佛子岭地震台VP型与SSQ型倾斜仪观测资料对比分析

周 志翟义勇郑海刚刘 浩朱厚林张启祥

1）中国安徽237272佛子岭地震台

2）中国合肥230031安徽省地震局

佛子岭地震台VP型与SSQ型倾斜仪观测资料对比分析

周 志1）翟义勇1）郑海刚2）刘 浩1）朱厚林1）张启祥1）

1）中国安徽237272佛子岭地震台

2）中国合肥230031安徽省地震局

利用佛子岭地震台VP型倾斜仪和SSQ-2I型倾斜仪2014年至2015年10月的观测资料，从仪器运行、观测资料质量、仪器稳定性、资料相关性及干扰等方面进行对比分析，发现VP型倾斜仪观测资料质量稍好，可为地震台站日常观测工作和仪器维护提供参考。

VP型倾斜仪；SSQ-2I型倾斜仪；相关系数；对比分析

0 引言

地壳形变是重要的可测物理场之一，具有明确的几何和物理意义。地倾斜观测是地壳形变观测的重要内容，利用高灵敏度倾斜仪，测量由地球外部场源和地下场源产生的地面倾斜变化，在地震孕育、发生过程中，地壳介质的变化可能引起一定范围内地面倾斜量发生改变，对于地震预测研究具有重要意义。相对于单台单套地倾斜仪器观测资料的研究，对于同一台站、不同型号仪器（杨又陵等，2003；鲍从民等，2006；赵爱平等，2012）和不同台站、相同型号仪器记录的观测资料（冯英等，2014）对比研更有意义。

目前，武汉地震仪器研究所研制的VP型宽频带倾斜仪和北京地震预测研究所研制的SSQ型倾斜仪均为常用定点地倾斜观测仪器，“十二五”期间，佛子岭地震台在同一形变山洞同时安装两套观测仪器观测地倾斜变化。理论上，二者观测结果应一致，但实际观测发现，二者存在一些差别。本文从仪器运行和稳定性、观测资料质量和相关性、干扰等方面，对两种仪器的观测资料进行对比分析，得到初步认识，为更好地使用地倾斜资料提供参考。

1 观测环境

佛子岭地震台（以下简称佛子岭台）位于安徽省霍山县西南方向，距“新中国第一坝”——佛子岭水库约300 m，靠近青山—晓天断裂、梅山—龙河口断裂及落儿岭—土地岭断裂交汇部位，具有发生中等地震的构造条件，历史上台站周边100 km范围内发生9次5级以上地震，2 次6级以上地震，最大地震为1917年1月24日霍山6☒级地震。受华北陆块、秦岭—大别山造山带和扬子陆块综合影响，台站所处的鄂豫皖交界地区是

华东地区中小地震活跃地区之一，称为“霍山震情窗口”。

佛子岭台海拔90 m，背山面河，山体植被茂盛。观测山洞洞壁岩性为变质岩，洞深37 m，覆盖层平均厚约20 m，常年温度约16.8℃，年温差小于1℃，日温差小于0.05℃，湿度90%以上，由外至内有7道密封保温门（图1）。观测墩为1.2 m×1.2 m×0.8 m变质岩原岩墩，已按规范要求做隔震措施和泡沫保温层。

图1 佛子岭台观测山洞示意Fig.1 The schematic diagram of observation cave at Foziling Seismic station

2 仪器参数对比

VP型宽频带倾斜仪（以下简称VP仪）工作原理是，垂直摆无振动条件下处于铅垂状态，当发生倾斜变化时，摆和支架之间的相对位置发生变化，电容式位移传感器的动片和定片间距相应发生变化，通过传感器转换成信号并放大，将摆的微小位移转换成电信号。基本技术参数为：摆长120 mm，摆重280 g，仪器分辨力优于10-3″（中国地震局监测预报司，2003）。

SSQ-2I型水平摆倾斜仪（以下简称SSQ仪）工作原理是，采用石英水平摆接收地面倾斜信号，当地面发生倾斜时，摆杆绕旋转轴偏转，通过电涡流传感器把摆端的位移变成电信号输出。主要技术参数为： NS向、EW向周期设置为15.8 s，仪器分辨力优于0.5×10-3″（中国地震局监测预报司，2003）。从仪器分辨力的技术指标看，SSQ仪分辨力较高。

