字化仪器比模拟仪器低 2 22 2 资料的稳定性对比资料的稳定性对比 表 1 是 2002 年 VS 垂直摆 JB 水平摆各月份零漂值统计结果 从统计表中可看出 第 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 61 VS 垂直摆的最小零漂值为 NS 4 2 毫秒 9 月 EW 7 1 毫秒 4 月 月平均零漂 值为 NS 26 1 毫秒 EW 51 9 毫秒 JB 水平摆最小零漂值为 NS 15 0 毫秒 5 月 EW 10 5 毫秒 7 月 月平均零漂值为 NS 56 5 毫秒 EW 73 0 毫秒 在外界环 境及潮汐变化幅度相同的情况下 前者明显小于后者 说明 VS 垂直摆比 JB 水平摆记 录更加稳定 表 1 2002 年 VS 垂直摆 JB 水平摆各月零漂值 10 3 NSEW 月VS 零漂值JB 零漂值VS 零漂值JB 零漂值 1 0 05370 02360 0468 0 1311 2 0 02940 08830 0549 0 1550 3 0 02880 1038 0 0286 0 1283 4 0 01660 05510 0071 0 0487 5 0 0072 0 01500 0304 0 0453 60 0277 0 01930 0107 0 0421 70 0632 0 0686 0 1080 0 0105 80 0333 0 0856 0 1978 0 0236 90 0042 0 0974 0 0308 0 0346 100 0146 0 02880 0824 0 0497 11 0 01100 03750 0252 0 0731 12 0 02330 05550 0006 0 1339 2 32 3 资料的观测精度对比资料的观测精度对比 应用 形变前兆台网及台站数据处理系统 软件中的调和分析方法对 2002 年 VS 垂直摆 JB 水平摆的观测资料进行月系列调和分析 计算得到中误差和相对误差 结 果见表 2 根据此资料计算得 M2波潮幅因子均方差 m 外精度 相对噪声水平 M1 JB 水平摆均方差计算结果 EW 分量年均值 0 0056 8 个月均值 0 0045 均值 中误差 0 044 外精度 2 9 NS 分量年均值 0 0068 6 个月均值 0 057 均值中误差 0 101 外精度 3 3 m 加权平均 0 0050 见 2002 年度全国地倾斜与洞体应变台站观测 资料计算结果及说明 2 VS 垂直摆均方差计算结果 EW 分量年均值 0 0051 8 个月均 值 0 0041 均值中误差 0 045 外精度 2 4 NS 分量年均值 0 0074 6 个月均值 0 062 均值中误差 0 097 外精度 2 18 m 加权平均 0 0046 相对噪声水平 M1计算 结果 JB 水平摆平均 3 00 VS 水平摆平均 2 40 在资料处理方法相同的情况下 VS 垂直摆的 M2波潮幅因子均方差 m 外精度 相对噪声水平 M1等指标精度均高于 JB 水平摆 62 形变学科通讯 2006 年 表2 2002年VS垂直摆 JB水平摆中误差 相对误差统计表 NSEW VS JBVSJB月 中误差相对误差中误差相对误差中误差相对误差中误差相对误差 10 00840 00590 01910 00620 00900 00720 00890 0060 20 01260 00890 02650 00860 00410 00330 00770 0052 30 01460 01050 02880 00930 00620 00510 01570 0106 40 01050 00750 01970 00630 00570 00460 00730 0051 50 00910 00630 02240 00710 00420 00350 01140 0078 60 00930 00630 02050 00640 00400 00320 00630 0041 70 01200 00800 02120 00660 00480 00390 00680 0045 80 00840 00580 02400 00780 00510 00410 00810 0053 90 01360 00960 02740 00910 00590 00490 00840 0054 100 01290 00930 02620 00900 00650 00530 01160 0074 110 01020 00730 02270 00770 00400 00330 01630 0104 120 00990 00700 01890 00630 00450 00370 00890 0056 2 42 4 资料的可靠性分析资料的可靠性分析 2 4 12 4 1 模拟模拟 JBJB 水平摆与数字水平摆与数字 VSVS 垂直摆记录波形形态对比垂直摆记录波形形态对比 图 2 是 2002 年 11 月 17 18 日 JB 水平摆整点值 VS 垂直摆整点值和分钟值观测 曲线图 从图中可以看出 两种仪器在正常情况下每天都能记录到清晰的固体潮波形 一日两峰两谷 两个分向同步性非常好 在幅度上 JB 水平摆两分量在 60 毫秒左右 VS 垂直摆东西在 60 毫秒左右 北南向略小在 40 毫秒左右 图中可看出 VS 垂直摆 分钟值曲线比较光滑 