陜西省VP型垂直擺傾斜儀觀測(cè)對(duì)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(tái)，陜西乾縣 713300

2) 陜西省地震局安康地震臺(tái)，陜西安康 725000

引言

近年來，陜西省陸續(xù)更換了多套VP型垂直擺傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱VP型垂直擺），VP型垂直擺是在VS型垂直擺基礎(chǔ)之上的升級(jí)版本。龔麗文等[1]對(duì)VP型垂直擺記錄特征的分析發(fā)現(xiàn)：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(yōu)勢(shì)，多用于時(shí)頻研究，總結(jié)了地傾斜儀的觀測(cè)特性。但在實(shí)際觀測(cè)中，袁曲等[2]研究發(fā)現(xiàn)因構(gòu)造、介質(zhì)、電性條件、人為干擾和觀測(cè)環(huán)境的差異，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和儀器運(yùn)行情況的認(rèn)識(shí)存在不確定性。本文通過對(duì)乾陵臺(tái)、西安臺(tái)、安康臺(tái)、寧陜臺(tái)VP型垂直擺觀測(cè)資料的分析，可以明晰垂直擺觀測(cè)資料的情況，對(duì)比其運(yùn)行效能，這些工作的開展有助于將觀測(cè)數(shù)據(jù)更好地應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)，具有較高的理論研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文將利用以上4個(gè)臺(tái)站2020年1—12月的觀測(cè)資料，對(duì)各臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

1 臺(tái)站概況及儀器情況

乾陵臺(tái)始建于1966年，屬于國(guó)家形變Ⅰ類臺(tái)，臺(tái)基為奧陶系石灰?guī)r，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(zhì)構(gòu)造位置處于渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺(tái)南緣的接觸帶，關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北。地殼形變觀測(cè)山洞長(zhǎng)115 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℃。VP型垂直擺2018年11月正式觀測(cè)。

西安地震臺(tái)位于陜西省長(zhǎng)安縣子午鎮(zhèn)秦嶺北麓，海拔高度630 m。臺(tái)基巖性為前震旦紀(jì)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(duì)濕度小于90%，洞長(zhǎng)35 m。2016年增設(shè)VP型垂直擺安裝于洞室內(nèi)。

安康臺(tái)始建于1977年，現(xiàn)有的觀測(cè)洞體長(zhǎng)34 m，基巖完整，覆蓋層厚度大于30 m，且觀測(cè)洞室的頂部地形對(duì)稱，植被良好，洞內(nèi)年溫差≤0.5℃。洞室底面高于當(dāng)?shù)刈罡吆樗缓妥罡叩叵滤幻?。距漢江、安康水庫(kù)、安康鐵路大于3 km，無(wú)深層抽水和注水，無(wú)大型建筑和大型倉(cāng)庫(kù)，無(wú)采礦爆破點(diǎn)。2018年3月正式觀測(cè)。

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

VP型垂直擺屬于地傾斜觀測(cè)手段中的一種，擺體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小且維護(hù)方便，安置于觀測(cè)墩上，被廣泛應(yīng)用于地形變臺(tái)站監(jiān)測(cè)。VP型垂直擺采用秒采樣記錄，記錄數(shù)據(jù)穩(wěn)定，分辨力優(yōu)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(cè)山洞內(nèi)，受干擾程度小。臺(tái)站分布如圖1所示。

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

2 觀測(cè)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(nèi)所產(chǎn)生的形變量，反映了地殼一天的變化。以2020年10月12日4個(gè)地震臺(tái)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(guān)性較好，除寧陜臺(tái)相位滯后75 min左右外，其余3個(gè)臺(tái)站相位滯后較??；EW向與理論固體潮相位滯后較大，其中乾陵臺(tái)、西安臺(tái)相位滯后188 min左右，安康臺(tái)相位滯后160 min左右，寧陜臺(tái)相位滯后172 min左右。4個(gè)臺(tái)站記錄固體潮清晰，EW向日變幅度略大于NS向，除寧陜臺(tái)稍有噪聲外，其余3個(gè)臺(tái)站觀測(cè)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(duì)比Fig.2 VP type vertical pendulum diurnal curve and theoretical solid tide contrast on 12 October 2020

2.2 資料連續(xù)性

選用陜西省各臺(tái)站VP型垂直擺2020年觀測(cè)資料，計(jì)算數(shù)據(jù)完整率和連續(xù)率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

通過表1可知，乾陵臺(tái)、安康臺(tái)和寧陜臺(tái)完整率、連續(xù)率良好；西安臺(tái)連續(xù)率、完整率較差，影響西安臺(tái)完整率、連續(xù)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(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，平均完整率達(dá)99.50%以上，平均連續(xù)率達(dá)99.90%以上。

表1 VP型垂直擺完整率、連續(xù)率統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of complete rate and continuous rate of VP vertical pendulum

2.3 觀測(cè)精度對(duì)比

固體潮觀測(cè)意義是計(jì)算實(shí)測(cè)固體潮相對(duì)理論固體潮的偏離數(shù)值，通過長(zhǎng)期、連續(xù)觀測(cè)獲得固體潮隨時(shí)間變化的信息，進(jìn)而研究地球內(nèi)部物性的變化及機(jī)理。取垂直擺整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，使用調(diào)和分析計(jì)算固體潮偏離值[3]，應(yīng)用中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2011集成版①中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心國(guó)家地震前兆臺(tái)網(wǎng)中心.中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（QZProcess）2011集成版求解潮汐因子、絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、相位滯后與相位誤差，如表2所示。

