海拉爾地震臺(tái)SSQ-2I水平擺與VP垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

申影 王怡 堵偉鵬

（中國(guó)呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

0 引言

地傾斜觀測(cè)的目的是研究地殼形變垂直的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和固體潮汐的動(dòng)態(tài)變化，傾斜觀測(cè)可為地球固體潮汐、地殼巖石性質(zhì)、地球參數(shù)等研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)。地傾斜觀測(cè)所用的固定擺傾斜儀主要分為垂直擺傾斜儀、水平擺傾斜儀。SSQ-2I 型數(shù)字石英水平擺（以下簡(jiǎn)稱SSQ-2I 水平擺）是用于測(cè)量地傾斜變化的一種高靈敏度儀器，具有準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于固定臺(tái)站長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)地面緩慢的傾斜變化。SSQ-2I水平擺采用石英水平擺接受地面傾斜信號(hào)，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生傾斜時(shí)，擺桿繞旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，通過電渦流傳感器將擺端的位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。VP 型垂直擺傾斜儀（以下簡(jiǎn)稱VP 垂直擺）運(yùn)用擺的鉛錘原理，其原理比水平擺傾斜儀簡(jiǎn)單。擺系在沒有振動(dòng)的條件下處于相對(duì)鉛錘狀態(tài)，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生微量?jī)A斜變化時(shí)，平衡位置相對(duì)產(chǎn)生變化，通過傳感器將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并加以放大。VP 垂直擺是在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率和拓寬的頻帶不但滿足了對(duì)地傾斜固體潮的觀測(cè)，而且使其也能記錄到緩慢地震和長(zhǎng)周期地震等更多的地震信息。2 套儀器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

針對(duì)2 套擺式傾斜儀儀器效能的對(duì)比分析已有相關(guān)研究。高明智等（2016）從干擾因素、連續(xù)性、穩(wěn)定性、觀測(cè)精度、映震能力等方面進(jìn)行了對(duì)比分析；曹白倫等（2020）從數(shù)據(jù)形態(tài)特征分析、數(shù)據(jù)可靠性等方面進(jìn)行對(duì)比分析；趙倩等（2016）從頻譜特征等方面進(jìn)行分析。本文擬對(duì)2018—2020 年海拉爾地震臺(tái)SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，綜合評(píng)價(jià)2 套儀器的效能，以期為呼倫貝爾市及周邊地區(qū)地震分析預(yù)測(cè)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

海拉爾地震臺(tái)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部呼倫貝爾市海拉爾區(qū)的西北郊。距濱洲鐵路4.0 km，距301 國(guó)道1.1 km，海拔高度610 m。臺(tái)站利用原采石場(chǎng)舊址建臺(tái)，地震觀測(cè)專用山洞總長(zhǎng)85 m。臺(tái)址附近斷層較發(fā)育，有EW 向的海拉爾斷裂、NW 向的南屯斷裂及與之交匯的NE 向斷裂。巖性屬中生代侏羅紀(jì)安山巖。根據(jù)氣象記錄，冬季1 月份最低氣溫可達(dá)零下45℃，夏季8 月份最高氣溫可達(dá)零上37℃。每年的5 月底至9 月底為無霜期，當(dāng)?shù)貧夂蚋稍铩⒍囡L(fēng)。山洞內(nèi)溫度為4℃，年溫差小于0.1℃，觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定。海拉爾地震臺(tái)SSQ-2I 水平擺于“十五”期間安裝，自2006 年運(yùn)行至今，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，記錄固體潮清晰穩(wěn)定。VP 垂直擺自2017 年安裝運(yùn)行至今，數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，觀測(cè)精度逐漸提高。2 套儀器架設(shè)在同一洞室內(nèi)，相距不足5 m。

2 觀測(cè)資料對(duì)比分析

2.1 觀測(cè)資料的連續(xù)性

評(píng)定地傾斜觀測(cè)資料的連續(xù)率和完整率是資料質(zhì)量控制的主要指標(biāo)之一。觀測(cè)資料的連續(xù)率N計(jì)算公式為

