0 引言

地壳形变的监测与分析，对于理解地球内部构造、预测地质灾害、评估人类活动对自然环境的影响等方面具有重要意义。地壳形变监测不仅有助于揭示地球动力学基本规律，还可为地质灾害预警预报提供科学依据。地倾斜监测的主要目的是获取地壳形变的几何及物理信息，为地震预报研究提供有力依据（周雯等，2020）。通过对长期积累的地壳形变监测资料进行深入分析与研究，有望实现对地震、火山喷发、地面沉降等自然灾害的预测。同时，地壳形变数据是评估水库诱发地震、城市地面沉降、地下工程稳定性等人为活动影响的重要依据。

作为地震孕育过程中的直接现象，地壳运动的定量特征通常反映在地壳形变上（张肖等，2016）。应用数字化倾斜仪可观测到地震的同震形变波，地震破裂及传播中的部分信息通常包含在同震形变波中。因此，对同震信息的分析是一种认识短临前兆的重要方法（牛安福等，2006）。DSQ型水管倾斜仪（下文简称水管仪）是一种用于测量地面倾斜变化的精密仪器，可以检测微小的倾斜变化，适用于地震前兆观测、地球动力学研究，也是地质测量中的重要工具。仪器核心是其差动变压器式位移传感器，结合现代微电子技术，保证了仪器的准确性和可靠性，具有灵敏度高、精度高、稳定性高等优点。

本文通过对牡丹江地震监测中心站DSQ型水管倾斜仪内在观测质量进行分析，并统计2017—2023年全球7级及以上、中国陆域及岛屿5.0—6.9级、黑龙江及邻区4.0—4.9级地震，分析该中心站水管仪映震能力，为其监测效能评估及形变站网规划提供依据。

1 观测背景

牡丹江市地处黑龙江省东南部，中、俄、朝合围“金三角”腹地。牡丹江地震监测中心站（下文简称牡丹江站）位于牡丹江市北郊八达沟，为国家基准台，于1972年投入观测，与301国道直线距离约2.0 km，与铁路轨道直线距离约5.0 km。

1.1 构造背景

牡丹江周边分布牡丹江岩石圈断裂（F₆）和敦化—密山断裂（F₈）。牡丹江站地处黑龙江亚板块次一级构造长白块体北部，敦化—密山断裂（F₈）与牡丹江断裂（F₆）交会处，元古代混合花岗岩出露（李太岩等，2015），张广才岭丘陵山地地貌（图 1）。牡丹江断裂是小兴安岭—张广才岭槽地褶带和佳木斯台隆分界线，断裂沿线发生过多次中小地震活动。敦化—密山断裂（F₈）是东北地区规模较大的断裂之一，是郯庐断裂带分支断裂，自中新世至第四纪，断裂带沿线发生多次较强烈的火山活动，国内最大的典型熔岩堰塞湖——镜泊湖即由火山喷发形成。镜泊湖地区隶属于全新世活动火山，最近一次喷发活动距今约5 200—5 500年。该地区是研究西北太平洋板块俯冲地球动力学模型、地震构造机理、深源地震与浅源地震相关对应关系的理想区域，对于地震监测和预报工作具有重要意义。

1.2 水管仪观测环境

牡丹江站水管仪基墩位于形变观测山洞专用砼室，所在前兆观测2号山洞，最大进深74 m，常年恒温，约7 ℃，年温差小于0.3 ℃，湿度小于80%，覆盖层平均厚度约45 m，EW分向记录室面积2.5×30 m²，NS分向记录室面积2.5×20 m²，内墙乳胶漆涂料喷涂。砼室密封保温，室温日变化幅度小于0.03 ℃，基墩间隔1.5 m，设计长0.2 m，宽0.8 m，距地面高度0.6 m，EW分向共20个基墩，NS分向共14个基墩。仪器基墩为加工粘接的岩石墩（花岗岩、大理石、灰岩等），四周设防震槽，墩顶面水平，同分量本体脚螺旋处高差≤2 mm。传感器置于基墩上，记录主机放置在观测山洞洞口仪器室内，便于统一供电、避雷和网络连接。传感器与记录主机之间相距45 m，专用信号线沿洞内线盒布设，洞内设备由位于洞口仪器室的UPS电源统一供电。

