2024, Vol. 45
表1(Table 1)
2) 中国云南 657000 昭通市防震减灾局
2) Municipal Seismic Disaster Prevention and Mitigation Bureau, Zhaotong 657000, China
为贯彻落实习近平总书记关于防灾减灾救灾重要论述和防震减灾工作重要指示批示精神，坚持以人民为中心的发展思想，以减轻地震灾害损失为根本宗旨，以防大震、抗大灾为重点，解放思想，大胆创新，探索研究新时代、新阶段中国特色专群结合地震短临预报模式，强调专、突出群，发挥群在地震短临预报中的作用。中国地震局在2021年2月印发《中国地震局地震短临预报专群结合研究试点行动方案（2021—2023年）》（以下简称方案）。中国地震台网中心承担其中一个试点任务，即需要在梳理总结大震前地球物理、地球化学、水温地质等观测异常幅度基础上，研究提出低成本、精度合适仪器的技术指标，引导社会力量研发低成本、精度合适地震监测仪器，经评估后在试点地区布设试验。
根据该方案的要求，2021年3月14日—16日，中国地震台网中心地震预报部各前兆学科在云南昭通市防震减灾局开展了昭通地区地震监测情况调研，并开始对《中国震例》（张肇诚等, 1988, 1990a, b，1999，2000；陈棋福等, 2002a, b，2003，2008；蒋海昆等, 2014, 2018a, b，2019a，b）中1966—2015年期间的地震进行异常幅度的梳理和总结，在联合监测部门对仪器市场调研的基础上，于2021年9月18日召开形变学科专群结合地球物理观测仪器技术指标论证会，最终经会议论证，产出倾斜类和应变类仪器的专群结合仪器指标。
1 昭通地区形变监测现状昭通地区共18个台站配备形变类观测手段，共计25套仪器，其中分量式钻孔应变仪15套、石英水平摆3套、垂直摆3套（VP仪2套/VS仪1套）、井下垂直摆2套、短基线伸缩仪2套。具体情况如下：
SKZ四分量钻孔应变仪和DCY-Ⅰ短基线伸缩仪为山东省地震局生产的仪器，其中：SKZ四分量钻孔应变仪探头直径106 mm、长900 mm，量程优于±10×10-6，分辨力优于5×10-10；DCY-Ⅰ短基线伸缩仪量程±10-5，分辨力10-10，频带宽度100 Hz，山洞开挖地槽深度1 m，自应力水泥耦合，可有效减缓人员出入及温度变化干扰，避开山洞开凿后应力调整产生的岩石松动，目前已基本定型。
SKZ-3型四分量钻孔应变仪、VP/VS垂直摆倾斜仪和JQY-1井下垂直摆倾斜仪为武汉地震科学仪器研究院生产的仪器，其中：SKZ-3型四分量钻孔应变仪量程优于±10×10-6，分辨力优于5×10-10；VP/VS垂直摆倾斜仪采用垂直悬挂摆系测量地倾斜信号，量程≥2″，分辨力优于0.000 2″；JQY-1井下垂直摆倾斜仪量程±2″，分辨力优于0.000 2″。
SSQ-2型数字石英水平摆倾斜仪为中国地震局地震预测研究所生产的仪器，采用Zöllner双吊丝悬挂的石英水平摆体接收地倾斜信号，量程≥2″，分辨力优于0.000 5″。其中位于渔洞观测站的石英水平摆NS分量正常运行，EW分量由于石英丝系受潮，观测记录受影响；目前仪器老化，由于缺少配件，无法进行维修并完成标定，因此输出数据为电压值。此外，水富台和永善台各配备一台石英水平摆，目前仪器状况基本相同，均存在一些故障。
此次调研的形变类仪器包括：渔洞地震监测站的SKZ四分量钻孔应变仪、SSQ-2型数字石英水平摆倾斜仪、两分量短基线伸缩仪；巡龙地震综合监测站的SKZ-3型四分量钻孔应变仪、VP宽频带垂直摆倾斜仪；巧家治乐综合数字地震台的VS垂直摆倾斜仪和两分量短基线伸缩仪。
2 震例指标梳理 2.1 倾斜类异常指标梳理据《中国震例》，1966—2015年期间，川滇地区地震前倾斜类异常共计77项（图 1）。按异常幅度进行分类统计，其中：异常幅度为0″—0.01″，对应测项数量为7项，占比约9%；异常幅度为0.01″—0.1″，对应测项数量为5项，占比约7%；异常幅度为0.1″—0.5″，对应测项数量为15项，占比约19%；异常幅度为0.5″—2.0″，对应测项数量为24项，占比约31%；异常幅度为2.0″—5.0″，对应测项数量为7项，占比约9%；异常幅度在5.0″以上，对应测项数量为19项，占比约25%。
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图 1 据《中国震例》的川滇地区地震前倾斜异常统计（1966—2015年） Fig.1 Statistics of Tiltmeter anomalies before earthquakes in Sichuan and Yunnan region during 1966-2015 in Earthquake Cases in China |
据《中国震例》，1966—2007年期间，中国大陆地震前倾斜类异常共计157项（图 2）。按异常幅度进行分类统计，其中：异常幅度为0″—0.01″，对应测项数量为8项，占比约5%；异常幅度为0.01″—0.1″，对应测项数量为19项，占比约12%；异常幅度为0.1″—0.5″，对应测项数量为36项，占比约23%；异常幅度为0.5″—2.0″，对应测项数量为44项，占比约28%；异常幅度为2.0″—5.0″，对应测项数量为20项，占比约13%；异常幅度在5.0″以上，对应测项数量为30项，占比约19%。
