佛子嶺地震臺VP型與SSQ型傾斜儀觀測資料對比分析

周 志翟義勇鄭海剛劉 浩朱厚林張啟祥

1）中國安徽237272佛子嶺地震臺

2）中國合肥230031安徽省地震局

佛子嶺地震臺VP型與SSQ型傾斜儀觀測資料對比分析

周 志1）翟義勇1）鄭海剛2）劉 浩1）朱厚林1）張啟祥1）

1）中國安徽237272佛子嶺地震臺

2）中國合肥230031安徽省地震局

利用佛子嶺地震臺VP型傾斜儀和SSQ-2I型傾斜儀2014年至2015年10月的觀測資料，從儀器運行、觀測資料質(zhì)量、儀器穩(wěn)定性、資料相關(guān)性及干擾等方面進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)VP型傾斜儀觀測資料質(zhì)量稍好，可為地震臺站日常觀測工作和儀器維護(hù)提供參考。

VP型傾斜儀；SSQ-2I型傾斜儀；相關(guān)系數(shù)；對比分析

0 引言

地殼形變是重要的可測物理場之一，具有明確的幾何和物理意義。地傾斜觀測是地殼形變觀測的重要內(nèi)容，利用高靈敏度傾斜儀，測量由地球外部場源和地下場源產(chǎn)生的地面傾斜變化，在地震孕育、發(fā)生過程中，地殼介質(zhì)的變化可能引起一定范圍內(nèi)地面傾斜量發(fā)生改變，對于地震預(yù)測研究具有重要意義。相對于單臺單套地傾斜儀器觀測資料的研究，對于同一臺站、不同型號儀器（楊又陵等，2003；鮑從民等，2006；趙愛平等，2012）和不同臺站、相同型號儀器記錄的觀測資料（馮英等，2014）對比研更有意義。

目前，武漢地震儀器研究所研制的VP型寬頻帶傾斜儀和北京地震預(yù)測研究所研制的SSQ型傾斜儀均為常用定點地傾斜觀測儀器，“十二五”期間，佛子嶺地震臺在同一形變山洞同時安裝兩套觀測儀器觀測地傾斜變化。理論上，二者觀測結(jié)果應(yīng)一致，但實際觀測發(fā)現(xiàn)，二者存在一些差別。本文從儀器運行和穩(wěn)定性、觀測資料質(zhì)量和相關(guān)性、干擾等方面，對兩種儀器的觀測資料進(jìn)行對比分析，得到初步認(rèn)識，為更好地使用地傾斜資料提供參考。

1 觀測環(huán)境

佛子嶺地震臺（以下簡稱佛子嶺臺）位于安徽省霍山縣西南方向，距“新中國第一壩”——佛子嶺水庫約300 m，靠近青山—曉天斷裂、梅山—龍河口斷裂及落兒嶺—土地嶺斷裂交匯部位，具有發(fā)生中等地震的構(gòu)造條件，歷史上臺站周邊100 km范圍內(nèi)發(fā)生9次5級以上地震，2 次6級以上地震，最大地震為1917年1月24日霍山6?級地震。受華北陸塊、秦嶺—大別山造山帶和揚子陸塊綜合影響，臺站所處的鄂豫皖交界地區(qū)是

華東地區(qū)中小地震活躍地區(qū)之一，稱為“霍山震情窗口”。

佛子嶺臺海拔90 m，背山面河，山體植被茂盛。觀測山洞洞壁巖性為變質(zhì)巖，洞深37 m，覆蓋層平均厚約20 m，常年溫度約16.8℃，年溫差小于1℃，日溫差小于0.05℃，濕度90%以上，由外至內(nèi)有7道密封保溫門（圖1）。觀測墩為1.2 m×1.2 m×0.8 m變質(zhì)巖原巖墩，已按規(guī)范要求做隔震措施和泡沫保溫層。

圖1 佛子嶺臺觀測山洞示意Fig.1 The schematic diagram of observation cave at Foziling Seismic station

