申影 王怡 堵偉鵬

（中國呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局）

0 引言

地傾斜觀測的目的是研究地殼形變垂直的相對運動和固體潮汐的動態(tài)變化，傾斜觀測可為地球固體潮汐、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（以下簡稱SSQ-2I 水平擺）是用于測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、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適用于固定臺站長期連續(xù)觀測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，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生傾斜時，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轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。VP 型垂直擺傾斜儀（以下簡稱VP 垂直擺）運用擺的鉛錘原理，其原理比水平擺傾斜儀簡單。擺系在沒有振動的條件下處于相對鉛錘狀態(tài)，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生微量傾斜變化時，平衡位置相對產(chǎn)生變化，通過傳感器將位移信號轉(zhuǎn)換為電信號并加以放大。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地傾斜固體潮的觀測，而且使其也能記錄到緩慢地震和長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2 套擺式傾斜儀儀器效能的對比分析已有相關(guān)研究。高明智等（2016）從干擾因素、連續(xù)性、穩(wěn)定性、觀測精度、映震能力等方面進行了對比分析；曹白倫等（2020）從數(shù)據(jù)形態(tài)特征分析、數(shù)據(jù)可靠性等方面進行對比分析；趙倩等（2016）從頻譜特征等方面進行分析。本文擬對2018—2020 年海拉爾地震臺SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，綜合評價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)測工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺站簡介

海拉爾地震臺位于內(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 國道1.1 km，海拔高度610 m。臺站利用原采石場舊址建臺，地震觀測專用山洞總長85 m。臺址附近斷層較發(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 月份最低氣溫可達零下45℃，夏季8 月份最高氣溫可達零上37℃。每年的5 月底至9 月底為無霜期，當(dāng)?shù)貧夂蚋稍?、多風(fēng)。山洞內(nèi)溫度為4℃，年溫差小于0.1℃，觀測環(huán)境穩(wěn)定。海拉爾地震臺SSQ-2I 水平擺于“十五”期間安裝，自2006 年運行至今，儀器運行穩(wěn)定，記錄固體潮清晰穩(wěn)定。VP 垂直擺自2017 年安裝運行至今，數(shù)據(jù)逐漸趨于穩(wěn)定，觀測精度逐漸提高。2 套儀器架設(shè)在同一洞室內(nèi)，相距不足5 m。

2 觀測資料對比分析

2.1 觀測資料的連續(xù)性

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

海拉爾地震臺觀測山洞內(nèi)安裝有UPS 及二級防雷器，遇市電斷電及雷電時，可保證洞室內(nèi)儀器連續(xù)供電30 min 以上，為值班人員啟動發(fā)電機提供充足時間。表2 為SSQ-2I水平擺、VP 垂直擺觀測數(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儀器及其墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運動，其計算方法為：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 分量優(yōu)于NS 分量，VP垂直擺NS 分量優(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）的對應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，記錄到最大固體潮時刻在陰歷臘月十七、十八（即為望日前后），記錄到最小固體潮時刻在臘月初八、九（即為上弦日），這與大潮、小潮時間較一致。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刻對應(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大于SSQ-2I 水平擺，可能是因為儀器安裝時間較短、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

固體潮觀測值相對于其理論值的偏離通?？梢杂米钚《朔ǖ腣enedikov 調(diào)和分析方法進行分析，利用該方法可以求解各個波群的觀測振幅與理論振幅之比和觀測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)是用來評定固體潮觀測資料內(nèi)在質(zhì)量精度的一項重要定量指標(biāo)。選取2018—2020 年2 套傾斜儀觀測資料中預(yù)處理整點數(shù)據(jù)，進行逐月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，其余時間段內(nèi)較穩(wěn)定；EW 分量的均小于0.12，相對較穩(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 分量優(yōu)于EW 分量，VP 垂直擺EW 分量優(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，達到中國地震局Ⅰ類臺站的精度標(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較穩(wěn)定，EW 分量相位滯后誤差逐年遞減，說明觀測數(shù)據(jù)精度還有上升空間?？傮w來看，SSQ-2I 水平擺的觀測資料精度優(yōu)于VP 垂直擺，垂直擺觀測數(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Table 5 Statistical table of M2 wave annual harmonic analysis of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.4 觀測資料相對噪聲水平對比

采用均方差擬合精度評價地傾斜觀測資料1 年穩(wěn)定性精度，將其作為評定地傾斜潮汐觀測資料質(zhì)量的另一項重要指標(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，其余時間段內(nèi)兩分量噪聲均相對穩(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小于0.02，達到中國地震局Ⅰ類臺站的精度標(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)，再進行相關(guān)性分析（圖3）。從圖3 可見，SSQ-2I 水平擺NS 分量測值與VP 垂直擺NS 分量測值相關(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SSQ-2I水平擺和VP 垂直擺進行比較可知（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 分量傾斜量振幅明顯大于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2 套儀器4 個分量進行小波分析后的第5 階細節(jié)圖（圖5）顯示，2018 年5—6 月積雪消融對SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺影響很大，在2019 年4 月18 日臺灣花蓮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

通過對比分析海拉爾地震臺SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺傾斜量觀測數(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、相對噪聲水平、映震能力等，得出如下結(jié)論。

（1）水平擺觀測時間長，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、小潮時間較一致，僅固體潮變化幅度不一致。2 套儀器4 個分量最新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較多等。

（3）SSQ-2I 水平擺的觀測資料精度優(yōu)于VP 垂直擺，VP 垂直擺觀測數(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信號，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 分量優(yōu)于NS 分量。

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

綜合評價2 套儀器認(rèn)為，目前SSQ-2I 水平擺觀測質(zhì)量優(yōu)于VP 垂直擺。但VP 垂直擺經(jīng)過長時間觀測，觀測資料及數(shù)據(jù)質(zhì)量已趨于穩(wěn)定，且觀測精度仍在上升，因此，利用VP 垂直擺代替SSQ-2I 水平擺進行傾斜觀測是可行的。