王建亮，沈 寧，張燕霞，欒博文，金 濤

（1. 銀川基準(zhǔn)臺，寧夏 銀川 750001；2. 固原地震臺，寧夏 固原 756000；3. 寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

固體潮是指固體地球在日、月引潮力的作用下產(chǎn)生的周期性形變的現(xiàn)象。而地傾斜固體潮是指這種形變引起的在地球鉛垂線方向的變化。對地傾斜固體潮的記錄和研究是進(jìn)行地震前兆觀測的重要手段之一。

SQ-70D 型石英水平擺傾斜儀是前兆觀測的重要手段之一，用它來監(jiān)測固體潮汐及地面的傾斜量變化，同時(shí)它也會受到諸多其他因素的干擾，如自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾和觀測系統(tǒng)等。因此，在平時(shí)的觀測中，能夠有效的判斷識別各類干擾源，準(zhǔn)確地去除干擾數(shù)據(jù)，才能提取出反應(yīng)大地形變的觀測數(shù)據(jù)資料，從而能夠提高地震監(jiān)測預(yù)報(bào)水平。

銀川基準(zhǔn)臺有著良好的臺基基礎(chǔ)，地處賀蘭山東麓斷裂帶，對于地傾斜的觀測相當(dāng)重要，SQ-70D 水平石英擺傾斜儀從2007年“十五”數(shù)字化改造以來，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，并且能清晰記錄固體潮汐和其他大地形變信息。目前兩套傾斜儀運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)產(chǎn)出良好，觀測環(huán)境良好，同為傾斜儀，但兩套儀器的觀測原理完全不同，所以有必要對兩套傾斜儀的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，檢驗(yàn)兩套儀器性能的差異性。下面就是從干擾因素、連續(xù)性、穩(wěn)定性、觀測精度和映震能力等方面探究銀川基準(zhǔn)臺同臺基的SQ-70D 石英水平擺與VP寬頻帶垂直擺產(chǎn)出數(shù)據(jù)的對比[1]。

1 臺站觀測條件及儀器特點(diǎn)說明

銀川臺是隸屬于寧夏地震局唯一一個(gè)基準(zhǔn)臺站，臺站分為小口子觀測站和北塔地磁觀測站。銀川基準(zhǔn)臺小口子觀測站位于寧夏銀川市西40km 的賀蘭山東麓滾鐘口風(fēng)景區(qū)內(nèi)，地處賀蘭山斷隆東側(cè)，海拔1545m。具有獨(dú)特的山地氣候特征，小口子觀測點(diǎn)氣候基本類同銀川平原一樣，為內(nèi)陸半干旱氣候。年溫差、日溫差較大，蒸發(fā)量大，冬季少降水，多西北風(fēng)，寒冷干燥。只是海拔高于銀川，又有山體影響，氣溫稍低。夏季多暴雨，易形成山洪泥石流。形變儀器所處的觀測山洞位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)，呈“之”字形分布，主洞長約90m，寬為1.6m，且洞體溫差小于0.01℃，溫度變化范圍在 12.50℃～12.60℃之間，相對濕度 60%～70%，山洞頂部基巖進(jìn)深約50m，覆蓋層厚度約100m。

銀川基準(zhǔn)臺觀測環(huán)境條件符合地震行業(yè)規(guī)范（2003年） 要求，洞內(nèi)現(xiàn)安裝有水管傾斜儀、伸縮儀、重力儀、石英擺傾斜儀、寬頻帶VP 垂直擺、數(shù)字測震儀、數(shù)字強(qiáng)震儀。景區(qū)內(nèi)有一口機(jī)井，每年3—11 月間斷性抽水供景區(qū)生活用水和灌溉樹木，加上每年的降雨和引發(fā)的山洪，均對形變觀測資料造成不同程度的影響，尤其對SQ-70D 石英水平擺與VP 寬頻帶垂直擺儀器EW 向資料影響較大[2]。

圖1 銀川臺地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological map of Yinchuan Seismic Station

SQ-70D 水平石英擺傾斜儀是測量水平方向傾斜變化的一種高靈敏度儀器，儀器依照光電轉(zhuǎn)換的原理將水平擺輸出的光位移信號轉(zhuǎn)換成按時(shí)間序列分布的電信號輸出，由雙路數(shù)據(jù)采集器采集兩個(gè)分向的數(shù)據(jù)，通過通訊軟件完成數(shù)據(jù)的傳輸、保存、授時(shí)、標(biāo)定系統(tǒng)的控制等日常觀測及日常維護(hù)操作。

2018年11 月25 日銀川基準(zhǔn)臺在廠家人員的指導(dǎo)下新增設(shè)了一臺寬頻帶VP 垂直擺，垂直擺傾斜儀采用擺的鉛垂原理：垂直擺由柔絲、擺桿和重塊三部分組成，擺在沒有振動的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)由于振動發(fā)生傾斜變化時(shí)，擺平衡位置發(fā)生變化，擺和支架之間的相對位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動片和定片之間的間距也相應(yīng)的發(fā)生變化，通過傳感器將這種變化轉(zhuǎn)換成電信號[3]。