2 儀器參數(shù)對比

VP型寬頻帶傾斜儀（以下簡稱VP儀）工作原理是，垂直擺無振動條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)發(fā)生傾斜變化時，擺和支架之間的相對位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動片和定片間距相應(yīng)發(fā)生變化，通過傳感器轉(zhuǎn)換成信號并放大，將擺的微小位移轉(zhuǎn)換成電信號。基本技術(shù)參數(shù)為：擺長120 mm，擺重280 g，儀器分辨力優(yōu)于10-3″（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003）。

SSQ-2I型水平擺傾斜儀（以下簡稱SSQ儀）工作原理是，采用石英水平擺接收地面傾斜信號，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生傾斜時，擺桿繞旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)，通過電渦流傳感器把擺端的位移變成電信號輸出。主要技術(shù)參數(shù)為： NS向、EW向周期設(shè)置為15.8 s，儀器分辨力優(yōu)于0.5×10-3″（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2003）。從儀器分辨力的技術(shù)指標(biāo)看，SSQ儀分辨力較高。

VP儀與SSQ儀具有以下相同點：①設(shè)計思路相同，通過擺系加換能裝置，將地面傾斜量轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)放大濾波，通過數(shù)采進(jìn)行數(shù)字化記錄；②安裝條件要求較高，需遠(yuǎn)離工廠、學(xué)校、車站、公路等人群、車輛集散地，避開江河、湖泊、水庫等水位變化地區(qū)，洞溫日變化在0.05℃以內(nèi)，年變化應(yīng)小于0.5℃，濕度不大于90%等。二者同時存在較多不同點：①擺系不同，分別采用柔絲（雙絲）懸掛和zqllner雙吊絲懸掛；②換能器不同，分別采用電容式換能器和電渦流式換能器；③標(biāo)定裝置不同，分別采用電流標(biāo)定和水銀脹盒標(biāo)定；④調(diào)零裝置不同，分別采用伺服電機調(diào)零和手動調(diào)零；⑤靈敏度可調(diào)性不同，VP儀周期、靈敏度不能調(diào)節(jié)，而SSQ儀可調(diào)；⑥其他如前置放大器、濾波器、擺罩等存在不同。

兩套儀器均于2013年試運行，2014年正式運行，配置氣溫、氣壓、降雨量等輔助觀測，在此選取2014年1月至2015年10月的觀測資料，分別采用整點值、分鐘值、秒值，進(jìn)行對比分析。

3 儀器運行

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量一般評定對比

選取完整率、年變幅和年零漂對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行一般評定（中國地震局，2001），統(tǒng)計

結(jié)果見表1，其中完整率以預(yù)處理數(shù)據(jù)（原始資料剔除干擾或嚴(yán)重影響曲線形態(tài)的數(shù)據(jù)）為統(tǒng)計對象；年零漂采用日均值法計算，將該年度12月31日的日均值減去當(dāng)年1月1日數(shù)值，差值作為該年零漂值（有正負(fù)之分）；年變幅為全年整時值最大值與最小值的差值。VP儀除2014年因儀器故障導(dǎo)致完整率較低外，其余時段完整率均達(dá)94%以上，整體較好；SSQ儀年變幅、年零漂量總體大于VP儀，二者變化方向基本一致；VP儀NS分量年變幅、年零漂量2014年、2015年均小于EW 分量，SSQ-2I儀NS分量年變幅、年零漂量2014年均大于EW 分量。且SSQ-2I儀EW分量2015年漂移量達(dá)30 000多毫秒，可能與儀器該分量發(fā)生故障有關(guān)系。

表1 VP儀與SSQ儀觀測資料一般評定Table 1 The general evaluation of observation data between VP type and SSQ type tiltmeters

