林苗祿 薛 飛 林立峰 鄧 聰

（1.福州地震監(jiān)測中心站，福建 福州 350000；2.福建省海洋地震觀測中心，福建 廈門 361021）

0 引言

地傾斜觀測是研究固體潮和地震前兆的一種重要手段［1］。VS型垂直擺傾斜儀是武漢地震科學儀器研究院研制的一種高精度儀器，能測量地面傾斜的細微變化，采樣率為分鐘值，儀器的靈敏度為0.001 ms，日零漂為0.005 ms。福州臺于2010年安裝的垂直擺已連續(xù)觀測十余年，記錄了大量寶貴的地傾斜觀測數(shù)據(jù)。本研究選取2015—2022 年的觀測資料，利用各類數(shù)據(jù)處理分析軟件，計算內在精度，分類識別各類典型干擾，為提高臺站地傾斜觀測資料數(shù)據(jù)質量提供參考［2］。

1 臺站概況

福州地震臺地處福建省東部，位于長樂-詔安斷裂帶北段，臺站基巖為二長花崗巖，北西向閩江斷裂帶的交匯地區(qū)，區(qū)內斷裂構造較發(fā)育，具有多期和不同性質的活動特征。2010 年9 月19 日，根據(jù)福建省防震減災二期工程“十一五”重點項目——GPS 觀測臺網(wǎng)、烈度速報臺網(wǎng)建設要求，福州臺安裝VS 型垂直擺傾斜儀（以下簡稱垂直擺）并進入試運行，于2012 年11 月26 日接入十五管理系統(tǒng)正式運行。觀測山洞就位于臺站地下，重力、垂直擺、測震共用一個面積約5.83 m2的獨立洞室，全室用聚苯乙烯泡沫塑料做內襯，并用同種泡沫做垂直擺儀器做全包式保溫密封罩，電源機箱和IP 數(shù)采機箱安裝在山洞口觀測室機柜上［3］。

垂直擺觀測十余年，運行情況總體上穩(wěn)定，儀器校準正常，觀測曲線日變形態(tài)固體潮清晰，總體變化平穩(wěn)。主要問題是儀器零點漂移，由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)超差、儀器調零及兩分量相互干擾所造成的數(shù)據(jù)缺數(shù)。

2 內在精度

地震前兆儀器的內在質量精度是衡量儀器觀測結果好壞的重要指標，本研究從運行率、相對噪聲水平和潮汐參數(shù)等方面對數(shù)據(jù)內在精度進行分析［4］。

VS 垂直擺傾斜儀數(shù)據(jù)年統(tǒng)計（2015—2022 年）見表1。由表1 可知，2017、2018 和2020 年儀器連續(xù)率達到100%，其余年基本在99.5%以上，保持較高的運行率，其中EW 分量完整率高于NS 分量。2021年儀器完整率降低是因為工作人員進洞安裝洞體伸縮儀產(chǎn)生的干擾，造成觀測曲線多處畸變，在數(shù)據(jù)預處理中采取刪數(shù)處理影響完整率。

表1 VS垂直擺傾斜儀數(shù)據(jù)年統(tǒng)計（2015—2022年）

VS 垂直擺年相對噪聲水平年統(tǒng)計（2015—2022年）見表2。從表2可以看出，EW 向的相對噪聲水平高于NS 向，但都小于0.02 ms，達到《傾斜應變臺網(wǎng)觀測與運行工作細則》規(guī)定的優(yōu)秀水平。2020 年和2021 年數(shù)據(jù)偏高，可能是受山洞照明系統(tǒng)改造和洞體伸縮儀安裝的影響。

表2 VS垂直擺年相對噪聲水平年統(tǒng)計（2015—2022年）

垂直擺潮汐參數(shù)計算結果（2015—2022年）見表3，由表3可知，通過調和分析計算出潮汐因子和潮汐因子均方差，EW分量都優(yōu)于NS分量，其中有4年EW分量潮汐因子均方差小于0.02，達到優(yōu)秀水平。

表3 垂直擺潮汐參數(shù)計算結果（2015—2022年）

綜上可知，福州臺垂直擺整個運行率高，EW 分量觀測數(shù)據(jù)內在精度優(yōu)于NS分量。

3 干擾分析

地震前兆異常識別較為復雜，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)常受到各種因素的干擾，需要進行全面、準確的異常核實，識別各類干擾［5］。對福州地震臺觀測資料整理分析發(fā)現(xiàn)，垂直擺受到的自然環(huán)境干擾主要為降雨和雷電，對洞溫變化不敏感；受到的其他干擾主要為數(shù)據(jù)容易超限，以及調零產(chǎn)生的人為干擾。