海拉爾地震臺(tái)觀測(cè)山洞內(nèi)安裝有UPS 及二級(jí)防雷器，遇市電斷電及雷電時(shí)，可保證洞室內(nèi)儀器連續(xù)供電30 min 以上，為值班人員啟動(dòng)發(fā)電機(jī)提供充足時(shí)間。表2 為SSQ-2I水平擺、VP 垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率。由表2 可見，2018—2020 年2 套儀器連續(xù)率和完整率均大于99%。VP 垂直擺2018 年數(shù)據(jù)完整率較低，這是由2017 年11 月安裝VP 垂直擺后數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)超量程現(xiàn)象、缺數(shù)太多所致，2019 年數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率均有所上升，儀器趨于穩(wěn)定。

表2 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率（單位：%）Table 2 Continuity and integrity of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum tiltmeters

2.2 傾斜量的年零漂、年變幅

傾斜量的年零漂可用來衡量觀測(cè)儀器及其墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其計(jì)算方法為：用某年12 月31 日傾斜量日均值減去當(dāng)年1 月1 日的日均值。表3 為SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量年零漂、年變幅。從表3 可見，SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量年零漂NS 分量均優(yōu)于EW 分量，且2 套儀器均存在單分量漂移較快的現(xiàn)象；2018—2020 年垂直擺EW 分量年漂零遠(yuǎn)多于NS 分量，SSQ 水平擺呈NE—NW—NE 傾斜，VP 垂直擺呈NW—NW—SW 傾斜。漂移量越趨于穩(wěn)定，某種程度上也可能反映出觀測(cè)洞室周邊地殼變化信息。在傾斜量年變幅方面，SSQ-2I 水平擺EW 分量?jī)?yōu)于NS 分量，VP垂直擺NS 分量?jī)?yōu)于EW 分量，且趨于穩(wěn)定。表4 為2020 年1 月SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺傾斜量固體潮極值。通過比較傾斜量固體潮極值與大潮（朔日為陰歷初一前后，望日為陰歷十五前后）、小潮（上弦為陰歷初八、初九，下弦為陰歷廿二、廿三）的對(duì)應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，記錄到最大固體潮時(shí)刻在陰歷臘月十七、十八（即為望日前后），記錄到最小固體潮時(shí)刻在臘月初八、九（即為上弦日），這與大潮、小潮時(shí)間較一致。SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量NS 分量最小固體潮、EW 分量最大固體潮變化幅度較一致，其余分量的VP 垂直擺傾斜量隨固體潮的變化幅度較大。綜合分析，2 套儀器記錄固體潮大潮小潮時(shí)刻對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，可信度較高；VP 垂直擺傾斜量年零漂和年變幅遠(yuǎn)大于SSQ-2I 水平擺，可能是因?yàn)閮x器安裝時(shí)間較短、儀器性能不穩(wěn)定所致，后續(xù)儀器傾斜量年零漂和年變幅質(zhì)量仍有上升空間。

表3 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量年零漂、年變幅（單位：10-3″）Table 3 Statistical table of zero drift and annual variation of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum annual

表4 2020 年1 月SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量固體潮極值（單位：10-3″）Table 4 The solid tide extremum of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum in January 2020

2.3 潮汐因子及潮汐因子中誤差

固體潮觀測(cè)值相對(duì)于其理論值的偏離通?？梢杂米钚《朔ǖ腣enedikov 調(diào)和分析方法進(jìn)行分析，利用該方法可以求解各個(gè)波群的觀測(cè)振幅與理論振幅之比和觀測(cè)相位與理論相位之差。前者定義為潮汐振幅比及潮汐因子，后者定義為潮汐相位滯后。M2波潮汐因子及其中誤差mγ指標(biāo)是用來評(píng)定固體潮觀測(cè)資料內(nèi)在質(zhì)量精度的一項(xiàng)重要定量指標(biāo)。選取2018—2020 年2 套傾斜儀觀測(cè)資料中預(yù)處理整點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行逐月M2波調(diào)和分析和逐年調(diào)和分析，所得結(jié)果如圖1、2 所示。

圖1 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺M2 波潮汐因子（a） SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS 分量；（d）VP EW 分量Fig.1 M2 wave tidal factor of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

