基本介紹
- 中文名：地傾斜觀測
- 外文名：Ground tilt observation
- 學科：測繪科學與技術
背景介紹,目的,傾斜儀,質量評定方法,當前發展,
背景介紹
地傾斜觀測是地殼形變定點觀測的主要方法之一，它主要測量地表某點處的垂直方向相對運動，一般由東西、南北兩個方向組成。目前，世界許多國家如中國、日本、美國、意達利等均布設有高精度的地傾斜觀測儀器，其用途主要涉及地震前兆觀測研究、火山前兆觀測研究和固體潮地球動力學觀測研究研究等幾方面。根據所選相對穩定基準線(面)的不同，觀測儀器可分為水平擺傾斜儀和水管傾斜儀兩大類。前者以鉛垂線為參考基準線，後者則以水準面為參考基準面。除傳統的洞室水平擺傾斜儀外，近十幾年來，安裝於鑽孔中的擺式傾斜儀也得到較多套用。
固體潮研究主要側重於地傾斜觀測中的周期性變化，該周期性變化主要由日、月引潮力引起，除主要的周日、半日周期成份外，還有月、半月、年、半年以及長周期的8。85年和18。6年等多種周期變化，在幅度上仍以月亮的主半日波幅度最大。固體潮各諧波的理論值，可以在假定地球介質為完全剛性(即假定地面法線對地球的位置保持不變)的條件下由潮汐靜力學理論計算出來。由於地球的彈性特點，理論地傾斜值與實際地傾斜觀測值之間存在著一定的比例關係，通常用三個勒夫數(Love number )或潮汐因子等係數表征(楊軍，1998)。除此之外，由於地慢的滯彈性特點，實際地球在引潮力作用下的變形會顯示出明顯的相位滯後性，其滯后角在岩石圈表面一般為0.7“-3.5 。利用固體潮勒夫數和相位滯後特徵研究地球介質非均勻性、粘滯性以及更深入的地球動力學問題，已成為固體潮理論研究的重要分支之一(高布錫，1997)。
地震和火山監測中的地傾斜觀測研究主要側重於地傾斜的非潮汐形變部分或固體潮的畸變信息，對此國內外學者已做了許多研究工作(馮銳，1978；牛安福，1995，1999；馬桂芳，1986；楊志榮，1993；毛偉建，1984；劉序儼，1994；張雁濱，1998； Inouchi，1987；Okada，1980； Takada，1982；Hagiwara，1986 )，日本學者還曾在20世紀80年代前後研究報導了地傾斜、伸縮應變觀測資料中的某些特徵性長周期形變波動現象和可能的形變遷移現象(由海溝向內陸)( Kasahara，1979；Ishii，1978，1980；Shichi，1973 )，但對其變化機理的解釋則主要歸因於地震的影響和日本海溝板塊邊界力的向內傳播。
目的
地傾斜觀測是在山洞或地下室里通過傾斜儀測定地面的傾斜變化，是地殼形變學科不可缺少的一個重要組成部分。地傾斜觀測的目的是研究地殼形變垂直的相對運動和固體潮汐的動態變化，前者是一種長期的過程，一般是非周期的；後者是周期性潮波，主要表現在半日波和日波。傾斜觀測可以為地球固體潮汐、地殼岩石性質及地球參數等提供科學實驗數據。
傾斜儀
傾斜儀是一種研究固體潮和地震的基本儀器。高精度傾斜儀對地殼形變的觀測資料表明，地球具有彈性性質。地殼形變受到多個方面因素的影響，主要包括固體潮汐、海潮、地質形變、氣象氣壓、水文干擾以及地球內部的作用所造成的地殼運動等。其中，固體潮汐和海潮作用是高精度地殼形變觀測結果的主要組成部分，呈明顯的周期性潮波。通過對理論固體潮和實際觀測到的地傾斜固體潮結果相比較，剔除觀測數據中長周期和非周期的干擾因素的影響，從兩者的幅值和相位關係上來觀察海潮對觀測點處地形變的具體影響，這有助於研究負荷潮區和觀測點之間的地球平均彈性性質，並得到觀測點處地傾斜潮汐因子。傾斜儀在地下不同深度和不同地點的觀測實驗表明，氣象層會引起地殼形變並導致傾斜，長周期性的傾斜分量往往與當地的水文干擾有關；而非周期的傾斜分量則考慮地殼的非彈性形變，這種信號往往呈現出一種長期緩慢傾斜的趨勢，或者是短期和臨震前的加速度傾斜趨勢。可見，高精度傾斜儀作為一種地球動力學儀器在觀測和研究地殼形變方面發揮著重要作用。
在長期的地傾斜觀測中，傾斜儀為了滿足高精度的測量，其自身技術和性能也在不斷發展和提高。一方面，傳統形式的傾斜儀不斷採用新技術進行改造，另一方面，結構新穎的傾斜儀仍在不斷出現。