觀測(cè)精度跟場(chǎng)地環(huán)境、儀器最初架設(shè)情況、安裝點(diǎn)的地理位置、地質(zhì)構(gòu)造、觀測(cè)系統(tǒng)、人為干擾、自然環(huán)境干擾等均密切相關(guān)。觀測(cè)精度指標(biāo)主要取決于絕對(duì)誤差。表2中顯示，乾陵臺(tái)和寧陜臺(tái)潮汐因子、絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差值較為相近，絕對(duì)誤差均小于0.02，觀測(cè)精度高，乾陵臺(tái)更優(yōu)于寧陜臺(tái)；安康臺(tái)、西安臺(tái)觀測(cè)精度較乾陵臺(tái)差距較大；觀測(cè)精度由高到低為：乾陵臺(tái)、寧陜臺(tái)、安康臺(tái)、西安臺(tái)。

表2 2020年1—12月VP型垂直擺調(diào)和分析結(jié)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(shì)相關(guān)性分析

相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)按積差方法計(jì)算，同樣以兩變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個(gè)離差相乘來反映兩變量之間的相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)是研究變量之間線性相關(guān)程度的量，一般用字母r表示，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

其中，rxy表示x、y數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)；x=X?，y=Y?；sx、sy分 別是x、y的標(biāo)準(zhǔn)差；N為成對(duì)量數(shù)的次數(shù)[4]。

采用2020年4個(gè)臺(tái)站日均值數(shù)據(jù)，通過mapsis地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)①蔣駿，李勝樂，張雁濱，等.基于GIS的地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng).中國(guó)地震局，2017，計(jì)算垂直擺最大相關(guān)系數(shù)（圖3）。由于4個(gè)臺(tái)站相距最遠(yuǎn)不超過150 km，固體潮峰谷出現(xiàn)時(shí)間偏差較小，對(duì)日均值數(shù)據(jù)影響可以忽略。從圖3可以看出，乾陵臺(tái)與西安臺(tái)、安康臺(tái)NS向相關(guān)性優(yōu)于EW向，乾陵臺(tái)與寧陜臺(tái)EW向相關(guān)性優(yōu)于NS向；總體而言，整體最大相關(guān)系數(shù)均大于0.8，其中乾陵臺(tái)與西安臺(tái)NS向、安康臺(tái)NS向，乾陵臺(tái)與寧陜臺(tái)EW向最大相關(guān)系數(shù)大于0.9，屬于高度相關(guān)。4個(gè)臺(tái)站垂直擺相關(guān)性較好，說明4個(gè)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，能夠?yàn)榈卣鸱治鎏峁┮罁?jù)。

圖3 乾陵臺(tái)與西安臺(tái)、安康臺(tái)、寧陜臺(tái)2020年1—12月VP型垂直擺最大相關(guān)系數(shù)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(yīng)特征分析

乾陵臺(tái)VP型垂直擺2020年共記錄4—5級(jí)地震4次，5—6級(jí)地震60次，6—7級(jí)地震56次，7級(jí)以上地震4次，其他3個(gè)臺(tái)站記錄到的地震個(gè)數(shù)相當(dāng)。

因4個(gè)臺(tái)站相距較近，震中距相差不大，以乾陵臺(tái)震中距為例，通過對(duì)4個(gè)臺(tái)站4級(jí)以上典型地震事件記錄情況統(tǒng)計(jì)（表3）。垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄地震的最大響應(yīng)幅度與震級(jí)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(nèi)，受干擾較小，臺(tái)站記錄到的地震曲線振幅、響應(yīng)時(shí)間均較為相似。以巴布亞新幾內(nèi)亞6.3級(jí)地震為例（圖4）。乾陵臺(tái)地震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，其他3個(gè)臺(tái)站相近，可能反應(yīng)了乾陵臺(tái)垂直擺對(duì)地震的響應(yīng)更加靈敏。

圖4 2020年10月8日巴布亞新幾內(nèi)亞6.3級(jí)地震陜西省VP型垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)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(rèn)識(shí)和結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)比陜西省乾陵臺(tái)、西安臺(tái)、安康臺(tái)、寧陜臺(tái)2020年VP型垂直擺觀測(cè)資料，得到以下認(rèn)識(shí)：

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

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

（3）觀測(cè)精度由高到低依次為：乾陵臺(tái)、寧陜臺(tái)、安康臺(tái)、西安臺(tái)。

從資料分析結(jié)果看，乾陵臺(tái)得益于良好的場(chǎng)地環(huán)境以及儀器運(yùn)行保障，觀測(cè)質(zhì)量?jī)?yōu)于其他3臺(tái)。4套儀器總體同震響應(yīng)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(chǎng)地環(huán)境差異較小的情況下，各設(shè)備映震效能接近。西安臺(tái)主要受儀器故障和人為干擾影響導(dǎo)致分析結(jié)果較差。