由圖1 可見，2018 年5—6 月SSQ-2I 水平擺EW 分量及VP 垂直擺NS、EW 分量潮汐因子變化較大，這是受積雪消融影響所致，影響結(jié)束后，兩分量數(shù)據(jù)恢復(fù)穩(wěn)定。SSQ-2I水平擺NS 分量2019 年6 月潮汐因子增至0.825 51，分析認(rèn)為與儀器自身有關(guān)，其他分量潮汐因子變化未見明顯異常。由圖2 可見，2018 年3 月、2019 年3 月、6 月SSQ-2I 水平擺NS 分量潮汐因子中誤差誤差較大，約為0.02，其余時(shí)間段內(nèi)較穩(wěn)定；EW 分量的均小于0.12，相對(duì)較穩(wěn)定。2018—2020 年VP 垂直擺NS 分量潮汐因子誤差較不穩(wěn)定，均值大于0.1，這與儀器安裝時(shí)間短、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定有較大關(guān)系；EW 分量潮汐因子誤差相比NS 分量更穩(wěn)定，且數(shù)值更小。

圖2 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺M2 波潮汐因子中誤差（a） SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS 分量；（d）VP EW 分量Fig.2 M2 wave tidal factor errors of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

從逐年調(diào)和計(jì)算結(jié)果（表5）可見，在潮汐因子中誤差方面，SSQ-2I 水平擺NS 分量?jī)?yōu)于EW 分量，VP 垂直擺EW 分量?jī)?yōu)于NS 分量，SSQ-2I 水平擺NS 分量潮汐因子中誤差最小，小于同年VP 垂直擺NS 分量潮汐因子中誤差的1/10。SSQ-2I 水平擺NS、EW 分量潮汐因子中誤差均小于0.02，達(dá)到中國(guó)地震局Ⅰ類臺(tái)站的精度標(biāo)準(zhǔn)。VP 垂直擺EW 分量潮汐因子中誤差由2018 年的0.06 降至2020 年的0.005，逐年遞減，說明儀器精度逐漸提高且觀測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。在相位滯后誤差方面，SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺NS 分量均優(yōu)于EW 分量，VP 垂直擺NS 分量相位滯后誤差最小。2 套儀器NS 分量相位滯后誤差相對(duì)較穩(wěn)定，EW 分量相位滯后誤差逐年遞減，說明觀測(cè)數(shù)據(jù)精度還有上升空間?？傮w來看，SSQ-2I 水平擺的觀測(cè)資料精度優(yōu)于VP 垂直擺，垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)精度仍有提高的空間。

表5 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺M2 波年調(diào)和統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical table of M2 wave annual harmonic analysis of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.4 觀測(cè)資料相對(duì)噪聲水平對(duì)比

采用均方差擬合精度評(píng)價(jià)地傾斜觀測(cè)資料1 年穩(wěn)定性精度，將其作為評(píng)定地傾斜潮汐觀測(cè)資料質(zhì)量的另一項(xiàng)重要指標(biāo)。由SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量噪聲日均值、5 日均值計(jì)算結(jié)果可見（表6），2018 年SSQ 水平擺EW 分量噪聲小于EW 分量，其余時(shí)間段內(nèi)兩分量噪聲均相對(duì)穩(wěn)定且為最小值。VP 垂直擺NS 分量2018 年、EW 分量2019 年噪聲相比于同時(shí)段內(nèi)其他分量較高。截至2020 年，總體看來，SSQ-2I 水平擺傾斜量噪聲小于VP 垂直擺，2 套儀器四分量噪聲遠(yuǎn)小于0.02，達(dá)到中國(guó)地震局Ⅰ類臺(tái)站的精度標(biāo)準(zhǔn)。

表6 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量噪聲（單位：″）Table 6 Noise levels SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.5 相關(guān)性分析

VP 垂直擺采樣率為1 次/s，SSQ-2I 水平擺采樣率為1 次/min。因采樣率不同，不能直接分析其相關(guān)性，故將VP 垂直擺秒采樣數(shù)據(jù)降采樣為分采樣數(shù)據(jù)，再進(jìn)行相關(guān)性分析（圖3）。從圖3 可見，SSQ-2I 水平擺NS 分量測(cè)值與VP 垂直擺NS 分量測(cè)值相關(guān)性均值為0.934，EW 分量相關(guān)性均值為0.967，EW 分量相關(guān)性大于NS 分量。

圖3 SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺間的相關(guān)性（a）NS分量；（b）EW分量Fig.3 Correlation of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum(a) north-south component；(b) east-west component

