陜西省VP型垂直擺傾斜儀觀測對比分析＊

楊曉東 張晨蕾 吳 明 陳嘉選

1) 陜西省地震局乾陵地震臺，陜西乾縣 713300

2) 陜西省地震局安康地震臺，陜西安康 725000

引言

近年來，陜西省陸續更換了多套VP型垂直擺傾斜儀（以下簡稱VP型垂直擺），VP型垂直擺是在VS型垂直擺基礎之上的升級版本。龔麗文等[1]對VP型垂直擺記錄特征的分析發現：VP型垂直擺基線短，阻尼小，波譜信息豐富，在記錄短周期的高頻信息中具有優勢，多用于時頻研究，總結了地傾斜儀的觀測特性。但在實際觀測中，袁曲等[2]研究發現因構造、介質、電性條件、人為干擾和觀測環境的差異，對觀測數據和儀器運行情況的認識存在不確定性。本文通過對乾陵臺、西安臺、安康臺、寧陜臺VP型垂直擺觀測資料的分析，可以明晰垂直擺觀測資料的情況，對比其運行效能，這些工作的開展有助于將觀測數據更好地應用于地震監測，具有較高的理論研究價值和現實意義。本文將利用以上4個臺站2020年1—12月的觀測資料，對各臺站觀測數據進行綜合分析。

1 臺站概況及儀器情況

乾陵臺始建于1966年，屬于國家形變Ⅰ類臺，臺基為奧陶系石灰巖，海拔高度885 m，地處渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原的過渡地帶。地質構造位置處于渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺南緣的接觸帶，關山—口鎮斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北。地殼形變觀測山洞長115 m，基巖完整，覆蓋層厚度40 m以上，植被覆蓋良好，洞內年溫差≤0.3℃。VP型垂直擺2018年11月正式觀測。

西安地震臺位于陜西省長安縣子午鎮秦嶺北麓，海拔高度630 m。臺基巖性為前震旦紀片麻狀花崗巖。洞室年溫差變化小于1.0℃，日溫差小于0.1℃，相對濕度小于90%，洞長35 m。2016年增設VP型垂直擺安裝于洞室內。

安康臺始建于1977年，現有的觀測洞體長34 m，基巖完整，覆蓋層厚度大于30 m，且觀測洞室的頂部地形對稱，植被良好，洞內年溫差≤0.5℃。洞室底面高于當地最高洪水位和最高地下水位面。距漢江、安康水庫、安康鐵路大于3 km，無深層抽水和注水，無大型建筑和大型倉庫，無采礦爆破點。2018年3月正式觀測。

寧陜臺始建于1977年，海拔高度850 m。臺址位于月河斷裂附近，北亞熱帶季風氣候，周邊環境較好。臺基巖性為印支期花崗巖，大面積出露。洞體深度近40 m，觀測環境良好，資料連續可靠，利用率高。2019年9月正式觀測。

VP型垂直擺屬于地傾斜觀測手段中的一種，擺體結構簡單、體積較小且維護方便，安置于觀測墩上，被廣泛應用于地形變臺站監測。VP型垂直擺采用秒采樣記錄，記錄數據穩定，分辨力優于0.001 ms，位移傳感器精度為0.0001 μm，日漂移<0.005 ms。陜西省VP型垂直擺均安裝于形變觀測山洞內，受干擾程度小。臺站分布如圖1所示。

圖1 陜西省VP型垂直擺地震臺站分布圖Fig.1 Distribution of VP type vertical pendulum seismic stations in Shaanxi Province

2 觀測資料分析

2.1 正常固體潮記錄

日波曲線記錄了地殼一天內所產生的形變量，反映了地殼一天的變化。以2020年10月12日4個地震臺站記錄日變分鐘值和理論固體潮曲線（圖2）為例，4套儀器NS向與理論固體潮相關性較好，除寧陜臺相位滯后75 min左右外，其余3個臺站相位滯后較小；EW向與理論固體潮相位滯后較大，其中乾陵臺、西安臺相位滯后188 min左右，安康臺相位滯后160 min左右，寧陜臺相位滯后172 min左右。4個臺站記錄固體潮清晰，EW向日變幅度略大于NS向，除寧陜臺稍有噪聲外，其余3個臺站觀測曲線光滑，具有較好的同步性。

圖2 2020年10月12日VP型垂直擺日變曲線與理論固體潮對比Fig.2 VP type vertical pendulum diurnal curve and theoretical solid tide contrast on 12 October 2020

2.2 資料連續性

選用陜西省各臺站VP型垂直擺2020年觀測資料，計算數據完整率和連續率，統計結果見表1。

通過表1可知，乾陵臺、安康臺和寧陜臺完整率、連續率良好；西安臺連續率、完整率較差，影響西安臺完整率、連續率的主要因素是儀器故障和人為干擾影響。整體來看，陜西省VP型垂直擺觀測數據連續性較好，平均完整率達99.50%以上，平均連續率達99.90%以上。

表1 VP型垂直擺完整率、連續率統計Table 1 Statistics of complete rate and continuous rate of VP vertical pendulum

