[科普中国]-地倾斜观测

背景介绍

地倾斜观测是地壳形变定点观测的主要方法之一，它主要测量地表某点处的垂直方向相对运动，一般由东西、南北两个方向组成。目前，世界许多国家如中国、日本、美国、意达利等均布设有高精度的地倾斜观测仪器，其用途主要涉及地震前兆观测研究、火山前兆观测研究和固体潮地球动力学观测研究研究等几方面。根据所选相对稳定基准线(面)的不同，观测仪器可分为水平摆倾斜仪和水管倾斜仪两大类。前者以铅垂线为参考基准线，后者则以水准面为参考基准面。除传统的洞室水平摆倾斜仪外，近十几年来，安装于钻孔中的摆式倾斜仪也得到较多应用2。

固体潮研究主要侧重于地倾斜观测中的周期性变化，该周期性变化主要由日、月引潮力引起，除主要的周日、半日周期成份外，还有月、半月、年、半年以及长周期的8。85年和18。6年等多种周期变化，在幅度上仍以月亮的主半日波幅度最大。固体潮各谐波的理论值，可以在假定地球介质为完全刚性(即假定地面法线对地球的位置保持不变)的条件下由潮汐静力学理论计算出来。由于地球的弹性特点，理论地倾斜值与实际地倾斜观测值之间存在着一定的比例关系，通常用三个勒夫数(Love number )或潮汐因子等系数表征(杨军，1998)。除此之外，由于地慢的滞弹性特点，实际地球在引潮力作用下的变形会显示出明显的相位滞后性，其滞后角在岩石圈表面一般为0.7“-3.5 。。利用固体潮勒夫数和相位滞后特征研究地球介质非均匀性、粘滞性以及更深入的地球动力学问题，已成为固体潮理论研究的重要分支之一(高布锡，1997)2。

地震和火山监测中的地倾斜观测研究主要侧重于地倾斜的非潮汐形变部分或固体潮的畸变信息，对此国内外学者已做了许多研究工作(冯锐，1978；牛安福，1995，1999；马桂芳，1986；杨志荣，1993；毛伟建，1984；刘序俨，1994；张雁滨，1998； Inouchi，1987；Okada，1980； Takada，1982；Hagiwara，1986 )，日本学者还曾在20世纪80年代前后研究报导了地倾斜、伸缩应变观测资料中的某些特征性长周期形变波动现象和可能的形变迁移现象(由海沟向内陆)( Kasahara，1979；Ishii，1978，1980；Shichi，1973 )，但对其变化机理的解释则主要归因于地震的影响和日本海沟板块边界力的向内传播2。

目的地倾斜观测是在山洞或地下室里通过倾斜仪测定地面的倾斜变化，是地壳形变学科不可缺少的一个重要组成部分。地倾斜观测的目的是研究地壳形变垂直的相对运动和固体潮汐的动态变化，前者是一种长期的过程，一般是非周期的；后者是周期性潮波，主要表现在半日波和日波。倾斜观测可以为地球固体潮汐、地壳岩石性质及地球参数等提供科学实验数据3。

倾斜仪倾斜仪是一种研究固体潮和地震的基本仪器。高精度倾斜仪对地壳形变的观测资料表明，地球具有弹性性质。地壳形变受到多个方面因素的影响，主要包括固体潮汐、海潮、地质形变、气象气压、水文干扰以及地球内部的作用所造成的地壳运动等。其中，固体潮汐和海潮作用是高精度地壳形变观测结果的主要组成部分，呈明显的周期性潮波。通过对理论固体潮和实际观测到的地倾斜固体潮结果相比较，剔除观测数据中长周期和非周期的干扰因素的影响，从两者的幅值和相位关系上来观察海潮对观测点处地形变的具体影响，这有助于研究负荷潮区和观测点之间的地球平均弹性性质，并得到观测点处地倾斜潮汐因子。倾斜仪在地下不同深度和不同地点的观测实验表明，气象层会引起地壳形变并导致倾斜，长周期性的倾斜分量往往与当地的水文干扰有关；而非周期的倾斜分量则考虑地壳的非弹性形变，这种信号往往呈现出一种长期缓慢倾斜的趋势，或者是短期和临震前的加速度倾斜趋势。可见，高精度倾斜仪作为一种地球动力学仪器在观测和研究地壳形变方面发挥着重要作用1。

在长期的地倾斜观测中，倾斜仪为了满足高精度的测量，其自身技术和性能也在不断发展和提高。一方面，传统形式的倾斜仪不断采用新技术进行改造，另一方面，结构新颖的倾斜仪仍在不断出现1。

