基于頻譜分析的VP垂直擺傾斜儀10Hz數據的應用展望

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。

十七世紀末，在牛頓發現萬有引力定律并用于解釋潮汐現象的同時，人們就想象到太陽和月亮的引潮力將會引起鉛垂線方向發生變化。當時有許多人試著測量太陽和月亮的引潮力對自由懸掛的鉛垂擺的平衡位置的變化，并做了大量試驗，由于測量靈敏度不夠，均未成功。直到十九世紀德國人Hengler發明了水平擺，用機械方法將位移量放大了很多倍之后，才測到了傾斜固體潮，水平擺傾斜儀由于靈敏度高，一直使用至今。

由于太陽和月亮的引潮力引起的鉛垂線方向的變化是有規律的，若將傾斜固體潮的影響通過分析計算加以濾除，就可將地面的傾斜變化分離出來。潮波的主要部分為半日波和全日波，是以若干小時為周期的，而地傾斜的非潮汐變化過程很長，在大多數情況下是非周期性的。

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。

撫順境內，目前共擁有4個地震前兆形變觀測山洞，分別為：撫順臺山洞、北大嶺山洞、木奇山洞、南山城山洞。其中含地傾斜觀測儀器多套：3套DSQ、1套SSQ-2I、2套VP和2套SQ70（已停測）。這為本地區進行大地形變的地傾斜觀測提供了良好的觀測數據和分析數據的基礎。

南山城地震觀測站和木奇地震觀測站原各有一套SQ70儀器，隨著維護困難，逐漸停測，并分別安裝了一套VP。

VP型垂直擺傾斜儀是由武漢地震儀器研究所在VS垂直擺傾斜儀基礎之上研發的新型地震前兆觀測設備，其優于千分之一角秒的分辨力和拓寬的頻帶不但滿足了對地傾斜固體潮的觀測，并且也能記錄到緩慢地震和長周期地震等更多的地震信息。

在實際的前兆觀測過程中，我們也發現，VP擺傾斜儀對地震的記錄十分敏感，無論是遠震、近震、還是地方震，都有很好的記錄數據曲線，這就說明VP擺傾斜儀針對地下振動的反應程度是很高的，甚至在一些長基線傾斜儀，如DSQ水管傾斜儀記錄到的不是十分清晰的地震波數據上，VP擺傾斜儀都能準確的記錄到完整、傾斜、便于分別的地震波數據。其作為近些年異軍突起的短基線前兆觀測傾斜儀，以其更加優越的安裝調試流程、電路設計、調零標定動作的操作等諸多優點，被廣泛的用到了量程小、精度要求高的位移測量上。

作為高采樣的數據，通過國家局或省局服務器作圖提取數據，能夠得到秒采樣的數據文本，若通過地震前兆處理系統軟件進行處理，我們會接觸到分鐘值的VP擺傾斜儀數據，分鐘值的數據不但易于處理分析，也方便與其他分鐘值采樣的前兆數據進行對比分析。

但其實在VP垂直擺傾斜儀除了提供分鐘值和秒值數據之外，它還產生一個10Hz的數據文件，將這些“分”、“秒”、“10Hz”的數據文件進行分別下載，依次得到三個不同后綴的數據文件，三個后綴分別為：“.epd”、“.sec”、“.010”。

“.epd”后綴數據文件是分采樣，也就是分鐘值、“.sec”是秒采樣，而“.010”就是10Hz數據，也就是0.1秒采集一個數據，那么，單位時間內它的數據量就是秒采樣數據的10倍。擴大了10倍的數據量，這無疑豐富了大量的前兆觀測分析數據。

從南山城地震觀測站、木奇地震觀測站的兩臺套VP垂直擺傾斜儀分別對同一個地震的記錄來看，分別從分鐘值、整點值和10Hz值，來看，數據顯示越來越清晰，數據包含的內容越來越多。

這是一個2020年發生的蓋州地震，記錄這段波形的是撫順木奇地震觀測站。我們對這三段信號進行了頻譜分析，三段信號的頻譜成分基本一致，尤其是東西分量記錄高頻成分更多，這可能與地震波運動方向與擺體夾角相關。后續我們仍將就該問題繼續研究。

思考：

至今，我國臺網中心等相關部門，都沒有大規模采用10Hz的數據，我有幾點假設：

首先，這個數據產生是基于武漢地震儀器研究所用于儀器測試使用的，在儀器的設計生產初期，就未完全準備將其編入正式數據臺網中心。

其次，10Hz的數據產生部分用途與測震數據相重疊，測震數據是50Hz采樣，即0.02秒一個數據的密度，10Hz是0.1秒采集一個數據的密度，但從數據量來說，10Hz數據量是測震信號數據的五分之一，不能完全作為測震數據進行使用，一些真相較為復雜的數據進行識別時，有可能會出現不可預見的問題。

再次，作為地震系統前兆觀測數據儀器，其對數據的傳輸和流量要求不會很高，而VP垂直擺傾斜儀產生的10Hz數據若完全進入前兆臺網數據中心，無疑會增大數據傳輸流量，數據庫等一些列問題，造成數據分析的不便等等。可能還有其他的有力證據證明VP擺的10Hz數據是“雞肋”。

但我想說的是，這是作為管理者對地震系統整體建構的考量、判斷和決策，我們無從而知，但作為地震分析預報的最前線工作人員，卻有著得天獨厚的崗位“特權”，那就是每每與這些數據打交道時的一種特殊的感覺，因為這就是我們時時刻刻，無時無刻不再接觸的數據儀器。我們應盡我們一些可以掌握、運用的能力和方法，提高地震系統最前線工作的多樣性，成為自己手里攻堅克難的有力武器。

作者簡介：

商亮，1981年1月出生，男，漢族，河北省平泉縣人，大學本科學歷，工程師，研究方向：監測預報。

（作者單位：遼寧省撫順地震臺）