3.1 降雨干擾

根據(jù)相關研究，降雨時有一部分雨水滲入山體山石的土層或裂縫中，巖石的不規(guī)則裂縫發(fā)生膨脹，使巖體產(chǎn)生變形，地面發(fā)生傾斜［6］。同時，由于土層與縫隙中雨水的存在，山洞覆蓋層變重，造成觀測數(shù)據(jù)發(fā)生傾斜變化。2015 年8 月8 日18：00 至9 日11：11 臺風“蘇迪羅”引起的降雨，降雨量為168 mm，導致NS 向測值上升，上升幅度為69.31 ms；EW 向測值下降，下降幅度為69.72 ms。2021 年8 月5 日12：32至9日16：10受降雨影響，降雨量為327.4 mm，NS向數(shù)據(jù)曲線向北傾漂移，幅度達到364.22 ms，EW 向數(shù)據(jù)曲線呈西-東轉折漂移，隨著降雨結束，觀測數(shù)據(jù)恢復正常。受強降雨影響，山洞觀測房內積水嚴重，對山洞內儀器進行斷電，線路正常后于7日09：29起開始恢復供電（如圖1所示）。

圖1 垂直擺受降雨干擾曲線

3.2 雷電干擾

目前，地震臺站大多都配備防雷裝置，但雷電對儀器正常觀測的干擾仍不能完全避免［7］。雷電產(chǎn)生的感應磁場會在地面產(chǎn)生高壓電場，從而會對儀器內部的電子元件進行放電，造成儀器性能不穩(wěn)定，觀測曲線出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變。2022年8月2日15：08至15：11 受雷電干擾，觀測曲線突跳，NS 向變化幅值為5.11 ms、EW向變化幅值為8.19 ms（如圖2所示）。

圖2 2022年8月2日垂直擺受雷電干擾曲線

3.3 觀測系統(tǒng)干擾

垂直擺運行多年基本上沒有大故障，觀測系統(tǒng)對其的干擾主要為儀器超量程造成的數(shù)據(jù)超差和固體潮觀測數(shù)據(jù)的缺數(shù)處理，其中NS 向不穩(wěn)定，零漂更頻繁。EP 系列數(shù)據(jù)采集器的量程是0～±2 V，超出了量程的數(shù)據(jù)不能真實反映觀測情況，不能記錄到固體潮，需要人工進行調零［8］。觀測數(shù)據(jù)NS 向2016 年9 月15 日14：12 至19：55、16 日01：18至09：44 儀器超量程故障造成數(shù)據(jù)超差，缺數(shù)處理；EW 向呈正常動態(tài)變化；NS 向儀器超量程故障16 日09：45 至10：13 進洞調零恢復正常，調零造成干擾缺數(shù)、臺階處理，臺階改正量為140 ms；EW向16日09：40至10：12受NS進洞調零造成干擾，缺數(shù)、臺階處理，臺階改正量為3.89 ms。

3.4 人為干擾

人為干擾主要表現(xiàn)為工作人員進洞操作和維修設備，造成干擾，影響正常固體潮記錄。福州臺垂直擺主要受到的人為干擾包括標定、調零、參觀檢查、洞內各類儀器維修和線路升級改造等。2017 年6 月2日16：51至16：59進洞檢查山洞電源系統(tǒng)，導致儀器受到干擾，觀測曲線畸變，缺數(shù)處理。NS向最大幅值為37.79 ms；EW向最大幅值為20.5 ms（如圖3所示）。

圖3 2017年6月2日垂直擺受人為干擾曲線

4 同震響應

多年觀測結果表明，福州臺垂直擺有很好的同震變化和震后效應，與同觀測室內測震儀記錄的地震波形態(tài)一致性好。2021 年7 月29 日14：33 至18：01 垂直擺記錄到美國阿拉斯加州以南海域（北緯55.4°，西經(jīng)158.0°）14：15：46 發(fā)生的8.1 級地震，震源深度10 km，震中距7 373 km 表現(xiàn)形態(tài)為震蕩，北南向最大幅值為48.61 ms、東西向最大幅值為26.00 ms（如圖4所示）。

圖4 2021年7月29日垂直擺同震響應曲線

5 結論

①垂直擺運行十余年，保持較高的運行率，固體潮日變形態(tài)清晰，對遠震反應敏感，EW 分量內在精度優(yōu)于NS分量。

②降雨干擾影響固體潮整體形態(tài)，雷電干擾表現(xiàn)為小突跳并馬上恢復，日常觀測中要做好翔實的日記記錄工作。

③觀測系統(tǒng)基本上沒有大故障，主要受NS分量零漂影響，導致數(shù)據(jù)超差，影響數(shù)據(jù)完整率。

④觀測員每天必須加強原始數(shù)據(jù)監(jiān)視，當收到前兆臺網(wǎng)運維APP 數(shù)據(jù)超限告警時，及時對觀測儀器進行調零操作，避免觀測數(shù)據(jù)因儀器零點漂移而產(chǎn)生數(shù)據(jù)超差，減少數(shù)據(jù)超差所造成的數(shù)據(jù)缺數(shù)時間，提高觀測數(shù)據(jù)的完整率。