石英水平摆高采样率实验

方燕勋，刘 超，卞根发，惠若愚

（1.浙江省地震局湖州地震台，浙江 湖州 313000；2.中国地震局地震预测研究所，北京 100036；3.浙江省地震局，杭州 310013）

石英水平摆高采样率实验

方燕勋1，刘 超2，卞根发1，惠若愚3

（1.浙江省地震局湖州地震台，浙江 湖州 313000；2.中国地震局地震预测研究所，北京 100036；3.浙江省地震局，杭州 310013）

采用测震仪数据采集器记录石英水平摆的高采样输出实验。结果表明：实验数据与同一台站分采样石英水平摆观测的潮汐波一致，表明本文的实验是成功的。秒采样观测能记录到完整的地震波和台风引起的震颤过程，且对应不同秒采样，形变观测仪器对台风引起的震颤过程的记录具有一致性。

湖州地震台；石英水平摆；高采样率

0 引言

目前，大多数的形变观测仪器以采样率为1次/分钟采集，信号中包含了潮汐变化、月变化、年变化或更长周期的信息。可以满足日常分析预测人员对震情的跟踪监视。但1次/min的采样率只能记录一些低频信号，当有特殊事件发生时，细节部分信息就难以被完整地记录下来。为了可靠地记录地震监测中的形变观测仪器对高频事件的响应信息，解决采集形变仪器输出高频信息方法，2011年湖州地震台（简称湖州台）和中国地震局地震预测研究所刘超合作，在湖州台开展使用测震仪器数据采集器记录数字石英水平摆倾斜仪的输出实验。

近年来，随着数字化技术的提高，一些前兆观测台站开展了利用高频数采记录前兆信息的实验，如福建省地震局开展了对水位观测的高频采集工作[1]，记录到了完整的水震波形。舒优良等在陕西周至井开展的用EDAS-3S数采记录水震波实验也获得了非常有益的结果[2]。

SSQ-2型石英水平摆是中国地震局地震预测研究所冯海英研制的一种高精度倾斜观测仪，仪器有两个摆，分别观测东西、南北向地倾斜变化，它采用Zouner双吊丝悬挂的石英水平摆体接收地倾斜信号，当地面发生倾斜时，摆杆绕旋转轴偏转，偏转量被电涡流传感器转变成电压信号输出，再经放大、滤波以后，由数字采集器实时采集存储。 数据采样率为1个/min，频响范围0～8.333× 10-3Hz[3]，实验中又增加一套观测仪器。我们把该数据与台站现有的分钟采样的石英水平摆观测资料进行对比分析。测震仪器数据采集器是港震公司研制的EDAS-24IP型24位带IP功能的高性能数据采集器。

1 观测台站及仪器概括

湖州台位于浙江北部、太湖南岸的湖州市南郊。该区域属道场山脉，为燕山期花岗岩体。有苏州-湖州的北东向断裂、长兴（湖州）-屯溪北东向断裂、及湖州-嘉善东西向断裂三条断裂交汇。湖州台有水管倾斜仪、伸缩仪、钻孔应变仪、垂直摆倾斜仪、石英水平摆倾斜仪、重力等多种定点形变仪器安装在完整性极好的花岗岩上[4]。 “十二五”期间被浙江省地震局确定为浙北地震前兆观测实验场。石英水平摆2010年安装在人防11号山洞内。洞室进深60 m，洞顶覆盖层厚度约28 m，年平均温度为17.7℃，日变＜0.05℃。

2 实验数据分析

测震仪器数据采集器采集的原始数据D是以count为单位的采集量，要得到地倾斜量Q，需要通过公式（1）计算：

计算得到的地倾斜量Q的单位为：ms，公式（1）其中K为转换系数，1 count=1.192 uv(10 v档)，S为仪器标定格值，东西向格值为：S=0.646 ms/mv，南北向格值为：S=0.6211 ms/mv。

2.1 连续记录

选取2011年8月1日至10日十天的秒采样石英水平摆东西向记录的秒采样原始数据，采用降采样的方法，把秒数据转换成分钟值。通过公式（1）计算倾斜量与另一套分钟值采样石英水平摆记录数据进行比较（见图1），其中图1（a）为秒采样石英水平摆原始数据，记录到的多组高频震荡衰减信号，为同震响应。方燕勋等[5]通过地震响应能力研究发现，秒采样的石英水平摆地震响应的能力远远大于分钟采样的石英水平摆。秒采样数据降采样得到的分钟值记录到得潮汐波形没有出现失真或畸变。石英水平摆采取秒采样输出同样可以记录到潮汐波。同一观测分量的不同采样频率的两种仪器记录的潮汐波形形态完全相似。由于秒采样数字石英水平摆安装较晚，观测仪器的零点漂移比分钟采样的石英水平摆大。尤其东西向的观测数据往东加速倾斜。

