乾陵地震臺地傾斜觀測運行效能分析

楊曉東 張晨蕾 孫 昱 陳嘉選

（中國陜西 710068 陜西省地震局乾陵綜合地震臺）

0 引言

地傾斜觀測可用于研究地殼形變相對變化及固體潮汐變化，探索地殼構(gòu)造運動的規(guī)律，進而為分析判斷地震活動趨勢提供依據(jù)。因此，地傾斜觀測是研究地殼形變及固體潮的重要手段之一。

乾陵地震臺（以下簡稱乾陵臺）地傾斜觀測儀器有VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀（以下簡稱垂直擺）和DSQ型水管傾斜儀（以下簡稱水管儀）2套儀器。一些研究者對這2類儀器間的差異進行過分析（周雯等，2020），如龔麗文等（2018）、袁曲等（2019）對2類儀器的信號特征進行過對比研究，結(jié)果表明，水管儀基線長，阻尼大，信號穩(wěn)定，抗干擾能力強，振幅擬合高，多用于能量衰減分析；而垂直擺基線短，阻尼小，波譜信息豐富，在記錄短周期的高頻信息中具有優(yōu)勢，多用于時頻研究。然而，在實際觀測中，因地質(zhì)構(gòu)造、介質(zhì)、電性條件、人為干擾和觀測環(huán)境等方面的差異，對觀測數(shù)據(jù)和儀器運行情況的認識存在不確定性。因此，通過對乾陵地震臺2套儀器的對比研究，綜合分析乾陵地震臺地傾斜觀測的運行效能，有助于將觀測數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于地震預(yù)報工作。

1 臺站概況及儀器情況

乾陵地震臺始建于1966年，屬于國家形變Ⅰ類臺，儀器安裝于形變山洞內(nèi)，受干擾程度較小。臺基為奧陶系石灰?guī)r，海拔高度885 m，臺站地處渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原的過渡地帶。地質(zhì)構(gòu)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，具體為關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂以南、乾縣—富平斷裂以北。地殼形變觀測山洞長115 m，EW向長40 m，NS向長75 m，基巖完整，覆蓋層厚度40 m以上，植被覆蓋良好，洞內(nèi)年溫差≤0.3℃，觀測環(huán)境較好。

乾陵地震臺配備VP型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型伸縮儀、TJ-Ⅱ型 體應(yīng)變儀等“十五”數(shù)字化形變觀測儀器及1套WWY-1型氣象輔助觀測儀。2018年11月正式開始垂直擺觀測，秒采樣記錄，記錄數(shù)據(jù)穩(wěn)定，分辨力＞0.001ms，位移傳感器精度為0.000 1 μm，日漂移＜0.005 ms。水管儀自2014年1月正式架設(shè)運行，分辨率為0.000 5 ms，日漂移＜0.005 ms，采樣率為1次/min。乾陵地震臺垂直擺和水管儀都安裝于形變山洞內(nèi)，垂直擺安裝于水管儀東側(cè)觀測室內(nèi)，距水管儀東側(cè)4 m。

2 觀測資料分析

自垂直擺和水管儀架設(shè)以來，地傾斜觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性均較高，選取 2019 年 7—12月觀測數(shù)據(jù)進行分析。

2.1 正常記錄

日波曲線記錄的是地殼1天內(nèi)所產(chǎn)生的形變量，反映了地殼1天的變化（張玉林等，2018）。對比垂直擺和水管儀的日波記錄，對分析二者記錄地球固體潮時的效能具有重要意義。

以2019年9月28日垂直擺、水管儀日變分鐘值（圖 1）為例，由圖1可見，2套儀器觀測曲線光滑，2個測向整體年變形態(tài)基本一致，波峰、波谷出現(xiàn)時間相當，固體潮清晰，噪音較小，均可以清晰、準確反應(yīng)地下形變活動情況。由于垂直擺為秒采樣儀器，故更容易記錄到地震前斷層微動態(tài)。

圖1 2019 年9月28日垂直擺、水管儀測值（a）垂直擺；（b）水管儀Fig.1 Comparison of daily variation curves of the vertical pendulum and water-tube tiltmeter on September 28,2019