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图 2 据《中国震例》的中国大陆地震前倾斜异常统计（1966—2007年） Fig.2 Statistics of tiltmeter anomalies before earthquakes in Chinese Mainland during 1966-2007 in Earthquake Cases in China |
据《中国震例》，1966—2015年间，川滇地区地震前应变类异常共计18项（图 3）。按异常幅度进行分类统计，其中：异常幅度为（0—10）×10-9，对应测项数量为5项，占比约28%；异常幅度为（10—100）×10-9，对应测项数量为0项，占比0%；异常幅度为（100—1 000）×10-9，对应测项数量为3项，占比约16%；异常幅度为（1 000—10 000）×10-9，对应测项数量为3项，占比约17%；异常幅度在10 000×10-9以上，对应测项数量为7项，占比约39%。
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图 3 据《中国震例》的川滇地区地震前应变异常统计（1966—2015年） Fig.3 Statistics of Strainmeter anomalies before earthquakes in Sichuan and Yunnan region during 1966-2015 in Earthquake Cases in China |
据《中国震例》，1966—2007年间，中国大陆地震前应变类异常共计56项（图 4）。按异常幅度进行分类统计，其中：异常幅度为（0—10）×10-9，对应测项数量为1项，占比约2%；异常幅度为（10—100）×10-9，对应测项数量为18项，占比约32%；异常幅度为（100—1 000）×10-9，对应测项数量为9项，占比约16%；异常幅度为（1 000—10 000）×10-9，对应测项数量为15项，占比约27%；异常幅度在10 000×10-9以上，对应测项数量为13项，占比约23%。
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图 4 据《中国震例》的中国大陆地震前应变异常统计（1966—2007年） Fig.4 Statistics of strainmeter anomalies before earthquakes in Chinese Mainland during 1966—2007 in Earthquake Cases in China |
前文统计结果显示：1966—2015年间，川滇地区地震前倾斜类异常为77项、应变类异常为18项；1966—2007年间，中国大陆地震前倾斜类异常为157项、应变类异常为56项。总体来看，倾斜类异常是应变类异常的3—4倍。分析认为，“十五”期间中国地震局进行了大规模数字地震观测网络建设，钻孔应变仪作为一类重要形变前兆观测仪器，从2007年下半年开始在全国许多台站投入使用（张凌空等，2011），此前，应变观测以洞体应变为主。截至2009年底，我国在143个台站安装150余个体积式和分量式钻孔应变仪（牛安福等，2011）；截至2016年，全国共有地倾斜仪器316套，地应变仪器237套（中国地震局监测预报司，2020）。整体而言，在不同阶段（尤其在2007年之前），我国布设的地倾斜类仪器数量均比地应变类仪器多，这是造成震前倾斜类异常比应变类异常多的一个主要原因。此外，受仪器—基墩耦合及观测环境影响，洞体应变异常通常以长期趋势变化为主，此为导致应变类异常数量相对较少的一个原因。
3 仪器市场调研通过对国内仪器市场调研，发现定点形变观测仪器主要在中国地震局系统内使用，在系统外应用较少。除中国地质科学院地质力学研究所外，其他地倾斜和地应变仪器生产厂家基本上都在为地震局提供产品。此外，对当前正在发展的光纤应变仪、土层压力仪等新型仪器进行了调研。
通过地震监测专业设备定型，并在中国地震局系统使用的地倾斜仪器共9种型号，由6个厂家生产，市场价格约为（15—19）万元/套，详细信息见表 1，其中：SQ-70型石英水平摆倾斜仪和VS型垂直摆倾斜仪已停产；在山洞内观测的洞体倾斜仪有6种，在地下基岩钻孔内观测的钻孔倾斜仪共3种。
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表 1 地倾斜类观测仪器调研情况 Table 1 Survey of tiltmeters |
通过地震监测专业设备定型，并在中国地震局使用的地应变仪器共5种，其中在山洞内观测的地应变仪仅1种，在地下基岩钻孔内观测的应变仪共4种。由3个厂家生产，仪器市场价格约为（18—25）万元/套，详细信息见表 2。
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表 2 地应变类观测仪器调研情况 Table 2 Survey of strainmeters |
除以上地震局系统正在应用的地倾斜和地应变仪器外，也对其他相关仪器进行了调研，具体如下：
（1）自然资源部中国地质科学院地质力学研究所研发的四分量压磁应力监测仪，设置了同时集成体应变仪、四分量压容式应变仪、温度计、孔隙压力计、气压计和水位计等多种观测手段的综合监测探头，并已在全国安装80多套仪器。经咨询，这些仪器仅供该单位内部使用，未进入市场销售。
（2）应急管理部国家自然灾害防治研究院目前正在研发试验光纤应变仪，其传感器售价数万元，且为实现其功能，每台应变仪均需配备解调仪，每台解调仪价格在五六十万元。因此，光纤应变仪整体造价较高。
