基于頻譜分析的VP垂直擺傾斜儀10Hz數(shù)據(jù)的應(yīng)用展望

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(duì)地傾斜固體潮的記錄和研究是進(jìn)行地震前兆觀測(cè)的重要手段之一。

十七世紀(jì)末，在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律并用于解釋潮汐現(xiàn)象的同時(shí)，人們就想象到太陽和月亮的引潮力將會(huì)引起鉛垂線方向發(fā)生變化。當(dāng)時(shí)有許多人試著測(cè)量太陽和月亮的引潮力對(duì)自由懸掛的鉛垂擺的平衡位置的變化，并做了大量試驗(yàn)，由于測(cè)量靈敏度不夠，均未成功。直到十九世紀(jì)德國人Hengler發(fā)明了水平擺，用機(jī)械方法將位移量放大了很多倍之后，才測(cè)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(guī)律的，若將傾斜固體潮的影響通過分析計(jì)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(shí)為周期的，而地傾斜的非潮汐變化過程很長，在大多數(shù)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(dòng)的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)由于振動(dòng)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(duì)位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動(dòng)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(hào)。

撫順境內(nèi)，目前共擁有4個(gè)地震前兆形變觀測(cè)山洞，分別為：撫順臺(tái)山洞、北大嶺山洞、木奇山洞、南山城山洞。其中含地傾斜觀測(cè)儀器多套：3套DSQ、1套SSQ-2I、2套VP和2套SQ70（已停測(cè)）。這為本地區(qū)進(jìn)行大地形變的地傾斜觀測(cè)提供了良好的觀測(cè)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

南山城地震觀測(cè)站和木奇地震觀測(cè)站原各有一套SQ70儀器，隨著維護(hù)困難，逐漸停測(cè)，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(chǔ)之上研發(fā)的新型地震前兆觀測(cè)設(shè)備，其優(yōu)于千分之一角秒的分辨力和拓寬的頻帶不但滿足了對(duì)地傾斜固體潮的觀測(cè)，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(shí)際的前兆觀測(cè)過程中，我們也發(fā)現(xiàn)，VP擺傾斜儀對(duì)地震的記錄十分敏感，無論是遠(yuǎn)震、近震、還是地方震，都有很好的記錄數(shù)據(jù)曲線，這就說明VP擺傾斜儀針對(duì)地下振動(dòng)的反應(yīng)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(shù)據(jù)上，VP擺傾斜儀都能準(zhǔn)確的記錄到完整、傾斜、便于分別的地震波數(shù)據(jù)。其作為近些年異軍突起的短基線前兆觀測(cè)傾斜儀，以其更加優(yōu)越的安裝調(diào)試流程、電路設(shè)計(jì)、調(diào)零標(biāo)定動(dòng)作的操作等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的用到了量程小、精度要求高的位移測(cè)量上。

作為高采樣的數(shù)據(jù)，通過國家局或省局服務(wù)器作圖提取數(shù)據(jù)，能夠得到秒采樣的數(shù)據(jù)文本，若通過地震前兆處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，我們會(huì)接觸到分鐘值的VP擺傾斜儀數(shù)據(jù)，分鐘值的數(shù)據(jù)不但易于處理分析，也方便與其他分鐘值采樣的前兆數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

但其實(shí)在VP垂直擺傾斜儀除了提供分鐘值和秒值數(shù)據(jù)之外，它還產(chǎn)生一個(gè)10Hz的數(shù)據(jù)文件，將這些“分”、“秒”、“10Hz”的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分別下載，依次得到三個(gè)不同后綴的數(shù)據(jù)文件，三個(gè)后綴分別為：“.epd”、“.sec”、“.010”。

“.epd”后綴數(shù)據(jù)文件是分采樣，也就是分鐘值、“.sec”是秒采樣，而“.010”就是10Hz數(shù)據(jù)，也就是0.1秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)，那么，單位時(shí)間內(nèi)它的數(shù)據(jù)量就是秒采樣數(shù)據(jù)的10倍。擴(kuò)大了10倍的數(shù)據(jù)量，這無疑豐富了大量的前兆觀測(cè)分析數(shù)據(jù)。

從南山城地震觀測(cè)站、木奇地震觀測(cè)站的兩臺(tái)套VP垂直擺傾斜儀分別對(duì)同一個(gè)地震的記錄來看，分別從分鐘值、整點(diǎn)值和10Hz值，來看，數(shù)據(jù)顯示越來越清晰，數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容越來越多。

這是一個(gè)2020年發(fā)生的蓋州地震，記錄這段波形的是撫順木奇地震觀測(cè)站。我們對(duì)這三段信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，三段信號(hào)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(yùn)動(dòng)方向與擺體夾角相關(guān)。后續(xù)我們?nèi)詫⒕驮搯栴}繼續(xù)研究。

思考：

至今，我國臺(tái)網(wǎng)中心等相關(guān)部門，都沒有大規(guī)模采用10Hz的數(shù)據(jù)，我有幾點(diǎn)假設(shè)：

首先，這個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生是基于武漢地震儀器研究所用于儀器測(cè)試使用的，在儀器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)初期，就未完全準(zhǔn)備將其編入正式數(shù)據(jù)臺(tái)網(wǎng)中心。

其次，10Hz的數(shù)據(jù)產(chǎn)生部分用途與測(cè)震數(shù)據(jù)相重疊，測(cè)震數(shù)據(jù)是50Hz采樣，即0.02秒一個(gè)數(shù)據(jù)的密度，10Hz是0.1秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)的密度，但從數(shù)據(jù)量來說，10Hz數(shù)據(jù)量是測(cè)震信號(hào)數(shù)據(jù)的五分之一，不能完全作為測(cè)震數(shù)據(jù)進(jìn)行使用，一些真相較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見的問題。

再次，作為地震系統(tǒng)前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)儀器，其對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和流量要求不會(huì)很高，而VP垂直擺傾斜儀產(chǎn)生的10Hz數(shù)據(jù)若完全進(jìn)入前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，無疑會(huì)增大數(shù)據(jù)傳輸流量，數(shù)據(jù)庫等一些列問題，造成數(shù)據(jù)分析的不便等等。可能還有其他的有力證據(jù)證明VP擺的10Hz數(shù)據(jù)是“雞肋”。

但我想說的是，這是作為管理者對(duì)地震系統(tǒng)整體建構(gòu)的考量、判斷和決策，我們無從而知，但作為地震分析預(yù)報(bào)的最前線工作人員，卻有著得天獨(dú)厚的崗位“特權(quán)”，那就是每每與這些數(shù)據(jù)打交道時(shí)的一種特殊的感覺，因?yàn)檫@就是我們時(shí)時(shí)刻刻，無時(shí)無刻不再接觸的數(shù)據(jù)儀器。我們應(yīng)盡我們一些可以掌握、運(yùn)用的能力和方法，提高地震系統(tǒng)最前線工作的多樣性，成為自己手里攻堅(jiān)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(xué)本科學(xué)歷，工程師，研究方向：監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

（作者單位：遼寧省撫順地震臺(tái)）