王曉霞，高翠珍，安凱杰，薛錦明，薛生瑞

(1.山西省地震局離石中心地震臺，山西 離石 033000；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

定點地傾斜觀測是測定地殼(地面)傾斜變化的一種觀測方法，我國主要采用石英水平擺傾斜儀(SSQ-2I型)、水管傾斜儀(DSQ型)、垂直擺傾斜儀和鉆孔傾斜儀器等進行地傾斜觀測，這些儀器測量靈敏度可達10-3角秒，其產(chǎn)出的地傾斜連續(xù)觀測資料可用于地震預(yù)測研究、地球動力學和地震工程等研究中[1]。研究采用北武當觀測站水平擺和水管儀2012-2017年觀測資料，通過對儀器穩(wěn)定性、觀測資料同震響應(yīng)、地震趨勢、觀測資料潮汐因子等方面進行對比分析，為做好地震監(jiān)測預(yù)報提供更好的參考資料[2]。

1 北武當觀測站環(huán)境及山洞基本情況

北武當觀測站位于呂梁市方山縣北武當山山腳下，觀測站2011年正式投入使用，海拔高程1 475 m。儀器洞室位于呂梁山花崗巖體中，該花崗巖巖性為淺紅色細粒-中粗粒黑云二長花崗巖，巖石有輕微的混合巖化，屬極硬巖石，微風化，巖體屬堅硬巖。山洞洞深31 m，洞體覆蓋厚度43 m，山洞溫度年變化為0.5 ℃，日變化<0.03 ℃，洞前有引洞，門上加塑料泡沫密封，可防止空氣對流影響儀器室溫的變化，基本達到恒溫條件。測項空間分布如圖1所示。

2 觀測資料對比分析

北武當觀測站水平擺和水管儀自2012年安裝運行以來，取得了較為準確可靠的觀測數(shù)據(jù)。目前，對形變觀測資料攜帶的各類微動態(tài)信息以及響應(yīng)能力大小的研究工作尚未開展，制約了觀測資料在震情工作中發(fā)揮預(yù)報指標體系的作用，影響了離石臺日常分析預(yù)報和年度會商工作更深入地開展。

2.1 水平擺和水管儀觀測數(shù)據(jù)日變動態(tài)對比

在正常情況下，兩儀器日變固體潮清晰，曲線比較光滑，波動小，觀測曲線一般每天有2個波峰和2個波谷，因儀器不同其峰谷出現(xiàn)的時間略有偏差[3]。如，2014年9月8日至10日大潮期(農(nóng)歷八月十五至十七)三天的分鐘值觀測數(shù)據(jù)曲線顯示(見第19頁圖2)，水平擺和水管儀記錄到的固體潮基本形態(tài)與理論固體潮基本相符。從日變形態(tài)上看，兩套儀器具有較好的同步性；從時間上看，NS向和EW向波峰、波谷都基本吻合，波峰出現(xiàn)在9點、15點，波谷出現(xiàn)在0點、12點。

2.2 年變形態(tài)對比

選取北武當觀測站2012年1月1日—2017年12月31日SSQ-2I型石英水平擺和DSQ水管傾斜儀觀測數(shù)據(jù)進行長趨勢分析，分別繪制水平擺和水管儀NS向和EW向同軸日均值曲線(見圖3)。兩套儀器同一分量記錄的年變形態(tài)清晰，一致性較好，年動態(tài)表現(xiàn)為正弦波曲線，兩套儀器均具有較穩(wěn)定的年變動態(tài)。

圖3 水平擺和水管傾斜儀NS、EW分量同軸日值曲線Fig.3 Coaxial daily value curve of NS and EW components of horizontal pendulum and water pipe tiltmeter

2.3 干擾形態(tài)對比

(1) 雷雨干擾。

小的雷電對固體潮的影響主要表現(xiàn)為曲線畸變，但不會影響日變形態(tài)；大的雷電可能導致數(shù)采不能正常工作，造成數(shù)據(jù)缺測，甚至損壞主機[4]。從圖4看出，受雷雨干擾，水平擺NS向造成數(shù)據(jù)階變、EW向數(shù)據(jù)大幅突跳，而水管儀直接損壞儀器，可見水管儀較水平擺抗雷雨干擾能力弱。

