陕西汉中地区定点形变台站观测数据质量评价

王颖昌 岳鹏 朱宣明 高余庆

（1.陕西省地震局，陕西 西安 710068；2.安康地震监测中心站，陕西 安康 725000）

0 引言

汉中地区由龙门山北东向断裂带和略阳—洋县东西向断裂围限，盆地与周围山地的差异运动强烈，地震活动较为频繁。最大历史地震为5.5级地震（洋县1624年、1635年，汉中1636年，略阳1908年），最大近代地震为1967年南郑5级地震，该地区现有定点形变台站两个，分别是汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台，共架设各类倾斜应变观测仪器5台套，对监测和研究该区域地表变形、断层活动、地震前兆及深部构造演化等具有重要的科学价值。本研究通过对分别架设在两个台站的两套DSQ型水管倾斜仪和两套SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪近5年的连续率、完整率、年零漂、长周期拟合相对噪声水平和资料质量评定内精度（M2波潮汐因子均方差mγ和M2波潮汐因子相对中误差σα/α）等技术指标进行计算，总体评价观测资料质量，以期为无人值守地震台站监测效能评估和地震预测预报提供参考。

1 台站及测项概况

1.1 南郑813厂形变台基本情况及地震地质构造背景

汉中形变台（南郑813厂）地倾斜（应变）观测采用全数字化观测仪器，为无人值守台站。该台位于汉中市南郑县813厂军用山洞内，海拔高度564 m，山洞进深183 m，台基岩性为伟晶花岗岩，坚硬完整，致密均匀，岩层倾角8°左右，地理坐标为东经107°43′、北纬33°1′。该山洞地处龙门山北东向断裂带的北东端，距娘娘山—秦家坝断层1 km，距汉江3 km，周围无大型建筑、采矿爆破点、输变电站等干扰。最大历史地震为5.5级地震（洋县1624年、1635年，汉中1636年，略阳1908年），最大近代地震为1967年南郑5级地震。

1.2 汉中形变台（南郑813厂）测项分布情况

汉中形变台（南郑813厂）现安装有DSQ型水管倾斜仪、SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪、VP型宽频带倾斜仪。仪器测项分布如图1所示。

1.3 宁强形变台基本情况及地震地质构造背景

宁强形变台位于陕西省宁强县汉源镇滴水铺村石梁沟，距离宁强县城约14 km，建成于2011年，现为无人值守台站。其地理坐标为东经106°24′、北纬32°92′，海拔高度865 m，属北亚热带内陆性季风气候。现有观测山洞为村民开挖的石炭洞，洞内已无石炭，为沉积灰岩，岩性致密完整，覆盖30 m，青冈木植被。2011年经优化改造后，适用于数字化倾斜仪和洞体应变仪观测。台站地处秦岭山脉中段南坡，地貌为山地，构造上处于平武－青川断裂带东南盘上。

1.4 宁强形变台测项分布概况

宁强形变台现安装有DSQ型水管倾斜仪、SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪两套仪器。仪器测项分布图如图2所示。

2 观测资料质量评价

2.1 资料选取与评价指标

本研究选取了汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台水管仪2017—2021年DSQ型水管倾斜仪和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪的观测数据产品，包括整点值、日均值和五日均值等，参考地壳形变学科组拟定的技术指标进行对比研究，选定的洞体倾斜观测质量评价指标有连续率、完整率、年零漂、M2波潮汐因子均方差mγ、相对噪声水平，洞体应变观测质量指标有连续率、完整率、年零漂、M2波潮汐因子相对中误差σα/α、相对噪声水平。

2.2 数据连续率、完整率和年零漂

观测数据连续、完整是地震研究对观测数据的基本要求，也是检验观测仪器运行质量的重要条件，按照地壳形变学科组评分标准一般大于99.5%视为优秀，连续率和完整率的计算公式分别为式（1）和式（2）。

按式（1）和（2）分别计算汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台DSQ型水管倾斜仪和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪2017—2021年的数据连续率（原始数据）和完整率（预处理数据），结果如表1、表2所示。由表1可知，数据连续率方面，汉中台水管仪除2020年因更换整套观测系统导致连续率为98.2%以外，其他年份数据连续率均在99.5%以上，宁强台水管仪2017—2021年数据连续率均在99.6%以上，达到优秀标准；数据完整率方面，201—2021年汉中台水管仪完整率在97.7%～99.7%之间，平均值98.8%，宁强台水管仪完整率在97.9%～99.7%之间，平均值99.0%。由表2可知，汉中台和宁强台伸缩仪2017—2021年数据连续率为97.9%～100%，2019年宁强台伸缩仪两分量数据均完整连续，无缺记、断记；数据完整率方面，汉中台在2018年对伸缩仪观测系统进行了整体更换，仪器安装调试过程产生中产生了较多的错误数据，造成当年数据完整率偏低，其他年份均在98%以上，宁强台伸缩仪2017—2021年数据完整率仅为89%～99%，整体来看DSQ水管倾斜仪运行质量宁强台略优于汉中台，SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪运行质量汉中台优于宁强台，经查询观测日志可知，影响观测数据连续性和完整性的主要原因有：供电系统故障，数据采集器故障，传感器故障和人员进洞调零，维修仪器干扰宁强台伸缩仪以及受到山洞内鼠患影响。