1968年開始，我國分別研製成功了目視水管傾斜儀、金屬水平擺傾斜儀、目視適應伸縮儀等。第二代地傾斜觀測儀器在80年代中期出現，包括FSQ型自記水管傾斜儀、SSY型適應水平伸縮儀、SQ型石英水平擺傾斜儀。1996年，中國地震局為推動前兆台網的綜合化、數位化、自動化，著手研製第三代地殼形變連續觀測儀器，並獲國家科技部九五期間“中短期前兆觀測儀器的研製”專項研究項目支持，2000年通過專家組驗收，其中包括DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀兩款地傾斜觀測儀器。至此，我國地傾斜觀測從目視讀數、手工計數，每天獲取24個值發展到自動計數和分鐘值採樣，並實現了數位化。
新型儀器的入網觀測以及開展相應的研究工作，地傾斜資料及其套用取得了豐碩的成果。隨著時間的推移，分鐘值採樣的地傾斜數據己經不能滿足當前的研究需求，特別是人們開始對慢地震的關注。觀測和研究慢地震對地震發生、地球動力學和斷層錯動過程，具有重要的理論與實際意義；為地震預報的研究提供了新的途徑。目前形變儀器記錄的是固體潮的半日波和全日波，是地震動的低頻段，而慢地震的周期通常為數十秒至數天，記錄慢地震的高頻端時存在空白區。
質量評定方法
對於地傾斜觀測台站，觀測資料質量的評定己建立了一套度量精度的標準體系，可以定量審核觀測資料優劣，評價觀測資料好壞。大量觀測實踐和經驗表明，多年來對地傾斜觀測資料質量的評定是有實際效果的，評定指標的內容與指標也完善起來，主要包括下述各項。
一、缺記率與年零漂
地傾斜觀測記錄的突出特點就是實現連續觀測，這種連續觀測對地震預報中短臨震兆信息的提取、地震學現象的研究，都是重要的。因此，評定觀測資料的連續率是資料質量控制的主要指標之一。
年零漂是用來衡量觀測儀器及其墩基穩定程度獲地殼繼承性新構造運動的。其計算方法有：
（1）日均值法：將該年度12月31日的日均值減去當年1月1日的日均值，為該年零漂值(有正負之分)，單位為〃。
(2)潮汐值法：用12月31日23點整點值減去同年1月1日零點值。取位等同日均值法。
二、潮汐因子及潮汐因子均方差
台站日常檢測資料是動態隨機觀測序列，序列中既有多種信息成分，也有噪聲影響。為了更好地使用資料和維護觀測系統的正常運行，建立客觀、準確評定計算資料序列的經度指標就顯得尤為重要。
固體潮觀測值相對其理論值的偏離通常可使用基於最小二乘法的維尼迪克夫調合分析方法進行分析，該方法可以求解各個波群的觀測振幅對理論振幅之比和觀測相位與理論相位之差。前者定義為潮汐振幅比及潮汐因子，後者定義為潮汐相位滯後，二者統稱為潮汐導納，也可稱為潮汐回響函式。
M2波潮汐因子均方差是用來評定固體潮觀測資料內在質量精度的一項定量指標。
三、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定性的另一項定量指標。主要有兩種計算方法：
（1）套用契比學夫多項式與一年度觀測資料73個五日均值作30階擬合而得。
用契比學夫多項式評定台站觀測資料的精度和長期穩定性是一種數學逼近擬合法，在計算過程中，在不使用輔助觀測量的情況下，可將周期大於一定值的(如25天)規律性干擾因素排除；並且多項式中的Cn係數值在資料的卓越周期分析和主要干擾因素的判定中，能夠發揮作用。這種計算方法被廣泛使用，並收到良好的效果。
（2）連續觀測資料精度評定計算的均方連差法
使用均方差、期望、偏度等指標對台站觀測序列統計特性的計算檢驗得知，日均值觀測序列帶有系統變化的信息成分，不能作為隨機統計序列；由日均值之差構成的差分序列，較原序列的統計特性有較大變化，偏離性、離散型、凹凸性等指標得到了削弱，序列服從或近似服從正太分布，從而可以利用該序列直接求差分值的均方差，再由誤差傳播定律求出日均值在不受系統成分影響下的均方誤差。差分序列均方差稱為均方連差。
當前發展
隨著觀測技術的發展以及觀測目標的拓展，地傾斜觀測也發生了相應的變化。“九五”開始的前兆台網數位化改造，地傾斜的數位化觀測技術取代了模擬觀測技術，數據採樣間隔由模擬觀測的1小時採集1次加密為1分鐘採集1次。地傾斜觀測歷經以固體潮現象為觀測目標、以固體潮精度指標為質量檢驗標準的過程到更高頻信息的獲取和分析，目前己不僅限於對固體潮的高精度觀測。