2.2 调和结果分析

固体潮的潮汐因子为相应潮汐波群的实测振幅与其理论振幅之比。潮汐因子是反应岩石弹性力学性质的物理量，通过该因子的变化可表征观测点处介质弹性模量的改变，从而推断介质状态的变化。相位滞后是实测相位与其相应的理论相位之差。潮汐观测的相位滞后主要是由地壳的非完全弹性产生的，它反映的是地壳介质的弹性状态变化情况。

对湖州台2011年8月份分采样石英水平摆记录的南北向数据做潮汐调和分析和同月份的秒采样石英水平摆倾斜仪记录的数据，降采样成分钟值后，根据公式（1）计算石英水平摆倾斜量后潮汐调和分析对比。图2为秒采样水平摆NS向的原始秒数据、通过计算得到的分钟数据和整点值，表1为NS向调和分析结果。采用同样方法得到东西向调和分析结果（表2）。

根据M2解算参数可知两种观测数据的潮汐波幅度较一致，东西向秒采样潮汐因子为1.171 8，分采样潮汐因子为 1.100 7，两者相对偏差为0.064%。南北向秒采样潮汐因子为0.426 9，分采样潮汐因子为0.481 6，两者相对偏差为0.113%。东西向秒采样相位滞后为-16.105 7，分采样相位滞后为-17.688 2，两者相对偏差为0.089%。南北向秒采样相位滞后为55.816 2，分采样相位滞后为60.628 7，两者相对偏差为0.079%。从不同采样率的两套石英水平摆观测资料的调和分析结果看，两者的潮汐因子一致，相位滞后一致。

图1 不同采样率石英水平摆EW向对比（8月1日至10日）Fig.1 Comparison of the recorded data in EW direction of the quartz horizontal pendulum with different sampling rate（from 1st to 10d，August）

图2 秒采样率水平摆NS向 （8月1日至31日）Fig.2 The second sampling observation in NS direction of the quartz horizontal pendulum (from 1st to 31st，August)

2.3 同震响应特征分析

2011年7月25日03∶05∶26新疆维吾尔自治区阿勒泰地区清河县（北纬46.0°，东经90.4°）发生5.2级地震，震源深度10.0 km。图3a、b两幅曲线图分别是秒采样石英水平摆南北向、东西向分别记录到得地震波。能够清楚的记录到P波、S波、L面波。

3 台风引起的高频 “异常波”

近年来，国内有不少学者报道了秒以上采样的重力、地震计观测到了震颤、扰动信号。这些震颤或扰动信号周期大都集中在2～8 s，特征为信号的包络线呈纺锤状叠加在观测背景上，信号持续的时间为1 d到几天不等。

3.1 高采样的石英水平摆对台风的响应

我们采用db4小波对秒采样石英水平摆观测数据进行小波分解到第4层，所用的资料石英水平摆秒采样数据（采样步长为1 s），原始信号与分解后的信号的关系为：S=d1+d2+d3+d4+a4，S为原始数据，di为细节信号，ai为趋势项。

表1 不同采样率的石英水平摆倾斜仪观测数据观测精度（NS）Table 1 Observation precision of the quartz horizontal pendulum tiltmeter with different sampling rate（NS）

表2 不同采样率的石英水平摆倾斜仪观测数据观测精度（EW）Table 2 Observation precision of the quartz horizontal pendulum tiltmeter with different sampling rate（EW）

湖州台秒采样石英水平摆多次记录到强台风的整个过程，呈 “纺锤状”，一般持续时间为3 d，图4为秒采样石英水平摆NS向对2011年9号热带风暴 “梅花”的响应特征，通过db4小波分析，第一层细节信号，第二层细节信号完整的记录台风的整个过程，呈 “纺锤状”。图5为秒采样石英水平摆EW向对2011年9号热带风暴 “梅花”的响应特征，通过db4小波分析，第一层细节信号，第二层细节信号完整的记录台风的整个过程，呈“纺锤状”。

3.2 同采样率的不同形变仪器对台风的响应对比

湖州台秒采样VP型宽频带垂直摆和秒采样石英水平摆能完整的记录台风的整个过程。选取2013年第12号台风 “潭美”对秒采样石英水平摆和宽频带垂直摆的高频震颤特征做对比分析。

2013年第12号台风 “潭美”于8月22日02时40分前后在福建省福清市沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有12级 (35 m/s)，中心最低气压为958百帕。登陆后 “潭美”向西偏北方向移动，强度逐渐减弱，于22日05时减弱为强热带风暴，05时其中心位于福建省永泰县境内，就是北纬25.8°，东经119.1°，中心附近最大风力有11级(30 m/s)，中心最低气压为970 hPa。

图3 新疆维吾尔自治区5.2级地震曲线Fig.3 Curve of MS5.2 earthquake in Xinjiang Uygur Autonomous Region

图4 秒采样石英水平摆NS向观测数据db4小波分析 (8月2日-10日)Fig.4 The db4 wavelet analysis of observation data in NS direction of the quartz horizontal pendulum with second sampling（from 2nd to 10th，August）