年零漂用于衡量观测仪器及基墩稳定程度或地壳继承性新构造运动，在一定程度上反映了仪器的稳定性及所测方向的微小形变，可采用日均值法和潮汐值法进行计算［1］。本研究采用日均值法计算汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台DSQ型水管倾斜仪和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪的年零漂，即将1年内12月31日与1月1日日均值的差值作为该年度零漂值。计算结果见表1和表2。结果显示，宁强台水管仪NS向年零漂较小，EW向次之，汉中台水管仪两分量年零漂相对较大，其中EW向略小于NS向；宁强台伸缩仪EW向年零漂波动较大，NS向和汉中台伸缩仪两个分量年零漂较小且相对稳定，汉中台2018年和2020年分别对伸缩仪和水管仪观测系统进行更换后，年零漂幅度未见明显变化。

表1 DSQ型水管倾斜仪连续率、完整率和年零漂统计

表2 SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪连续率、完整率和年零漂统计

2.3 相对噪声水平

长周期拟合相对噪声水平M1是衡量观测资料长期稳定性的一项重要指标，是用契比雪夫多项式与一个年度观测资料的5日均值作30阶拟合得到的［2］，计算公式为式（3）、式（4）。

式中：Tn(x)称为契比雪夫多项式；x为五日均值；C0为常数；Cn为拟合系数；n为系列号；m为提取的五日均值总个数［3］。

根据式（3）、式（4）分别计算汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台DSQ型水管倾斜仪和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪的相对噪声水平M1，计算结果见表3和表4，可以看出2017—2021年宁强台水管仪两分量相对噪声M1在0.001 1～0.003 7之间，长期保持较低水平且较为稳定，汉中台水管仪两分量相对噪声M1在0.000 9～0.063 2之间，相对噪声水平偏大；2017—2021年汉中台伸缩仪两分量相对噪声M1平均值分别为：NS向0.003 8、EW向0.007 9，均小于宁强台，由相对噪声水平越低，则仪器稳定性越好可知，宁强台水管仪稳定性优于汉中台，汉中台伸缩仪稳定性优于宁强台，同时观测系统的更新亦未见对相对噪声水平有所提升。

表3 DSQ型水管倾斜仪相对噪声M1计算结果（单位："）

表4 SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪相对噪声M1计算结果（单位：1×10−6）

2.4 资料质量评定内精度

DSQ型水管仪观和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪观测资料精度分别以调和分析M2波潮汐因子均方差mγ和调和分析M2波潮汐因子相对中误差σα/α作为资料质量评定内精度计算指标。采用Vene⁃dikov调和分析方法［4］，利用EIS2000地震前兆信息处理与软件系统［5］，分别计算汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台DSQ型水管倾斜仪的M2波潮汐因子均方差mγ，如表5所示；分别计算汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪M2波潮汐因子相对中误差σα/α，如表6所示。

表5 DSQ型水管倾斜仪M2波潮汐因子均方差计算结果

表6 SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪M2波潮汐因子相对中误差σα/α计算结果

观测资料精度与场地环境、仪器最初架设情况、安装点的地理位置、地质构造、观测系统、人为干扰、自然环境干扰等均密切相关［6］。从计算结果可以看出，总体上看汉中台水管仪mγ为0.001 5～0.006 5，宁强台mγ为0.001 5～0.004 7，均满足地壳形变学科组mγ≤0.02的技术指标，以2021年为例，和陕西省内其他同类形变台站相比，宁强台水管仪两分量mγ平均值0.002 5，仅高于乾陵台（0.002 0），位列全省第二，汉中台mγ（0.003 1）与陇县台（0.003 1）持平，优于华阴台（0.003 7）、西安台（0.004 6）、宝鸡台（0.006 5）和平利台（0.011 8）；汉中台伸缩仪σα/α为0.005 3～0.012 6，宁强台σα/α为0.009 4～0.046 0，同样符合地壳形变学科组σα/α≤0.05的技术指标要求。观测系统更新对资料质量评定内精度提升同样不明显。

3 结论

综上，通过对汉中形变台（南郑813厂）和宁强形变台2017—2021年DSQ型水管倾斜仪和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪的观测数据进行对比分析得到以下结论。

①在仪器运行质量方面，宁强台和汉中台的DSQ水管倾斜仪总体运行平稳，数据连续性好，受观测系统故障和人为事件干扰影响，宁强台和汉中台SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪观测数据连续率和完整率偏低。

②在仪器稳定性方面，通过比较年零漂和相对噪声水平M1两个指标，可以看出宁强台DSQ水管倾斜仪稳定性优于汉中台，汉中台SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪稳定性优于宁强台。

③观测精度方面，汉中台和宁强台的DSQ水管倾斜仪和SS−YⅡ型洞体应变伸缩仪均符合地壳形变学科组技术指标要求，宁强台水管仪观测精度在全省同类台站中处于优秀水平。观测系统的更新对年零漂、相对噪声水平M1和观测精度的提升作用有限，结合前人研究成果，观测场地地质构造，洞室环境和基岩的选择直接决定仪器内在精度。

④整体来看，倾斜观测数据质量宁强台优于汉中台，应变观测数据质量，汉中台优于宁强台，为更加科学全面客观地评价形变台站观测数据质量，还应引入同类仪器数据相关性、同震响应情况等指标进行分析。