3.2 儀器標(biāo)定

為保證測量精度，檢驗儀器的穩(wěn)定性和精度，按照觀測規(guī)范及形變學(xué)科組要求，儀器每年需在小潮時段至少標(biāo)定2次，精度要求1%以內(nèi)。VP儀按觀測規(guī)范進(jìn)行2次標(biāo)定，SSQ儀每月自動標(biāo)定，從標(biāo)定結(jié)果看，二者僅部分標(biāo)定精度達(dá)到規(guī)范要求，說明安裝條件嚴(yán)重影響儀器觀測精度，但整體上，SSQ儀標(biāo)定精度變化較VP儀平穩(wěn)。

3.3 儀器故障

2014—1015年，VP儀與SSQ儀故障統(tǒng)計見表2。兩套儀器均為數(shù)字化儀器，采用大量電子元器件組成，在濕度較大的封閉環(huán)境長時間工作，均出現(xiàn)過1次儀器電路板受潮腐蝕漏電，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)；VP儀采用自動調(diào)零，當(dāng)調(diào)零齒輪卡死或調(diào)零電機發(fā)生故障時，儀器不能調(diào)零，影響觀測數(shù)據(jù)精度，而SSQ儀采用手動調(diào)零，尚未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象；SSQ儀的擺體會出現(xiàn)吸擺現(xiàn)象（可能是靜電干擾），造成擺錘不居中，使觀測數(shù)據(jù)朝一個方向快速漂移或影響固體潮記錄（如潮汐幅度變小或無規(guī)律掉格固體潮形態(tài)畸變現(xiàn)象）；兩套儀器結(jié)構(gòu)較精密復(fù)雜，如出現(xiàn)故障，維修比較困難且費時，對臺站儀器運維管理提出較高要求。

表2 2014—2015年VP儀與SSQ儀故障統(tǒng)計Table 2 The fault statistics of VP type and SSQ type tiltmeters from 2014 to 2015

3.4 資料可用性

為了檢測觀測資料的可用性，對EIS2000計算的理論固體潮汐數(shù)據(jù)和VP儀、SSQ儀實際觀測數(shù)據(jù)（逐月計算）進(jìn)行頻譜對比，見圖2。由圖2可見，理論固體潮與實際觀測數(shù)據(jù)頻譜一致性較好，符合兩種波的振幅緯度分布特征，說明儀器工作正常，檢測結(jié)果可信，觀測資料可用性較好。在低頻部分，實際觀測較理論數(shù)據(jù)頻率成分更豐富。

若能從當(dāng)月觀測資料中清晰檢測到日波和半日波，則判該月資料可用，反之不可用。檢測結(jié)果列于表3，可見：2014年SSQ儀的觀測資料可用率達(dá)100%，VP儀受儀器故障

影響，可用率不到60%；2015年，兩套儀器資料可用率相差不大，其中SSQ儀EW分量資料可用率僅為50%，可能與該方向儀器快速漂移有關(guān)。

圖2 理論固體潮與實際觀測資料頻譜分析對比(a)理論固體潮； (b) VP儀數(shù)據(jù)；(c) SSQ儀數(shù)據(jù)Fig.2 Comparison of spectral analysis between theoretical earth tide and the observation data

表3 VP儀與SSQ儀觀測資料可用率Table 3 The available ratio of observation data both VP type and SSQ type tiltmeters

4 觀測資料質(zhì)量

4.1 觀測精度

使用2014—2015年觀測資料，計算兩套儀器4個分量日均值、五日均值標(biāo)準(zhǔn)差及平均值，計算結(jié)果列于表4。由表4可見：用日均值與五日均值計算的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果基本相同，2015年SSQ儀EW分量相差最大，平均達(dá)5.171；相同儀器兩分量比較，VP儀、SSQ儀NS分量精度均較高；不同儀器相同分量對比，VP儀精度較高，特別是NS分量。

表4 VP儀、SSQ儀日均值、五日均值標(biāo)準(zhǔn)差對比Table 4 The available ratio of observation data both VP type and SSQ type tiltmeters