2.3 觀測精度對比

固體潮觀測意義是計算實測固體潮相對理論固體潮的偏離數值，通過長期、連續觀測獲得固體潮隨時間變化的信息，進而研究地球內部物性的變化及機理。取垂直擺整點值數據，使用調和分析計算固體潮偏離值[3]，應用中國地震前兆臺網數據處理系統2011集成版①中國地震臺網中心國家地震前兆臺網中心.中國地震前兆臺網數據處理系統（QZProcess）2011集成版求解潮汐因子、絕對誤差、相對誤差、相位滯后與相位誤差，如表2所示。

觀測精度跟場地環境、儀器最初架設情況、安裝點的地理位置、地質構造、觀測系統、人為干擾、自然環境干擾等均密切相關。觀測精度指標主要取決于絕對誤差。表2中顯示，乾陵臺和寧陜臺潮汐因子、絕對誤差和相對誤差值較為相近，絕對誤差均小于0.02，觀測精度高，乾陵臺更優于寧陜臺；安康臺、西安臺觀測精度較乾陵臺差距較大；觀測精度由高到低為：乾陵臺、寧陜臺、安康臺、西安臺。

表2 2020年1—12月VP型垂直擺調和分析結果Table 2 The harmonic analysis results of the vertical pendulums from January to December 2020

2.4 日均值變化趨勢相關性分析

相關系數是用以反映變量之間相關關系密切程度的統計指標。相關系數按積差方法計算，同樣以兩變量與各自平均值的離差為基礎，通過兩個離差相乘來反映兩變量之間的相關程度。相關系數是研究變量之間線性相關程度的量，一般用字母r表示，相關系數計算公式為：

其中，rxy表示x、y數列之間的相關系數；x=X?，y=Y?；sx、sy分 別是x、y的標準差；N為成對量數的次數[4]。

采用2020年4個臺站日均值數據，通過mapsis地震分析預報系統①蔣駿，李勝樂，張雁濱，等.基于GIS的地震分析預報系統.中國地震局，2017，計算垂直擺最大相關系數（圖3）。由于4個臺站相距最遠不超過150 km，固體潮峰谷出現時間偏差較小，對日均值數據影響可以忽略。從圖3可以看出，乾陵臺與西安臺、安康臺NS向相關性優于EW向，乾陵臺與寧陜臺EW向相關性優于NS向；總體而言，整體最大相關系數均大于0.8，其中乾陵臺與西安臺NS向、安康臺NS向，乾陵臺與寧陜臺EW向最大相關系數大于0.9，屬于高度相關。4個臺站垂直擺相關性較好，說明4個臺站觀測數據穩定可靠，能夠為地震分析提供依據。

圖3 乾陵臺與西安臺、安康臺、寧陜臺2020年1—12月VP型垂直擺最大相關系數Fig.3 Maximum correlation coefficient of VP vertical pendulum between Qianling station and Xi’an station，Ankang station and Ningshan station between January and December of 2020

2.5 同震響應特征分析

乾陵臺VP型垂直擺2020年共記錄4—5級地震4次，5—6級地震60次，6—7級地震56次，7級以上地震4次，其他3個臺站記錄到的地震個數相當。

因4個臺站相距較近，震中距相差不大，以乾陵臺震中距為例，通過對4個臺站4級以上典型地震事件記錄情況統計（表3）。垂直擺觀測數據記錄地震的最大響應幅度與震級大小呈正比，與震中距、震源深度成反比；VP型垂直擺均安放于山洞內，受干擾較小，臺站記錄到的地震曲線振幅、響應時間均較為相似。以巴布亞新幾內亞6.3級地震為例（圖4）。乾陵臺地震響應持續時間最長，其他3個臺站相近，可能反應了乾陵臺垂直擺對地震的響應更加靈敏。

圖4 2020年10月8日巴布亞新幾內亞6.3級地震陜西省VP型垂直擺觀測數據曲線Fig.4 VP type vertical pendulum observation curve in Shaanxi Province during the M6.3 Papua New Guinea earthquake on October 8,2020

表3 垂直擺典型地震事件記錄情況Table 3 Typical seismic records of vertical pendulum

3 認識和結語

通過對比陜西省乾陵臺、西安臺、安康臺、寧陜臺2020年VP型垂直擺觀測資料，得到以下認識：

（1）4套儀器固體潮清晰，變化幅度相當，均能夠準確反應地殼形變量；相關性較好；同震響應特征相似。

（2）4套儀器觀測資料連續性良好。平均完整率達99.50%以上，平均連續率達99.90%以上。

（3）觀測精度由高到低依次為：乾陵臺、寧陜臺、安康臺、西安臺。

從資料分析結果看，乾陵臺得益于良好的場地環境以及儀器運行保障，觀測質量優于其他3臺。4套儀器總體同震響應特征差異不大，說明VP型垂直擺本身具有較高的記錄地震能力，在場地環境差異較小的情況下，各設備映震效能接近。西安臺主要受儀器故障和人為干擾影響導致分析結果較差。