2.2 資料連續(xù)性、完整性

連續(xù)率、完整率是評價觀測資料質(zhì)量的主要指標之一。連續(xù)率指一段時間內(nèi)儀器實際產(chǎn)出的數(shù)據(jù)總數(shù)與應(yīng)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)總數(shù)之比；完整率指一段時間內(nèi)儀器實際產(chǎn)出的有用數(shù)據(jù)（也稱為預(yù)處理數(shù)據(jù)）總數(shù)與應(yīng)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)總數(shù)之比。連續(xù)率反應(yīng)觀測儀器運行情況，完整率反映儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)可用情況。通常情況下，連續(xù)率大于等于完整率。

選用2019年7—12月垂直擺、水管儀觀測資料，計算數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 垂直擺、水管儀觀測資料連續(xù)率、完整率（%）Table 1 Statistics of continuity rate and integrity rate of the observations of vertical pendulum and water tube tiltmeter

從表1可見，2套儀器平均連續(xù)率大于99.98%，平均完整率大于99.88%，數(shù)據(jù)連續(xù)性良好，且垂直擺連續(xù)率、完整率優(yōu)于水管儀。

乾陵地震臺垂直擺和水管儀均安裝于形變山洞，受環(huán)境干擾較小，主要受人為干擾。水管儀2019年7月標定6次，10月和11月各調(diào)零1次。水管儀由于水質(zhì)渾濁，標定難度加大，且水管儀調(diào)零需工作人員進洞手動調(diào)零，一般每2個月調(diào)零1次，每次進洞檢修伸縮儀、水管儀及水管儀調(diào)零等都會對水管儀產(chǎn)生較大干擾。垂直擺2019年10月調(diào)零1次，垂直擺工作狀態(tài)穩(wěn)定，調(diào)零可遠程網(wǎng)頁操作，一般每半年調(diào)零1次，很少檢修儀器。綜合分析認為，垂直擺抗干擾性略優(yōu)于水管儀，且受人為進洞活動的影響較小。

2.3 觀測精度對比

固體潮觀測的意義是計算實測固體潮相對于理論固體潮的偏離數(shù)值，以通過長期、連續(xù)觀測獲得固體潮隨時間變化的信息，進而研究地球內(nèi)部物性的變化及機理。取垂直擺和水管儀整點值數(shù)據(jù)，使用調(diào)和分析方法計算固體潮偏離值（呂品姬等，2010），求得潮汐因子、絕對誤差、相對誤差、相位滯后、相位誤差等（表2、3）。

表2 2019年7—12月垂直擺調(diào)和分析Table 2 The harmonic analysis of the vertical pendulums from July to December 2019

表3 2019年7—12月水管儀調(diào)和分析Table 3 The harmonic analysis of the water-tube tiltmeter from July to December 2019

由表2可見，水管儀NS向的潮汐因子小于垂直擺，水管儀EW向的潮汐因子與垂直擺相近，且2套儀器的潮汐因子NS向均小于EW向；2套儀器潮汐因子的絕對誤差和相對誤差NS向均大于EW向，且水管儀潮汐因子的絕對誤差、相對誤差均略小于垂直擺；水管儀NS向相位滯后大于垂直擺，水管儀EW向相位滯后小于垂直擺。由表2、3可見，水管儀的觀測精度略優(yōu)于垂直擺，且2套儀器觀測精度EW向均優(yōu)于NS向。這一結(jié)論也與唐九安等（1997）一致。

2.4 日均值變化趨勢相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)是反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標。相關(guān)系數(shù)是按積差方法計算的，以2個變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過2個離差相乘來反映2個變量之間相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)計算公式為

相關(guān)系數(shù)取值為-1—1，正負號表示相關(guān)方向，相關(guān)系數(shù)絕對值表示相關(guān)程度。r值越趨近于1，表示2組數(shù)據(jù)正相關(guān)性越強；越趨近于-1，表示2組數(shù)據(jù)負相關(guān)性越強。一般，|r|≤0.3為微弱相關(guān)；0.3＜|r|≤0.5為低度相關(guān)；0.5＜|r|≤0.80為顯著相關(guān)；0.8＜|r|≤1.00為高度相關(guān)。