图5 秒采样石英水平摆EW向观测数据db4小波分析(8月2日-10日)Fig.8 The db4 wavelet analysis of observation data in EW direction of the quartz horizontal pendulum with second sampling（from 2nd to 10th,August）

图6石英水平摆和宽频带垂直摆震颤信号对比（8月20至24日EW向）Fig.6 Signal comparison of the quartz horizontal pendulum and wideband vertical pendulum（from 20th to 24th,August,EW direction）

图6 （a）给出的秒采样石英水平摆EW向2013年8月20日至24日观测数据db4小波分析，原始数据、第1层细节信号和第2层细节信号。图6（b）给出的宽频带垂直摆EW向2013年8月20日至24日观测数据db4小波分析，原始数据、第1层细节信号和第2层细节信号。通过对湖州台秒采样石英水平摆和宽频带垂直摆同一个分量的相同时段的观测资料分析和处理发现，两者具有一致性：震颤波频率主要集中在2～8 s，其中4～8 s频带内的振幅大于2～4 s频带内的振幅，信号的形态呈 “纺锤状”，持续3 d时间。两者的振幅有小幅偏差，是由于两套仪器的格值不同造成的。同一台站的不同秒采样形变观测仪器对台风引起的震颤波的记录具有一致性，频段一致、形态一致、持续时间一致。说明台风造成了大范围的远场影响，被湖州台秒采样形变观测仪器记录到，湖州台秒采样石英水平摆和宽频带垂直摆倾斜仪观测数据对高频信息记录可相互检验，相互映证的效果[6]。

4 结语

通过对湖州台分钟采样、秒采样的两套石英水平摆观测资料的对比分析，初步得到如下结论：

（1）石英水平摆采用测震数采进行秒采样，采集的数据进行分钟值计算，与现有分钟采样的观测数据，在潮汐波观测上一致、潮汐参数一致,表明本文的实验是成功的。

（2）通过秒采样的石英水平摆观测数据，信息更丰富。在地震事件中能记录到清晰地P波、S波。

（3）石英水平摆秒采样能完整记录台风引起的震颤波，且同一台站的不同秒采样形变观测仪器对台风引起的震颤波的记录具有一致性，频段一致、形态一致、持续时间一致。

（4）据我们所知，石英水平摆采用 EDAS-24IP型测震仪器数据采集器进行秒采样，全国首次试验。

[1]缪丽霞，陈昌永，倪晓寅，等.不同型号仪器水位记震能力对比分析[J].地震研究，2009，33（2）：137-144.

[2]舒优良，张世民.周至深井水震波数字化记录与地震波记录的对比研究[J].地震地磁观测与研究，2004，24（5）：26-31.

[3]方燕勋，卞根发，惠若愚.湖州台高采样率倾斜仪同震响应初析[J].地震工程学报，2014，36（3）：628-633.

[4]方燕勋，阚宝祥.湖州地震台钻孔体应变和伸缩仪记录资料对比[J].地震地磁观测与研究，2010，31（2）：101-103.

[5]方燕勋.不同采样率数字石英水平摆记录资料对比[J].地震地磁观测与研究，2012，33（3/4）：291-293.

[6]起卫罗，匡福江，余庆坤.腾冲台水平摆在中强以上地震前异常特征分析 [J].华南地震，2014，34（3）：120-124.

High Sample Rate Experiment of the Quartz Pendulum Tiltmeter

FANG Yanxun1，LIU Chao2，BIAN Genfa1，HUI Ruoyu3
（1.Huzhou Seismic Station，Earthquake Administration of Zhejiang Province，Huzhou 313000，China；2.Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China；3.Earthquake Administration of Zhejiang Province，Hangzhou 310013，China）

The high sample output data of quartz horizontal pendulum tiltmeter are recorded by a seismograph data collector.Results show that with the same data points sampling the quartz horizontal pendulum tiltmeter observed tidal wave;the quartz horizontal pendulum tiltmeter with seconds sampling observation can record the complete seismic wave and the tremor wave caused by the typhoon;the tremor wave recorded by the deformation observation instrument with different second sampling have consistency.

Huzhou seismic station；The quartz horizontal pendulum tiltmeter；High sampling rate；Capability analysis

P315.7

A

1001-8662（2015）04-0098-06

10.13512/j.hndz.2015.04.15

方燕勋，刘 超，卞根发，等.石英水平摆高采样率实验[J].华南地震，2015，35（4）：98-103.[FANG Yanxun， LIU Chao，BIAN Genfa，et al. High Sample Rate Experiment of the Quartz Pendulum Tiltmeter[J].South china journal of seismology，2015，35（4）：98-103.]

2014-11-10

中国地震局“三结合”课题和浙江省地震局科技项目资助

方燕勋（1983-），男，工程师，主要从事地震监测工作.

E-mail：fangyanxun@126.com.