4.2 M2波潮汐因子

固體潮是由日、月和近地行星對地球的引力變化導(dǎo)致的地球內(nèi)部和表面的周期性形變。潮汐因子是同一時刻固體潮觀測值與理論值之比，無震情況下反映觀測數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。采用整點值數(shù)據(jù)，使用中國地震局預(yù)測研究所劉琦編制的Matlab程序，計算M2波潮汐因子和相位滯后，結(jié)果見圖3。對于M2波潮汐因子，VP儀、SSQ儀NS分量明顯較小，且變化比EW分量??；2015年3—5月，VP儀M2波潮汐因子波動比較大，可能與儀器維修有關(guān)系；VP儀均明顯較SSQ儀潮汐因子大，但SSQ儀變化平穩(wěn)（圖3）。對于M2波相位滯后，VP儀NS分量較EW分量大，且呈增大態(tài)勢，不太穩(wěn)定； SSQ儀NS分量均明顯較EW分量小，也無EW分量變化大；VP儀比SSQ儀NS分量相位滯后大，且變化不夠平穩(wěn)，二者EW分量相差不大（圖3）。

圖3 M2波潮汐因子、相位滯后變化Fig.3 Diagram of M2wave tidal factor and phase lag variation

4.3 資料相關(guān)性

兩套儀器安裝位置相近，同一方向不同儀器的觀測數(shù)據(jù)變化規(guī)律應(yīng)該相同(或相似)，因此可以采用相關(guān)系數(shù)來檢驗觀測結(jié)果的質(zhì)量，驗證觀測數(shù)據(jù)的可靠性。如果同一測向不同測道的觀測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，相關(guān)系數(shù)越接近1；反之，若變化趨勢不一致，相關(guān)系數(shù)越偏離1。需考慮測區(qū)環(huán)境是否存在干擾，觀測系統(tǒng)是否運轉(zhuǎn)正常，計算方法是：利用日均值數(shù)據(jù)，對每月數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計算，結(jié)果見表5。從表5可看出，VP儀與SSQ儀兩分向資料月相關(guān)系數(shù)既有正相關(guān)，亦有負(fù)相關(guān)，變化較大，不穩(wěn)定；2014年NS分量相關(guān)性較好，2015年EW分量較好。

表5 VP儀與SSQ儀兩分向資料相關(guān)系數(shù)Table 5 The available ratio of observation data between VP type and SSQ type tiltmeters

5 干擾分析

VP儀與SSQ儀具有高精度測微系統(tǒng)，觀測信息量大，易受周圍因素干擾，有時甚至嚴(yán)重扭曲固體潮記錄日變形態(tài)。在地傾斜觀測中，常見干擾因素有儀器、人為、環(huán)境變化等（張紅秀等，2012）。

5.1 儀器、人為因素

VP儀與SSQ儀自身或人為干擾引起的異常變化形態(tài)見圖4，主要影響因素有：①儀器標(biāo)定。VP儀標(biāo)定使記錄曲線形成“鋸齒狀”干擾，而SSQ儀標(biāo)定后形成臺階；②超量程、調(diào)零。當(dāng)擺式傾斜儀配套的數(shù)采電壓值接近或超出預(yù)設(shè)工作電壓范圍（VP儀為±1.9 V）時應(yīng)及時調(diào)零，否則出現(xiàn)缺數(shù)或產(chǎn)生無效數(shù)據(jù)，圖像表現(xiàn)為直線，不能記錄到固體潮；③儀器比較靈敏，在臺站周圍發(fā)生較強雷電現(xiàn)象時，VP儀數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)小幅臺階和較多突跳點，在記錄強遠(yuǎn)震同震響應(yīng)時，SSQ儀數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)小幅臺階，VP儀則不會；④日常工作中，因調(diào)試儀器、排除故障或其他原因，工作人員進(jìn)入觀測山洞，使儀器附近溫度發(fā)生變化或引起氣流擾動，從而對記錄曲線造成脈沖狀干擾。

