銀川基準臺SQ-70D 石英水平擺與VP 寬頻帶垂直擺觀測數據對比分析

王建亮，沈 寧，張燕霞，欒博文，金 濤

（1. 銀川基準臺，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生的周期性形變的現象。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，用它來監測固體潮汐及地面的傾斜量變化，同時它也會受到諸多其他因素的干擾，如自然環境、場地環境、人為干擾和觀測系統等。因此，在平時的觀測中，能夠有效的判斷識別各類干擾源，準確地去除干擾數據，才能提取出反應大地形變的觀測數據資料，從而能夠提高地震監測預報水平。

銀川基準臺有著良好的臺基基礎，地處賀蘭山東麓斷裂帶，對于地傾斜的觀測相當重要，SQ-70D 水平石英擺傾斜儀從2007年“十五”數字化改造以來，儀器運行穩定，觀測數據連續可靠，并且能清晰記錄固體潮汐和其他大地形變信息。目前兩套傾斜儀運行穩定，數據產出良好，觀測環境良好，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據進行對比分析，檢驗兩套儀器性能的差異性。下面就是從干擾因素、連續性、穩定性、觀測精度和映震能力等方面探究銀川基準臺同臺基的SQ-70D 石英水平擺與VP寬頻帶垂直擺產出數據的對比[1]。

1 臺站觀測條件及儀器特點說明

銀川臺是隸屬于寧夏地震局唯一一個基準臺站，臺站分為小口子觀測站和北塔地磁觀測站。銀川基準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景區內，地處賀蘭山斷隆東側，海拔1545m。具有獨特的山地氣候特征，小口子觀測點氣候基本類同銀川平原一樣，為內陸半干旱氣候。年溫差、日溫差較大，蒸發量大，冬季少降水，多西北風，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，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%，山洞頂部基巖進深約50m，覆蓋層厚度約100m。

銀川基準臺觀測環境條件符合地震行業規范（2003年） 要求，洞內現安裝有水管傾斜儀、伸縮儀、重力儀、石英擺傾斜儀、寬頻帶VP 垂直擺、數字測震儀、數字強震儀。景區內有一口機井，每年3—11 月間斷性抽水供景區生活用水和灌溉樹木，加上每年的降雨和引發的山洪，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 銀川臺地質構造圖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，儀器依照光電轉換的原理將水平擺輸出的光位移信號轉換成按時間序列分布的電信號輸出，由雙路數據采集器采集兩個分向的數據，通過通訊軟件完成數據的傳輸、保存、授時、標定系統的控制等日常觀測及日常維護操作。

2018年11 月25 日銀川基準臺在廠家人員的指導下新增設了一臺寬頻帶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狀態，當由于振動發生傾斜變化時，擺平衡位置發生變化，擺和支架之間的相對位置發生變化，電容式位移傳感器的動片和定片之間的間距也相應的發生變化，通過傳感器將這種變化轉換成電信號[3]。

2 觀測資料對比分析

由于 2019年 7 月 14 日 22:27 突發短時降雨并伴有強雷電，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，未能及時修復，之后數據缺失，所以只能選取2019年 1 月1 日至7 月11 日數據資料進行同時間、同臺基的對比分析研究。

2.1 干擾因素對比

2.1.1 刮風干擾

在北方地區的春季、秋季刮風現象是比較普遍的，加上臺站山洞處在賀蘭山山坳處，所以受刮風干擾比較嚴重。下面是VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺同時受到比較典型的刮風干擾曲線（圖2），從圖中可以看出兩套傾斜儀觀測數據受風擾產生明顯的高頻毛刺，且持續時間較長，相比于VP 垂直擺，石英擺受干擾較為嚴重，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重，差異不明顯。

圖2 SQ-70D 石英擺和VP 垂直擺刮風干擾曲線分析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臺特有的場地環境干擾因素，在距離觀測山洞約250m 處有口機井，該井為滾鐘口管理所生活、灌溉用水井，屬于長期場地環境干擾，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，主要受干擾向為東西向，數據曲線出現明顯的急速下降，北南向并無明顯異常，抽水停止后數據恢復正常。

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 資料連續性對比

由于銀川基準臺觀測山洞內安裝有UPS 電源，如遇停電，值班人員能及時發現并用發電機供電，兩套儀器也未出現過重大故障，所以在本時間段內VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺未出現斷記現象，連續率為100%；但SQ-70D 石英擺由于量程較小，頻帶窄，在遇到強震過程中，光源燈在擺動的過程中容易超出光電轉換器的量程范圍，數據出現未記錄情況，導致數據缺失（圖5），而VP 垂直擺數據量程較大，受到強地震過程中不易出格，目前尚未發生過故障。綜上所述，VP 垂直擺的連續性優于SQ-70D 石英擺。

2.3 資料穩定性對比

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，同時在同等外部環境下，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 石英擺更穩定。

表1 2019年VP 垂直擺和SQ-70D石英擺零漂值統計

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，通常可使用基于最小二乘法的Venedikov 調合分析法進行計算[4]。下面選取兩套傾斜儀2019年1—6 月的整點值數據計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境的抽水干擾對觀測數據的干擾較為嚴重，導致潮汐因子中誤差和潮汐相位滯后值與規范要求和理論值相差甚大，從下表數據顯示可以看出，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 石英擺相對穩定，這可能由于SQ-70D 石英擺運行時間長，觀測數據穩定。

2.4 資料相關性分析

下面是通過“Mapsis”計算出的兩套儀器相同測向的相關系數圖，從圖上可以看出兩套儀器的EW 向數據一致性較好，而NS 向觀測數據曲線圖的趨勢性變化存在一定性差異。該差異特性的時間域可以通過相關系數r 值來衡量，通過兩測向的相關系數圖可以看出，NS 向的相關系數大部分在0.837 以上，EW 向的相關系數大部分在0.922 以上，但由于地震時響應幅度過大，導致SQ-70D 石英擺數據出格缺數，造成部分數據缺失，加之受抽水干擾導致數據產生較大臺階，以至于EW 向相關系數出現極低值，綜合而言，EW 向比NS 向具有更高的相關性[4]。

表2 2019年VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺觀測精度統計

圖4 2019年VP 垂直擺和SQ-70D 石英擺相關性分析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計方法，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，因為VP垂直擺頻帶較寬，在地震發生時未發生靠擺現象，所以數據沒有缺失，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換器的量程范圍，數據未記錄，出現數據缺失，所以前者的映震能力明顯優于后者。如果遇到中強震，總是發生靠擺現象，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幅度，響應延遲較短，記錄的地震固體潮變化清晰，而石英擺記錄到的響應幅度較小，響應延遲長，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統計

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 兩套儀器數據受地震干擾，地震參數如下：2019年02月15 日03:57:05 在北大西洋發生MS6.2 級地震，緯度35.44°，經度-36.09°，震中距10910km。SQ-70D 石英擺記錄清晰，響應幅度大，VP 垂直擺記錄模糊，響應幅度小，響應延遲短。根據儀器的安裝報告和參數可知，VP 垂直擺內部安裝有電容測微器，電容測微器具有精度和靈敏度高、結構簡單、長期穩定性好及價格較低等特點，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，同時也過濾掉了地震事件的波形，這樣不利于客觀的反應地震前兆異常信息。

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

3 結論

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，由于其內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也對記錄的地震波動進行了過濾，這樣就會遺漏掉一些地震波動信息，無法客觀的反應地震前兆異常。同樣，VP 垂直擺在連續性、穩定性和映震能力等方面明顯優于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。