牡丹江站水管仪周边环境干扰较少，自然环境干扰主要有降雨干扰，大风干扰少见，其中：①降雨干扰：雨季强降雨导致记录数据波形曲线呈突跳或上升变化，数据最大漂移幅度达330×10^-3″，年均影响次数为2—3次。②大风干扰：据气象记录，牡丹江地区平均风速较低，强风天气鲜见，风扰现象较少。这是因为，牡丹江四面环山，盆地地形有助于减少大风天数和风力强度，冬季季风从大陆吹向海洋，受山地阻挡，风力到达牡丹江时显著减弱。查阅2017—2023年跟踪分析记录，仅2019年1月24日—28日期间，受大风影响，水管仪数据曲线出现明显毛刺现象。

2 观测数据内在质量分析

牡丹江站水管仪自正式运行以来，资料连续性较好，年变周期形态清晰，日变固体潮形态清晰完整，且能记录到各种同震变化。选取2024年2月1日至3月31日水管仪预处理数据，分析正常记录曲线变化形态，可见观测曲线基本清晰，固体潮周期形态完整（图 2）。

2.1 数据预处理

原始数据中常常包含各种缺失、误差和干扰，严重影响后续分析结果的完整性和可用性。预处理阶段会填补缺失值（如使用均值、中位数填充或基于模型预测填充），删除包含异常值的记录。不同源的数据可能具有不同格式和结构，这会增加数据分析的复杂性。通过预处理步骤，可以将数据转换为统一格式，便于后续处理和分析，还可提升数据质量和分析效率，增强数据可用性。因此，进行分析计算前，需对水管仪原始观测数据进行预处理，并将台站观测的倾斜固体潮数据与理论值进行对比，以纠正明显的错误数据，如仪器维护、电源故障或数据漂移等造成的数据阶跃，并根据数据预处理规范进行补齐处理（李继业等，2006）。

2.2 技术指标

水管仪量程≥2″，其分辨力优于0.000 2″，可以检测到微小的地壳角度变化，系统稳定性突出，总日漂移量小于0.005″，保证了仪器的长期观测精度；仪器灵敏度为0.001″，线性度误差≤1%，基线长度大于5 m；采用自动标定，可减少人为操作对仪器记录的干扰，重复性误差小于1%，且近2年来标定结果均小于0.5×10^-3″/mV。

2.3 潮汐因子分析

潮汐因子（Tide factor）是地震学、地球物理学等领域中的一个重要概念，是指在地面上通过仪器观测到的固体潮与刚体地球模型预测的固体潮之间的比值。国内外常用固体潮吻合精度来评估仪器的内在质量。维尼狄可夫（Venedikov）调和分析是一种在地球物理学、天文学和信号处理等领域中广泛应用的数学方法，主要用于解析和预测周期性变化的数据，是一种基于傅里叶级数展开的调和分析方法（刘彦彬等，2017）。

太阴主要半日分潮M₂分潮是潮汐预报中的重要参数之一，是潮汐现象中的重要组成部分之一，具有显著的半日周期性和广泛的应用价值。通过观测和分析M₂分潮周期性变化，可以较为准确地预测未来一段时间内的潮汐变化，识别和提取地震短临异常前兆信息，为地震预测提供重要参考。

使用中国地震台网中心周克昌研发的中国地震前兆台网数据处理系统2023集成版软件，对牡丹江站2023年水管仪整点值数据进行M₂波月调和分析。结果表明，该中心站此观测手段观测数据内在质量较高，具体结果见表 1。

3 同震效应分析

地震发生时，在倾斜仪和应变仪记录曲线中，由于地震引起地表变形使曲线偏离震前位置，这种突变称作倾斜（或应变）同震阶跃（陈德福，1993）。

3.1 同震响应震例统计

据中国地震台网中心统一编目系统数据统计：2017—2023年，全球7.0级及以上地震共96个，中国大陆及岛屿5.0—6.9级地震共146个；黑龙江及邻区4.0—4.9级地震共10个。使用牡丹江站水管仪记录数据逐一绘制以上252个地震的分钟值曲线，分析发现，有152个地震具有同震效应，其中：①全球7.0级及以上强震：96个地震均被牡丹江站水管仪所记录，见表 2；②中国大陆及岛屿5.0—6.9级中强地震：牡丹江站水管仪对55个地震具有同震响应，占比约38%，见表 3；③黑龙江省及周边4.0—4.9级地震：牡丹江站水管仪对该震级区间地震同震响应记录能力不强，仅记录1次地震事件，占比10%，见表 4。