VP仪与SSQ仪具有以下相同点：①设计思路相同，通过摆系加换能装置，将地面倾斜量转换为电压值，经放大滤波，通过数采进行数字化记录；②安装条件要求较高，需远离工厂、学校、车站、公路等人群、车辆集散地，避开江河、湖泊、水库等水位变化地区，洞温日变化在0.05℃以内，年变化应小于0.5℃，湿度不大于90%等。二者同时存在较多不同点：①摆系不同，分别采用柔丝（双丝）悬挂和zqllner双吊丝悬挂；②换能器不同，分别采用电容式换能器和电涡流式换能器；③标定装置不同，分别采用电流标定和水银胀盒标定；④调零装置不同，分别采用伺服电机调零和手动调零；⑤灵敏度可调性不同，VP仪周期、灵敏度不能调节，而SSQ仪可调；⑥其他如前置放大器、滤波器、摆罩等存在不同。

两套仪器均于2013年试运行，2014年正式运行，配置气温、气压、降雨量等辅助观测，在此选取2014年1月至2015年10月的观测资料，分别采用整点值、分钟值、秒值，进行对比分析。

3 仪器运行

3.1 数据质量一般评定对比

选取完整率、年变幅和年零漂对数据质量进行一般评定（中国地震局，2001），统计

结果见表1，其中完整率以预处理数据（原始资料剔除干扰或严重影响曲线形态的数据）为统计对象；年零漂采用日均值法计算，将该年度12月31日的日均值减去当年1月1日数值，差值作为该年零漂值（有正负之分）；年变幅为全年整时值最大值与最小值的差值。VP仪除2014年因仪器故障导致完整率较低外，其余时段完整率均达94%以上，整体较好；SSQ仪年变幅、年零漂量总体大于VP仪，二者变化方向基本一致；VP仪NS分量年变幅、年零漂量2014年、2015年均小于EW 分量，SSQ-2I仪NS分量年变幅、年零漂量2014年均大于EW 分量。且SSQ-2I仪EW分量2015年漂移量达30 000多毫秒，可能与仪器该分量发生故障有关系。

表1 VP仪与SSQ仪观测资料一般评定Table 1 The general evaluation of observation data between VP type and SSQ type tiltmeters

3.2 仪器标定

为保证测量精度，检验仪器的稳定性和精度，按照观测规范及形变学科组要求，仪器每年需在小潮时段至少标定2次，精度要求1%以内。VP仪按观测规范进行2次标定，SSQ仪每月自动标定，从标定结果看，二者仅部分标定精度达到规范要求，说明安装条件严重影响仪器观测精度，但整体上，SSQ仪标定精度变化较VP仪平稳。

3.3 仪器故障

2014—1015年，VP仪与SSQ仪故障统计见表2。两套仪器均为数字化仪器，采用大量电子元器件组成，在湿度较大的封闭环境长时间工作，均出现过1次仪器电路板受潮腐蚀漏电，导致观测数据不准；VP仪采用自动调零，当调零齿轮卡死或调零电机发生故障时，仪器不能调零，影响观测数据精度，而SSQ仪采用手动调零，尚未发现此现象；SSQ仪的摆体会出现吸摆现象（可能是静电干扰），造成摆锤不居中，使观测数据朝一个方向快速漂移或影响固体潮记录（如潮汐幅度变小或无规律掉格固体潮形态畸变现象）；两套仪器结构较精密复杂，如出现故障，维修比较困难且费时，对台站仪器运维管理提出较高要求。

表2 2014—2015年VP仪与SSQ仪故障统计Table 2 The fault statistics of VP type and SSQ type tiltmeters from 2014 to 2015

3.4 资料可用性

为了检测观测资料的可用性，对EIS2000计算的理论固体潮汐数据和VP仪、SSQ仪实际观测数据（逐月计算）进行频谱对比，见图2。由图2可见，理论固体潮与实际观测数据频谱一致性较好，符合两种波的振幅纬度分布特征，说明仪器工作正常，检测结果可信，观测资料可用性较好。在低频部分，实际观测较理论数据频率成分更丰富。