選用2019年7—12月垂直擺、水管儀觀測數(shù)據(jù)日均值，通過mapsis地震分析預(yù)報系統(tǒng)，計算2套儀器觀測數(shù)據(jù)間的最大相關(guān)系數(shù)（圖2）。由圖2可見，2套儀器觀測數(shù)據(jù)間相關(guān)系數(shù)總均值約為0.900，屬于高度相關(guān)；垂直擺、水管儀EW向觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性均優(yōu)于 NS向。本文作者通過對乾陵臺地傾斜儀器記錄的地震波形進行研究發(fā)現(xiàn)，NS向觀測數(shù)據(jù)在記錄地震能力、幅度上大于EW向；NS向觀測數(shù)據(jù)從記錄地震到震后數(shù)據(jù)恢復(fù)的穩(wěn)定時間較EW向長，在此時段內(nèi)，NS向觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)會小于EW向，這可能是NS向觀測數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)整體小于EW向的主要原因。

圖2 2019年7—12月垂直擺、水管儀日均值最大相關(guān)系數(shù)（a）NS向；（b）EW向Fig.2 The maximum correlation coefficient of the daily mean of the vertical pendulum and water-tube tiltmeter observations from July to December in 2019

2.5 映震能力分析

垂直擺采用秒采樣，頻帶較寬，可以精確記錄觀測點地表發(fā)生地震時的傾斜變化，對各種震級地震均記錄清晰，特別是近震、小震明顯優(yōu)于水管儀。水管儀采用分采樣，在記錄地震發(fā)生時的傾斜變化時不如垂直擺精確，對于5級以下較小地震記錄不清晰。

選取2019年7—12月地震記錄資料（表4），垂直擺共記錄到88次地震，水管儀共記錄到24次地震。其中，垂直擺、水管儀記錄的最大震級均為7.2級；垂直擺記錄最小震級為3.7級，水管儀為5.5級。垂直擺記錄的地震總數(shù)、震級區(qū)間均大于水管儀。2套儀器對2019年10月31日菲律賓棉蘭老島6.6級地震的記錄如圖3所示。

表4 2019年7—12月地震統(tǒng)計Table 4 Statistics of earthquake records from July to December 2019

圖3 2019年10月31日垂直擺、水管儀測值（a）、（c）垂直擺；（b）、（d）水管儀Fig.3 Seismic record curves of the vertical pendulum and water tube instrument on October 31,2019

地震記錄最大響應(yīng)幅度受震級、震中距和震源深度等影響；響應(yīng)時間與震中距間為正比關(guān)系，震中距越大，響應(yīng)時間越長；響應(yīng)持續(xù)時間與震級間為正比關(guān)系，震級越大，同震持續(xù)時間越長。

通過對2套儀器5級以上典型地震事件記錄進行分析發(fā)現(xiàn)（表5）：垂直擺的地震最大響應(yīng)幅度和響應(yīng)持續(xù)時間均大于水管儀。但是，隨著震中距的增大，水管儀的響應(yīng)時間大于垂直擺。

表5 2019年7—12月典型地震事件垂直擺、水管儀記錄情況Table 5 Records of typical earthquakes from July to December in 2019

3 結(jié)束語

通過對比2019年7—12月垂直擺、水管儀的儀器參數(shù)及運行期間的觀測資料，得出以下結(jié)論。

（1）在觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率方面，垂直擺優(yōu)于水管儀，2套儀器平均連續(xù)率大于99.98%，完整率大于99.88%，水管儀受人為干擾影響較大，垂直擺受干擾較小。

（2）水管儀觀測精度優(yōu)于垂直擺，且2套儀器EW向觀測精度均優(yōu)于NS向。

（3）2套儀器觀測數(shù)據(jù)日值相關(guān)性較強，且EW向略優(yōu)于NS向。

（4）垂直擺觀測頻帶較寬，映震效能明顯高于水管儀。

綜上所述，2套儀器各有優(yōu)勢，在地震觀測中相輔相成，均為地傾斜觀測不可或缺的手段。垂直擺運行狀態(tài)良好，資料可靠，可以較好地用于地震監(jiān)測。