2.6 映震能力分析

以2020年1月19日21：27新疆喀什伽師MS6.4地震為例，對(duì)SSQ-2I水平擺和VP 垂直擺進(jìn)行比較可知（圖4），SSQ-2I 水平擺記錄的傾斜量NS 分量最大振幅為23.4×10-3″，EW分量最大振幅為13.5×10-3″；VP垂直擺記錄的傾斜量NS分量最大振幅為40.8×10-3″，EW分量最大振幅為1.00×10-3″。2套儀器NS 分量?jī)A斜量振幅明顯大于EW分量，且VP 垂直擺最大振幅約為SSQ-2I 水平擺的2 倍。

圖4 2020 年1 月19—20 日伽師縣MS 6.4 地震前后水平擺、垂直擺映震能力對(duì)比（a）SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS分量；（d）VP EW分量Fig.4 Comparison of the ability of the horizontal pendulum and vertical pendulum before and after the earthquake with magnitude 6.4 in Kashi,Xinjiang

對(duì)2 套儀器4 個(gè)分量進(jìn)行小波分析后的第5 階細(xì)節(jié)圖（圖5）顯示，2018 年5—6 月積雪消融對(duì)SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺影響很大，在2019 年4 月18 日臺(tái)灣花蓮MS6.7地震、2019 年6 月17 日四川宜賓MS6.0 地震、2020 年1 月19 日新疆喀什MS6.4 地震、2020 年6 月26 日新疆和田MS6.4 地震、2020 年7 月23 日西藏那曲MS6.6 地震之前，無明顯異常。

圖5 SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺小波分析第5 階細(xì)節(jié)（a）SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS 分量；（d）VP EW 分量Fig.5 Analysis of wavelet of the 5th order detail of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

3 結(jié)論

通過對(duì)比分析海拉爾地震臺(tái)SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺傾斜量觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)率與完整率、年零漂與年變幅、潮汐因子與潮汐因子中誤差、相對(duì)噪聲水平、映震能力等，得出如下結(jié)論。

（1）水平擺觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，儀器較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率均優(yōu)于垂直擺。

（2）VP 垂直擺年零漂和年變幅遠(yuǎn)大于SSQ 水平擺，但仍有較大改善空間。SSQ-2I水平擺和VP 垂直擺記錄固體潮大潮、小潮時(shí)間較一致，僅固體潮變化幅度不一致。2 套儀器4 個(gè)分量最新1 次標(biāo)定格值為：VP 垂直擺NS 分量格值為0.073 83×10-3″，EW 分量格值為0.067 45×10-3″；SSQ-2I 水平擺NS 分量格值為0.631 29×10-3″，EW 分量格值為0.194 92×10-3″，對(duì)比分析其格值與記錄到的固體潮極值，未發(fā)現(xiàn)存在明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。VP垂直擺記錄到的固體潮極值比SSQ-2I 水平擺固體潮極值大的原因可能是其采樣率高、頻帶范圍較寬、記錄固體潮及非固體潮信息相對(duì)較多等。

（3）SSQ-2I 水平擺的觀測(cè)資料精度優(yōu)于VP 垂直擺，VP 垂直擺觀測(cè)數(shù)據(jù)精度仍有提升的空間。

（4）因采樣率和頻帶范圍不同，秒采樣數(shù)據(jù)較分采樣數(shù)據(jù)更能清晰地記錄到更多地脈動(dòng)信號(hào)，這其中也包含了非固體潮信息，故VP 垂直擺較SSQ-2I 水平擺記錄到的信號(hào)更多、更復(fù)雜?？傮w來說，SSQ-2I 水平擺噪聲小于VP 垂直擺。

（5）相關(guān)性分析結(jié)果顯示，EW 分量?jī)?yōu)于NS 分量。

（6）映震能力方面，NS 分量?jī)?yōu)于EW 分量，VP 垂直擺優(yōu)于SSQ-2I 水平擺。

綜合評(píng)價(jià)2 套儀器認(rèn)為，目前SSQ-2I 水平擺觀測(cè)質(zhì)量?jī)?yōu)于VP 垂直擺。但VP 垂直擺經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，觀測(cè)資料及數(shù)據(jù)質(zhì)量已趨于穩(wěn)定，且觀測(cè)精度仍在上升，因此，利用VP 垂直擺代替SSQ-2I 水平擺進(jìn)行傾斜觀測(cè)是可行的。