JB 水平摆整点值曲线有较明显的尖点 图 3 是 2002 年 11 月 17 18 日 JB 水平摆整点值 VS 垂直摆整点值和分钟值的矢 量曲线图 图中显示两种仪器在一天时间里 基本上是两个逆时针旋转的不封闭椭圆 两个分向同步性变化也较好 且其中 VS 仪分钟值曲线比较光滑 更有利于异常的判断 在图 2a 中 JB 仪器北南向 18 日 04 时的数据误差为 4 毫秒不容易发现 但在图 3d 中曲线有明显畸变 通过复查发现 04 时的数据为 40 8 毫秒而正确数据应为 36 8 毫秒 为数据输入错误 图 2a 中 17 日 JB 仪器的分钟值有一些仅为 0 5 毫秒的小波动 不易看清 而在图 3c 中有明显的矢量异常 查看地震记录 11 时 53 分在鄂霍次克海发 生 7 0 级地震 第 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 63 a NS 分量曲线图 b EW 分量曲线图 图 2 2002 年 11 月 17 18 日整点值和分钟值观测曲线图 a 17 日 JB 仪整点值 b 17 日 VS 仪整点值 c 17 日 VS 仪分钟值 d 18 日 JB 仪整点值 e 18 日 VS 仪整点值 f 18 日 VS 仪分钟值 图 3 2002 年 11 月 17 18 日 JB 仪整点值 VS 仪整点值和分钟值矢量曲线图 图 4 是 2002 年 5 月 11 月 JB 水平摆与 VS 垂直摆整点值月分量曲线图 从图中 能看出 两种仪器月潮汐变化都为两次大两次小 变幅 的半月周期波 整点的变化 规律及大小潮汐的变化完全相同 只是漂移方向不同 64 形变学科通讯 2006 年 a 2002 年 5 月 b 2002 年 11 月 图 4 2002 年 5 月 11 月整点值分量曲线图 2 4 22 4 2 JBJB 水平摆与水平摆与 VSVS 垂直摆观测资料相关性分析垂直摆观测资料相关性分析 在 VS 垂直摆与 JB 水平摆记录的整点值曲线图中 同一时段的固体潮形态一致 方向相同 日变规律完全相同 应用两组数据互相关系数的数理统计方法对 2002 年 VS 垂直摆 JB 水平摆进行互相关系数统计 相关系数的值 r 在 1 和 1 之间 当 r 0 时 显示数据正相关 r 0 84 时数据高度相关 r 0 时 显示数据负相关 r 0 时 显示 数据不相关 两个变量相关的程度愈大 相关系数的绝对值就愈接近于 1 应用 地震 前兆信息处理与软件系统 软件计算处理后得到了两套仪器的日整点值月平均相关系 数结果见表 3 从表 3 中能够看出 EW 向相关系数均在 0 9 以上 NS 向有 4 5 11 12 四个月在 0 9 以下 查看资料发现这些月都有地震靠摆现象 校正后有 台阶 互相关较其它月份差 全年的相关系数平均值为 EW 0 9601 NS 0 9318 两 种仪器观测得到的数据高度相关 说明这两组数据的变化规律基本相同 表 3 2002 年 VS 垂直摆与 JB 水平摆观测资料互相关系数据统计表 月EWNS 10 91661 0000 20 96480 9591 30 96410 9894 40 95720 8605 50 94840 8466 60 95070 9776 71 00001 0000 80 96010 8614 90 98000 9887 100 95361 0000 110 95970 8052 第 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 65 120 96240 8935 3 3讨论与结语讨论与结语 通过上述对比分析 结合两种仪器的工作特性 笔者有以下几点认识 1 JB 水平摆仪模拟观测资料 一般情况下只对整点值进行量图读取处理 虽然 有连续的记录图纸 一些极小的变化也能被记录到 但除台站观测人员外 一般专业 分析人员是不能及时看到其中的瞬间阶跃 突变等重要信息的 如果数据不加备注分 析人员就不能了解 且有可能漏掉前兆异常信息或临震异常现象 2 JB 仪观测值受人为读数影响较大 人工量算不准确也容易造成误差 规范 规定量图允许误差是 0 5 0 005 103 即最大可达 5 但每个人的读数习惯及准确程 度各有差异 直接影响到资料的准确性 一般在整点值分量图中 小于 2 毫秒的误差 很难被发现 而数字 VS 仪的记录不仅有整点值数据 还有分钟值数据 在观测室内还 可以实时看见连续记录曲线 即使有小的切变 阶跃等都能在分钟值数据中查找 在 日整点值矢量图上 2 毫秒的变化才能反映出来 但在分钟值矢量图上 0 4 毫秒的变化就 可以反映出来 特别是地震前后的抖动 可以在分钟值矢量图中发现 方便分析预报 人员做出准确辨别 3 JB 水平摆模拟记录每天要更换记录纸 不仅换纸的时段记录缺失 观测受气 温气压影响也大 另外 受地震影响还经常需要检测周期 调整零点等 故人为影响 明显 模拟仪器的摆是自由震荡的 遇较强远震时 持续时间较长 所记录的光点是 虚的 其数值要靠对比前一天的图纸来判断 如果仪器摆的吊丝装不好 还容易造成 阶跃 大震靠摆后调摆和标定的时间较长也会影响记录的准确性 大地震影响时可能 发生靠摆事件 出现数据丢失现象 2002 年共发生 5 次靠摆 靠摆后的校正很容易出 现系统误