5.2 環(huán)境因素

除儀器和人為因素外，對兩套儀器影響較大的環(huán)境因素有大風(fēng)和降雨，且降雨使得附近佛子嶺水庫的水位發(fā)生快速變化，對儀器觀測記錄產(chǎn)生復(fù)合影響。刮風(fēng)、降雨時觀測記錄曲線形態(tài)相似，表現(xiàn)為曲線毛刺、變粗現(xiàn)象，但不會改變固體潮總體變化形態(tài)，風(fēng)雨交加的天氣還會形成風(fēng)擾和雨擾的疊加圖像。2015年8月5日至15日兩儀器觀測數(shù)據(jù)曲線

見圖5，其中8月9日至10日“蘇迪羅”臺風(fēng)經(jīng)霍山地區(qū)，降雨量達(dá)325 mm。從數(shù)據(jù)形態(tài)來看，二者變化基本一致，NS分量改變原有變化趨勢，迅速向南傾斜，EW分量未改變趨勢性變化，可能與佛子嶺水庫有關(guān)，密集降雨使水庫水位迅速上升，造成負(fù)荷增大。

圖4 各種干擾引起的異常變化形態(tài)(a)VP儀所受干擾； (b)SSQ儀所受干擾； (c)人為干擾Fig.4 The abnormal changes in morphology caused by various interferences

圖5 蘇迪羅臺風(fēng)期間數(shù)據(jù)變化（2015年8月5日至15日）(a)VP儀； (b)SSQ儀Fig.5 Data changes during the period of typhoon Soudelor

6 結(jié)論

對2014年1月至2015年10月佛子嶺臺VP型和SSQ-2I型傾斜儀觀測資料，從儀器運行、觀測資料質(zhì)量、儀器穩(wěn)定性、資料相關(guān)性及干擾等方面進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）僅對佛子嶺臺而言，VP儀觀測質(zhì)量較好，SSQ儀相對穩(wěn)定，完整率較高。兩套儀器在標(biāo)定精度和資料可用率方面，結(jié)果不太理想，但均能記錄到各種干擾，其中降雨造成的復(fù)合干擾，因佛子嶺水庫的存在，對NS分量影響更大。

（2）VP儀的優(yōu)勢在于靈敏度較高，可遠(yuǎn)程遙控調(diào)試，但對觀測環(huán)境要求較高。SSQ儀的優(yōu)勢在于周期可調(diào)，靈敏度可變，可根據(jù)洞室觀測條件調(diào)整靈敏度，但需要手動調(diào)試儀器，容易產(chǎn)生干擾。

（3）地傾斜儀器記錄到的觀測資料，信息豐富，既包含對地震預(yù)報有用的前兆信息又包含各種環(huán)境干擾信息，所以儀器與環(huán)境的關(guān)系是靈敏度與穩(wěn)定性的關(guān)系，只有達(dá)到一個平衡點，兼顧儀器靈敏度和資料穩(wěn)定性，觀測資料才能取得較好的使用效能。

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A comparative analysis of the observation data between VP type and SSQ-2I type tiltmeters at Foziling Seismic Station

Zhou Zhi1)，Zhai Yiyong1)，Zheng Haigang2)，Liu Hao1)，Zhu Houlin1)and Zhang Qixiang1)
1) Foziling Seismic Station,Anhui Province 237272,China
2) Earthquake Administration of Anhui Province,Hefei 230031,China

A comparative analysis was made on the aspects of the working situation of the instrument,the quality of the observation data,the stability of the instrument,the correlation of the data and the interference,based on the observation data of VP type and SSQ type tiltmeters which were installed in the cave of Foziling Seismic Station from January 2014 to December 2015.The similarities and differences between the two are compared.Overall,the data quality of the VP was slightly better than that of the SSQ.

VP type tiltmeter，SSQ-2I type tiltmeter，correlation coeffi cient，comparative analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.05.016

周志(1986—)，男，安徽樅陽人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測、預(yù)報工作

中國地震局2015年度三結(jié)合課題（151206）

本文收到日期：2015-12-08