2 觀測資料對比分析

由于 2019年 7 月 14 日 22:27 突發(fā)短時(shí)降雨并伴有強(qiáng)雷電，山洞所有形變儀器受到雷擊，SQ-70D 石英水平擺光源燈模塊受雷擊故障，未能及時(shí)修復(fù)，之后數(shù)據(jù)缺失，所以只能選取2019年 1 月1 日至7 月11 日數(shù)據(jù)資料進(jìn)行同時(shí)間、同臺基的對比分析研究。

2.1 干擾因素對比

2.1.1 刮風(fēng)干擾

在北方地區(qū)的春季、秋季刮風(fēng)現(xiàn)象是比較普遍的，加上臺站山洞處在賀蘭山山坳處，所以受刮風(fēng)干擾比較嚴(yán)重。下面是VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺同時(shí)受到比較典型的刮風(fēng)干擾曲線（圖2），從圖中可以看出兩套傾斜儀觀測數(shù)據(jù)受風(fēng)擾產(chǎn)生明顯的高頻毛刺，且持續(xù)時(shí)間較長，相比于VP 垂直擺，石英擺受干擾較為嚴(yán)重，高頻毛刺擾動劇烈，上下幅度較大，所以SQ-70D 石英擺的額抗干擾能力不如VP 垂直擺。同時(shí)可以看出，VP 垂直擺的東西向較北南向受干擾較為明顯，而石英擺兩測向受干擾嚴(yán)重，差異不明顯。

圖2 SQ-70D 石英擺和VP 垂直擺刮風(fēng)干擾曲線分析Fig.2 The wind interference curves of VP and SQ-70D tiltmeters

2.1.2 抽水干擾

抽水干擾為銀川基準(zhǔn)臺特有的場地環(huán)境干擾因素，在距離觀測山洞約250m 處有口機(jī)井，該井為滾鐘口管理所生活、灌溉用水井，屬于長期場地環(huán)境干擾，一般會在3—11 月份間斷性抽水。從圖3 可以看出兩套儀器均不同程度受到抽水干擾，主要受干擾向?yàn)闁|西向，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)明顯的急速下降，北南向并無明顯異常，抽水停止后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖3 SQ-70D 石英擺和VP 垂直擺抽水干擾曲線分析Fig.3 The pumping water interference curves of VP and SQ-70D tiltmeters

2.2 資料連續(xù)性對比

由于銀川基準(zhǔn)臺觀測山洞內(nèi)安裝有UPS 電源，如遇停電，值班人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并用發(fā)電機(jī)供電，兩套儀器也未出現(xiàn)過重大故障，所以在本時(shí)間段內(nèi)VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺未出現(xiàn)斷記現(xiàn)象，連續(xù)率為100%；但SQ-70D 石英擺由于量程較小，頻帶窄，在遇到強(qiáng)震過程中，光源燈在擺動的過程中容易超出光電轉(zhuǎn)換器的量程范圍，數(shù)據(jù)出現(xiàn)未記錄情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失（圖5），而VP 垂直擺數(shù)據(jù)量程較大，受到強(qiáng)地震過程中不易出格，目前尚未發(fā)生過故障。綜上所述，VP 垂直擺的連續(xù)性優(yōu)于SQ-70D 石英擺。

2.3 資料穩(wěn)定性對比

2.3.1年零漂

從表1 可以看出，兩套儀器的NS 向半年零漂均小于EW 向，同時(shí)在同等外部環(huán)境下，VP 垂直擺的半年零漂明顯小于SQ-70D 石英擺，說明VP 垂直擺比SQ-70D 石英擺更穩(wěn)定。

表1 2019年VP 垂直擺和SQ-70D石英擺零漂值統(tǒng)計(jì)

2.3.2 觀測精度

潮汐因子中誤差和潮汐相位滯后值是衡量地傾斜儀器精度的主要參數(shù)，通?？墒褂没谧钚《朔ǖ腣enedikov 調(diào)合分析法進(jìn)行計(jì)算[4]。下面選取兩套傾斜儀2019年1—6 月的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)計(jì)算出其潮汐因子中誤差和潮汐相位滯后（表2），從表2 可以看出，由于山洞所處場地環(huán)境的抽水干擾對觀測數(shù)據(jù)的干擾較為嚴(yán)重，導(dǎo)致潮汐因子中誤差和潮汐相位滯后值與規(guī)范要求和理論值相差甚大，從下表數(shù)據(jù)顯示可以看出，VP 垂直擺的潮汐因子中誤差和潮汐相位滯后均大于SQ-70D 石英擺，所以單從觀測精度方面來看SQ-70D 石英擺相對穩(wěn)定，這可能由于SQ-70D 石英擺運(yùn)行時(shí)間長，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