1968年开始，我国分别研制成功了目视水管倾斜仪、金属水平摆倾斜仪、目视适应伸缩仪等。第二代地倾斜观测仪器在80年代中期出现，包括FSQ型自记水管倾斜仪、SSY型适应水平伸缩仪、SQ型石英水平摆倾斜仪。1996年，中国地震局为推动前兆台网的综合化、数字化、自动化，着手研制第三代地壳形变连续观测仪器，并获国家科技部九五期间“中短期前兆观测仪器的研制”专项研究项目支持，2000年通过专家组验收，其中包括DSQ型水管倾斜仪、VS型垂直摆倾斜仪两款地倾斜观测仪器。至此，我国地倾斜观测从目视读数、手工计数，每天获取24个值发展到自动计数和分钟值采样，并实现了数字化1。

新型仪器的入网观测以及开展相应的研究工作，地倾斜资料及其应用取得了丰硕的成果。随着时间的推移，分钟值采样的地倾斜数据己经不能满足当前的研究需求，特别是人们开始对慢地震的关注。观测和研究慢地震对地震发生、地球动力学和断层错动过程，具有重要的理论与实际意义；为地震预报的研究提供了新的途径。目前形变仪器记录的是固体潮的半日波和全日波，是地震动的低频段，而慢地震的周期通常为数十秒至数天，记录慢地震的高频端时存在空白区1。

地倾斜观测的资料质量评定方法对于地倾斜观测台站，观测资料质量的评定己建立了一套度量精度的标准体系，可以定量审核观测资料优劣，评价观测资料好坏。大量观测实践和经验表明，多年来对地倾斜观测资料质量的评定是有实际效果的，评定指标的内容与指标也完善起来，主要包括下述各项1。

一、缺记率与年零漂地倾斜观测记录的突出特点就是实现连续观测，这种连续观测对地震预报中短临震兆信息的提取、地震学现象的研究，都是重要的。因此，评定观测资料的连续率是资料质量控制的主要指标之一。

年零漂是用来衡量观测仪器及其墩基稳定程度获地壳继承性新构造运动的。其计算方法有：

（1）日均值法：将该年度12月31日的日均值减去当年1月1日的日均值，为该年零漂值(有正负之分)，单位为〃。

(2)潮汐值法：用12月31日23点整点值减去同年1月1日零点值。取位等同日均值法1。

二、潮汐因子及潮汐因子均方差台站日常检测资料是动态随机观测序列，序列中既有多种信息成分，也有噪声影响。为了更好地使用资料和维护观测系统的正常运行，建立客观、准确评定计算资料序列的经度指标就显得尤为重要。

固体潮观测值相对其理论值的偏离通常可使用基于最小二乘法的维尼迪克夫调合分析方法进行分析，该方法可以求解各个波群的观测振幅对理论振幅之比和观测相位与理论相位之差。前者定义为潮汐振幅比及潮汐因子，后者定义为潮汐相位滞后，二者统称为潮汐导纳，也可称为潮汐响应函数。

M2波潮汐因子均方差是用来评定固体潮观测资料内在质量精度的一项定量指标1。

三、相对噪声水平相对噪声水平M1是用来判断观测资料长期稳定性的另一项定量指标。主要有两种计算方法：

（1）应用契比学夫多项式与一年度观测资料73个五日均值作30阶拟合而得。

用契比学夫多项式评定台站观测资料的精度和长期稳定性是一种数学逼近拟合法，在计算过程中，在不使用辅助观测量的情况下，可将周期大于一定值的(如25天)规律性干扰因素排除；并且多项式中的Cn系数值在资料的卓越周期分析和主要干扰因素的判定中，能够发挥作用。这种计算方法被广泛使用，并收到良好的效果1。

（2）连续观测资料精度评定计算的均方连差法

使用均方差、期望、偏度等指标对台站观测序列统计特性的计算检验得知，日均值观测序列带有系统变化的信息成分，不能作为随机统计序列；由日均值之差构成的差分序列，较原序列的统计特性有较大变化，偏离性、离散型、凹凸性等指标得到了削弱，序列服从或近似服从正太分布，从而可以利用该序列直接求差分值的均方差，再由误差传播定律求出日均值在不受系统成分影响下的均方误差。差分序列均方差称为均方连差1。

当前发展随着观测技术的发展以及观测目标的拓展，地倾斜观测也发生了相应的变化。“九五”开始的前兆台网数字化改造，地倾斜的数字化观测技术取代了模拟观测技术，数据采样间隔由模拟观测的1小时采集1次加密为1分钟采集1次。地倾斜观测历经以固体潮现象为观测目标、以固体潮精度指标为质量检验标准的过程到更高频信息的获取和分析，目前己不仅限于对固体潮的高精度观测1。