（3）在重点研发项目资助下，中国地震局地球物理研究所联合应急管理部国家自然灾害防治研究院研发一款土层压力仪，计划在川滇地区布设110个监测点。其主要技术性能指标为：分辨率0.01%·FS（满量程），量程1 MPa，线性度误差0.1%·FS，采用砂土回填方式进行安装，数据吐出率1次/ min。作为新研发试验仪器，其造价低，但性能仍待实地观测检验。
4 结束语（1）通过对昭通地区形变监测现状以及仪器市场调研，可知目前倾斜类仪器量程一般为±2″，分辨力优于0.000 2″—0.000 5″。通过对震例进行梳理总结，可以发现，川滇地区91%的震前倾斜异常幅度大于0.01″。因此，将倾斜类观测仪器的专群结合指标归纳为：分辨力优于0.01″，量程优于±5″。
（2）调研显示，目前应变类仪器量程优于±10-5，分辨力优于（1—5）×10-10。通过对震例的梳理总结，可以发现，川滇地区72%的应变异常幅度大于10-7，全国98%的应变异常幅度大于10-8、66%的应变异常幅度大于10-7。因此，将倾斜类观测仪器的专群结合指标归纳为：分辨力优于（1—5）×10-9，量程优于±10-5。
（3）目前，定点形变仪器市场价格约为（15—25）万元/套，高成本限制了专群结合布设大量观测仪器的计划，后续需联合仪器生产单位，共同探讨如何在满足专群结合仪器技术指标需求前提下降低仪器成本的问题。
感谢中国地震局地震短临预报专群结合研究试点工作任务和工作组对本工作的支持。
陈棋福, 郑大林, 车时. 中国震例(1992-1994)[M]. 北京: 地震出版社, 2002a.
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陈棋福, 郑大林, 刘桂萍, 等. 中国震例(1995-1996)[M]. 北京: 地震出版社, 2002b.
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陈棋福, 郑大林, 高荣胜. 中国震例(1997-1999)[M]. 北京: 地震出版社, 2003.
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陈棋福, 郑大林, 车时, 等. 中国震例(2000-2002)[M]. 北京: 地震出版社, 2008.
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蒋海昆, 付虹, 杨马陵, 等. 中国震例(2003-2006)[M]. 北京: 地震出版社, 2014.
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蒋海昆, 付虹, 杨马陵. 中国震例(2007-2010)[M]. 北京: 地震出版社, 2018a.
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蒋海昆, 杨马陵, 付虹. 中国震例(2011-2012)[M]. 北京: 地震出版社, 2018b.
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蒋海昆, 杨马陵, 付虹. 中国震例(2013)[M]. 北京: 地震出版社, 2019a.
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蒋海昆, 付虹, 杨马陵, 等. 中国震例(2014-2015)[M]. 北京: 地震出版社, 2019b.
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牛安福, 张凌空, 闫伟, 等. 中国钻孔应变观测能力及在地震预报中的应用[J]. 大地测量与地球动力学, 2011, 31(2): 48-52. |
张凌空, 牛安福, 闫伟, 等. 两种应变仪的面应变观测资料的比对研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2011, 31(4): 22-26. |
张肇诚, 罗兰格, 李海华, 等. 中国震例(1966-1975)[M]. 北京: 地震出版社, 1988.
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张肇诚, 罗兰格, 李海华, 等. 中国震例(1976-1980)[M]. 北京: 地震出版社, 1990a.
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张肇诚, 罗兰格, 李海华, 等. 中国震例(1981-1985)[M]. 北京: 地震出版社, 1990b.
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张肇诚, 郑大林, 徐京华. 中国震例(1986-1988)[M]. 北京: 地震出版社, 1999.
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张肇诚, 郑大林, 徐京华. 中国震例(1989-1991)[M]. 北京: 地震出版社, 2000.
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中国地震局监测预报司. 形变分析预测技术方法工作手册[M]. 北京: 地震出版社, 2020.
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