淺談地震臺短水平井段觀測成果的改進

1自適應的清原地震臺可選用的觀測方案單通道地震記錄站的短徑是地震短期預測的方法之一。結果表明，在中等強度地震的附近，單通道斷裂站的短徑差變化不應超過1mm。在1975年2月4日之前的75.3級地震中，黃金地震后的金山西震臺站的短徑差約為1.8mm。可以看出，這一巨大的異常現象非常罕見。因此,提高臺站短水準測量成果精度,獲得更加可靠的形變信息,一直是廣大地震工作者的愿望。多年來,清原地震臺在這方面做了不懈的努力,使得短水準測量成果精度比以前有了大幅度的提高。清原地震臺臺站短水準始建于1976年,分AB、BC兩測段(圖1),AB測段長0.40km、BC測段長0.28km,測線沿山腰布設,按當時制定的《地震臺站觀測規范》有關要求進行觀測。1985年以前的觀測結果(表1、圖2)表明,其測量成果精度m站、mkm只能分別達到±0.06~±0.07mm和±0.30~±0.35mm,這一精度雖然已經達到規范規定的精度指標要求,但與當時的國內同行先進水平相比還是存在一定差距的。臺站短水準屬精密水準測量。同一切其它測量工作一樣,它也不可避免地含有誤差。有關研究已指出,精密水準測量的誤差主要可分為儀器誤差、觀測誤差和由于外界因素影響而產生的誤差。對臺站短水準,我們主要想得到的是點間的高差變化,只要選擇適當的觀測安排,這些誤差有些是可以得到消除和減弱的,而有些是不能消除的。對不能消除的誤差我們應盡可能地加以避免或減弱。1985年在遼寧省地震局的支持下,清原地震臺在臺站短水準觀測項目的管理和觀測環境改造等方面作了諸多努力,以后的實踐結果表明,雖然觀測儀器和觀測人員沒有變化,但觀測成果精度的提高效果是顯著的。2觀測環境的重建2.1最佳視線長度的確定建臺初期,根據當時的《地震臺站觀測規范》,我們將AB測段設為6站、BC測段設為4站,平均每站的距離約為70m(視線長度約為35m)。我們知道,影響水準測量精度的偶然因素有許多,但從它們的影響性質來說,可分為與視線長度有關與無關的兩部分。而影響水準測量的系統誤差是最復雜、最難以確切分析和確定的部分,如已采取足夠的措施,應認為殘余的系統誤差影響是比較小的。國內外大量的理論分析和實驗已給出的與視線長度有關的偶然誤差的經驗公式為:m偶=±(0.014+0.0014D)mm而殘余系統誤差大約在m系=±(0.010-0.023)mm范圍之內,式中D為視線長度,以m為單位。對于S05級水準儀,視線觀測的全中誤差為:m視=m偶+m系由于在單向水準線路中一個測站上用基、輔分劃測得的高差中數h=(h基+h輔)/2的中誤差mh為上述的m視,因此把它作為水準測量的單位權中誤差是合適的。取m站=mh/2√=mh/2mkm=m站(1000/2D)?????????√(1000/2D)表2、圖3是據此得出的m站與mkm與視線長度之間的關系,有關研究已認為25m為最佳視線長度。1985年,AB、BC測段的測站數分別改為8站和6站,即平均站距從68m降為49m,改造后每站的視線長度與理論得出的最佳視線長度幾乎完全一致,說明所做的改造是符合理論要求的。實踐結果表明,從1986年起,清原臺短水準的成果觀測精度立即有了大幅度的提高(圖2),m站和mkm都提高了2~3倍以上,且量值穩定,變化很小,說明測線改造中所選擇的視線長度是適宜的,改造是成功的。2.2誤差估計和誤差分析折光誤差在性質上是屬于外界因素影響產生的主要誤差之一,它是精密水準測量中的一項主要誤差來源,它的大小與觀測所處的氣象條件、水準路線所處的地理位置和自然環境、觀測時間、視線長度、測站高差及視線離地面的高度等有關,可以說影響多且復雜。雖然可用一些折光改正公式進行改正(如庫卡梅基公式等),但精確的數值是難以測算的。有關研究表明,水準折光與視距的平方成正比,與高差和溫度成正比,應采取有效措施將其削弱到最低程度。清原短水準測線是沿山坡修建的,始建時由于經費不足及對折光等的影響認識不深,測線修得較窄、拐彎處較多、坡度較大、凹凸不平。開始觀測后逐步發現,地面水份蒸發等形成的“湍流”往往使觀測成像抖動不穩,這是折光影響的表現。由于上、下午溫度梯度的存在和變化,測線地面的空氣將上升或下降,形成的“湍流”會使水準視線彎曲,從而產生系統誤差。有關研究表明,斜坡面上的水準折光影響最為嚴重。1985年測線改造中對測線作了截彎取直、平整加寬等措施,尤其是BC測段的第五儀器站作了三次增高,使視線高度達到規范要求。測線改造后,“湍流”等現象明顯減弱,觀測速度明顯加快,成果觀測精度明顯提高。2.3儀器腳架升沉的影響實踐和經驗表明,儀器腳架尖踏入地面后,要先升(約10分鐘)后降,由于每站觀測時間僅1~2分鐘,所以上升是主要的。雖然觀測中采取了“后前前后”的觀測程序,但由于清原地區屬高緯度地區,冬季、春季氣溫特別低,土壤凍結深度大,地面積雪多,是全國平均溫度最低的短水準臺站之一。測線改造前,儀器架設時腳架往往座落在冰土上的現象往往難以避免,儀器腳架的升沉造成觀測讀數超限、延長觀測時間的現象時有發生,成為影響觀測成果精度的主要因素之一。1985年的改造中,每個儀器站都修了水泥臺,還在每個水泥臺上修了保護亭,做到既能遮光又能避雨雪,保證了儀器不架設在冰雪上,極大地減弱了儀器腳架的升沉現象對觀測的影響,既縮短了觀測時間,又提高了觀測成果精度。3其他措施除了上述觀測環境的改造外,還在觀測時間、光段、人員等方面做了努力,它們也是促成清原臺短水準觀測成果精度提高的重要因素。3.1清原臺測定產物的觀測時間,在一般含義的根據不同季節的日出、日落和中天時間定出各季節月份的觀測時間。我們嚴格按照規定的時間定出清原臺的水準觀測時間,誤差不超過十分鐘。為提高觀測成果精度,觀測人員也保持相對穩定,不輕易換觀測員。3.2間段短工況觀測精度的提高根據多年的觀測實踐,針對清原臺位于遼寧省東部高寒山區的特點,在遵守臺站四季觀測時間的前提下,夏季上午往測時間往前串,下午返測時間往后串;冬季上午往測時間往后串,下午返測時間往前串;春秋兩季測量時間不前不后測中間,使上下午