3.2 映震能力分析

对牡丹江站水管仪记录的地震，通过绘制分钟值曲线进行分析。在研究时段内，分析牡丹江站水管仪对不同震级区间地震波动的记录能力，其中：记录的2次最大地震为2017年9月8日墨西哥沿岸近海M_S 8.2地震和2018年8月19日斐济群岛地区M_S 8.2地震；最远地震为2021年1月24日南设得兰群岛M_S 7.0地震，震中距18 086 km。牡丹江站水管仪可记录研究时段内全球所有7级及以上地震；记录的中国大陆及岛屿5.0—6.9级地震中，最远为2020年1月19日新疆伽师M_S 6.5地震，震中距为4 271 km。在研究时段所选震级范围内，对小震记录能力较弱，在发生的10次黑龙江省内及周边4.0—4.9级地震中，仅记录到1次M_S 4.9地震，为2017年7月23日吉林松原地震，震中距为384 km。

需要注意的是，水管仪可记录的震级下限并不单一取决于仪器设备的性能和观测精度，还与区域地震活动性、地质构造环境和观测环境有关。

牡丹江站水管仪2个方向震动幅度大小相近，映震能力基本相同。对于7级以上地震，牡丹江站水管仪同震响应曲线形态表现为震荡，如斐济M_S 8.2、南设得兰M_S 7.0地震；对于国内及邻区6级以下地震，牡丹江站水管仪同震响应曲线通常表现为向上或向下的突跳，如吉林松原M_S 4.9地震、山东平原M_S 5.5地震、日本本州东岸远海M_S 5.8地震，见图 3。

将水管仪与竖直摆倾斜仪记录地震波动能力进行对比，尽管二者均为通过观测地倾斜变化来捕捉地震前兆信息的定点形变仪器，但因为工作原理和观测频段不同，观测结果和同震响应形态具有一定差异性。据李继业等（2006）和邹志超（2015）对竖直摆倾斜仪记录资料的分析，在黑龙江地区，竖直摆倾斜仪的映震能力明显优于水管仪。

3.3 同震响应特征

选取2018—2023年牡丹江站水管仪记录的26个全球7.0级及以上地震，拟合得到地震波最大振幅与震中距的关系图，结果见图 4，可见震中距与最大振幅成反比，随着震中距的增大，地震波的最大振幅快速衰减，拟合图形基本符合幂指数关系。

选取2018—2023年日本海5级以上地震（设震中距相同）进行统计，得到牡丹江站水管仪记录地震震级与最大振幅的关系，见图 5，可见震级在7级以上，最大振幅随着震级升高而明显增大，整体符合指数关系。

4 结论

通过对牡丹江地震监测中心站DSQ水管倾斜仪记录地震同震效应情况的分析，得出以下结论：

（1）地震应变阶表明了震源区附近累积应力突然瞬间释放的过程，反映了台站所在位置在地震发生前后的应力场调整状态。

（2）牡丹江站水管仪自运行以来，资料连续性较好。年变周期形态清晰，日变固体潮形态清晰完整，且周边环境干扰较少，自然环境干扰主要为雨季强降雨导致的数据波形曲线的突跳或上升。

（3）牡丹江站水管仪映震能力较强，可记录全球所有7级及以上地震，最远为2021年1月24日南设得兰群岛M_S 7.0地震，震中距18 086 km。记录的中国大陆及岛屿M_S 5.0—6.9地震，最远为2020年1月19日新疆伽师M_S 6.5地震，震中距4 271 km。在研究时段所选震级范围内，对小震记录能力较弱，仅记录到1次5.0级以下地震，为2017年7月23日吉林松原M_S 4.9地震，震中距为384 km。水管仪映震能力应与仪器自身滤波性能有关，其固有周期在70 s左右，多数情况下只能记录到远震大周期地震波。

（4）牡丹江站水管仪记录的同震响应地震，最大振幅与震级和震中距有较好的对应关系。最大振幅随着震级升高而明显增大，整体符合指数关系；最大振幅与震中距成反比，拟合图形基本符合幂指数关系。

黑龙江省目前共有4个台站配备DSQ型水管倾斜仪。为了提高地震监测的覆盖率和准确性，推动地质构造研究进程，需根据实际情况进行科学合理的规划和布局。今后需深入分析DSQ型水管倾斜仪记录的同震响应幅频特性，并与该省其他同类仪器进行对比研究，以探究水管仪记录与地震活动及地下结构的对应关系。