圖4 受雷雨干擾的原始分鐘值曲線Fig.4 Original minute value curve disturbed by thunderstorm

(2) 大風干擾。

從圖5看出，水平擺比水管儀受刮風干擾影響明顯，具體形態(tài)為數(shù)據(jù)加粗擾動，不影響曲線整體形態(tài)。

圖5 受大風干擾的分鐘值曲線Fig.5 Minute value curve disturbed by strong wind

(3) 標定干擾。

水平擺標定采用遠程自動標定，如圖6所示，2016年2月1日水平擺標定僅對15:35-15:43數(shù)據(jù)干擾9 min；水管儀標定需要先進行調(diào)零且每次標定需要20 min?？梢?，水平擺儀器穩(wěn)定性優(yōu)于水管儀。

圖6 受調(diào)零標定干擾的原始分鐘值曲線Fig.6 Original minute value curve disturbed by zero adjustment calibration

雷電、刮風、標定都會影響北武當觀測站水平擺和水管儀器的固體潮觀測，綜合對比，水平擺的抗干擾能力優(yōu)于水管儀。

2.4 潮汐因子對比

通過EIS2000軟件，使用Venedicov調(diào)和分析方法對2012年1月-2017年12月的年傾斜觀測資料整時值進行調(diào)和分析，得出潮汐因子和中誤差如表1所示。

表1 2012-2017年潮汐因子及其相對誤差Table 1 Tidal factors and their relative errors in 2012-2017

在同一地震臺站，同一傾斜儀反映當?shù)亟橘|(zhì)狀況的潮汐因子應(yīng)在同一基值上下波動。固體潮的潮汐因子為實測固體潮與理論固體潮之比[5]。潮汐因子過大，儀器格值穩(wěn)定性及重復(fù)性不佳，潮汐因子相對誤差可以反映儀器觀測精度及穩(wěn)定性。從表1計算結(jié)果看出，水平擺比水管儀運行質(zhì)量好。

2.5 同震響應(yīng)對比分析

實際觀測表明，水平擺和水管儀對5級以下的地方震同震響應(yīng)弱，能清晰地記錄到較大地震的波動響應(yīng)。基于此，對大陸5級以上和國外7級以上地震的兩套儀器同震響應(yīng)進行對比(見表2、第21頁表3)。

表2 2012-2017年大陸5級以上典型地震事件統(tǒng)計表Table 2 Statistics of typical earthquake events with M≥ 5 in the mainland from 2012 to 2017

表3 2012-2017年國外7級以上典型地震事件統(tǒng)計表Table 3 Statistics of typical earthquake events with M ≥ 7 in foreign countries from 2012 to 2017

從表中可以看出，在初動到時上，水平擺略早于水管儀；在最大雙振幅上，水平擺明顯大于水管儀；從持續(xù)時間上看，水平擺兩分量均長于水管儀。在同震級情況下，震中距越遠同震響應(yīng)越弱；在相同震中距時，震級越大同震響應(yīng)越明顯。綜合表明，水平擺對強遠震的同震響應(yīng)在初動時刻、持續(xù)時間、最大雙振幅上響應(yīng)均優(yōu)于水管儀。

3 結(jié)論與討論

通過對山西離石臺北武當水平擺傾斜儀和水管傾斜儀觀測資料對比分析，可得出如下認識。

(1) 水平擺的抗干擾能力優(yōu)于水管儀。

(2) 年變趨勢動態(tài)、日變形態(tài)方面，兩套儀器觀測數(shù)據(jù)日變和年變形態(tài)較清晰、一致性較好。

(3) 從潮汐因子計算結(jié)果看，兩種儀器比較接近，相同臺站的同等條件下，水平擺儀觀測精度略高于水管儀。

(4) 從同震響應(yīng)看，二者形態(tài)與幅度基本相同。在時間上，水管儀滯后于水平擺。