2.4 資料相關(guān)性分析

下面是通過“Mapsis”計(jì)算出的兩套儀器相同測向的相關(guān)系數(shù)圖，從圖上可以看出兩套儀器的EW 向數(shù)據(jù)一致性較好，而NS 向觀測數(shù)據(jù)曲線圖的趨勢性變化存在一定性差異。該差異特性的時(shí)間域可以通過相關(guān)系數(shù)r 值來衡量，通過兩測向的相關(guān)系數(shù)圖可以看出，NS 向的相關(guān)系數(shù)大部分在0.837 以上，EW 向的相關(guān)系數(shù)大部分在0.922 以上，但由于地震時(shí)響應(yīng)幅度過大，導(dǎo)致SQ-70D 石英擺數(shù)據(jù)出格缺數(shù)，造成部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，加之受抽水干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大臺階，以至于EW 向相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)極低值，綜合而言，EW 向比NS 向具有更高的相關(guān)性[4]。

表2 2019年VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺觀測精度統(tǒng)計(jì)

圖4 2019年VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺相關(guān)性分析Fig.4 Direction correlation analysis of VP and SQ-70D tiltmeters in 2019

2.5 映震能力對比分析

由于VP 型寬頻帶垂直擺傾斜儀采用較高靈敏度觀測和較寬頻帶設(shè)計(jì)方法，所以VP 型寬頻帶垂直擺傾斜儀可以以較大幅度記錄其他地震前兆儀器記錄不到的地震波形，從而可以更加準(zhǔn)確地捕捉地震異常信息。從圖5 可以看出，在同一震級和震中距的影響下，因?yàn)閂P垂直擺頻帶較寬，在地震發(fā)生時(shí)未發(fā)生靠擺現(xiàn)象，所以數(shù)據(jù)沒有缺失，而SQ-70D 石英擺由于頻帶窄，光源燈在擺動的過程中超出光電轉(zhuǎn)換器的量程范圍，數(shù)據(jù)未記錄，出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，所以前者的映震能力明顯優(yōu)于后者。如果遇到中強(qiáng)震，總是發(fā)生靠擺現(xiàn)象，就會影響到資料的完整性[5]。

從圖6 可以看出，對于2019年1 月3 日發(fā)生在四川宜賓的5.3 級地震，兩套儀器的NS 向記錄到的波形較為模糊，但對于EW 向而言，VP 垂直擺較SQ-70D 石英水平擺能夠記錄到地震波動較為清楚，并且能夠最大限度的記錄響應(yīng)幅度，響應(yīng)延遲較短，記錄的地震固體潮變化清晰，而石英擺記錄到的響應(yīng)幅度較小，響應(yīng)延遲長，無明顯特征。

圖5 2019年5 月14 日新不列顛島7.6 級地震Fig.5 New Britain M7.6 earthquake in May 14，2019

表3 2019年VP 垂直擺記錄典型地震參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖6 2019年1 月3 日四川宜賓5.3 級地震Fig.6 The M5.3 magnitude Sichuan Yibin earthquake figure on Jan. 3rd，2019

2019年 02 月 15 日 04:33 至 05:10 兩套儀器數(shù)據(jù)受地震干擾，地震參數(shù)如下：2019年02月15 日03:57:05 在北大西洋發(fā)生MS6.2 級地震，緯度35.44°，經(jīng)度-36.09°，震中距10910km。SQ-70D 石英擺記錄清晰，響應(yīng)幅度大，VP 垂直擺記錄模糊，響應(yīng)幅度小，響應(yīng)延遲短。根據(jù)儀器的安裝報(bào)告和參數(shù)可知，VP 垂直擺內(nèi)部安裝有電容測微器，電容測微器具有精度和靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、長期穩(wěn)定性好及價(jià)格較低等特點(diǎn)，因此被廣泛用于量程小、精度要求高的位移測量上。反相器輸入和輸出電壓可以做到嚴(yán)格相等。VP 垂直擺儀器由于電容測微器傳感器的輸出信號很小，信噪比低，在電路中采用鎖相放大器可以有效地濾除干擾和噪音對測量結(jié)果的影響，對外界的干擾有一定的過濾作用，但由于它的無選擇性，同時(shí)也過濾掉了地震事件的波形，這樣不利于客觀的反應(yīng)地震前兆異常信息。

圖7 VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺受同一地震數(shù)據(jù)曲線對比Fig.7 The comparison of data curve of VP and SQ-70D tiltmeters disturbed by the same earthquake

3 結(jié)論

綜上所述，銀川臺VP 垂直擺比SQ-70D石英擺的抗干擾能力較強(qiáng)，由于其內(nèi)部的濾波裝置對干擾波有一定的過濾作用，但如圖7 所示，此裝置在過濾干擾波動的同時(shí)也對記錄的地震波動進(jìn)行了過濾，這樣就會遺漏掉一些地震波動信息，無法客觀的反應(yīng)地震前兆異常。同樣，VP 垂直擺在連續(xù)性、穩(wěn)定性和映震能力等方面明顯優(yōu)于SQ-70D 水平石英擺。但對于觀測精度而言，SQ-70D 石英擺高于VP 垂直擺。