若能从当月观测资料中清晰检测到日波和半日波，则判该月资料可用，反之不可用。检测结果列于表3，可见：2014年SSQ仪的观测资料可用率达100%，VP仪受仪器故障

影响，可用率不到60%；2015年，两套仪器资料可用率相差不大，其中SSQ仪EW分量资料可用率仅为50%，可能与该方向仪器快速漂移有关。

图2 理论固体潮与实际观测资料频谱分析对比(a)理论固体潮； (b) VP仪数据；(c) SSQ仪数据Fig.2 Comparison of spectral analysis between theoretical earth tide and the observation data

表3 VP仪与SSQ仪观测资料可用率Table 3 The available ratio of observation data both VP type and SSQ type tiltmeters

4 观测资料质量

4.1 观测精度

使用2014—2015年观测资料，计算两套仪器4个分量日均值、五日均值标准差及平均值，计算结果列于表4。由表4可见：用日均值与五日均值计算的标准差结果基本相同，2015年SSQ仪EW分量相差最大，平均达5.171；相同仪器两分量比较，VP仪、SSQ仪NS分量精度均较高；不同仪器相同分量对比，VP仪精度较高，特别是NS分量。

表4 VP仪、SSQ仪日均值、五日均值标准差对比Table 4 The available ratio of observation data both VP type and SSQ type tiltmeters

4.2 M2波潮汐因子

固体潮是由日、月和近地行星对地球的引力变化导致的地球内部和表面的周期性形变。潮汐因子是同一时刻固体潮观测值与理论值之比，无震情况下反映观测数据的精度和稳定性。采用整点值数据，使用中国地震局预测研究所刘琦编制的Matlab程序，计算M2波潮汐因子和相位滞后，结果见图3。对于M2波潮汐因子，VP仪、SSQ仪NS分量明显较小，且变化比EW分量小；2015年3—5月，VP仪M2波潮汐因子波动比较大，可能与仪器维修有关系；VP仪均明显较SSQ仪潮汐因子大，但SSQ仪变化平稳（图3）。对于M2波相位滞后，VP仪NS分量较EW分量大，且呈增大态势，不太稳定； SSQ仪NS分量均明显较EW分量小，也无EW分量变化大；VP仪比SSQ仪NS分量相位滞后大，且变化不够平稳，二者EW分量相差不大（图3）。

图3 M2波潮汐因子、相位滞后变化Fig.3 Diagram of M2wave tidal factor and phase lag variation

4.3 资料相关性

两套仪器安装位置相近，同一方向不同仪器的观测数据变化规律应该相同(或相似)，因此可以采用相关系数来检验观测结果的质量，验证观测数据的可靠性。如果同一测向不同测道的观测数据变化趋势一致，相关系数越接近1；反之，若变化趋势不一致，相关系数越偏离1。需考虑测区环境是否存在干扰，观测系统是否运转正常，计算方法是：利用日均值数据，对每月数据进行相关系数计算，结果见表5。从表5可看出，VP仪与SSQ仪两分向资料月相关系数既有正相关，亦有负相关，变化较大，不稳定；2014年NS分量相关性较好，2015年EW分量较好。

表5 VP仪与SSQ仪两分向资料相关系数Table 5 The available ratio of observation data between VP type and SSQ type tiltmeters

5 干扰分析

VP仪与SSQ仪具有高精度测微系统，观测信息量大，易受周围因素干扰，有时甚至严重扭曲固体潮记录日变形态。在地倾斜观测中，常见干扰因素有仪器、人为、环境变化等（张红秀等，2012）。

5.1 仪器、人为因素

VP仪与SSQ仪自身或人为干扰引起的异常变化形态见图4，主要影响因素有：①仪器标定。VP仪标定使记录曲线形成“锯齿状”干扰，而SSQ仪标定后形成台阶；②超量程、调零。当摆式倾斜仪配套的数采电压值接近或超出预设工作电压范围（VP仪为±1.9 V）时应及时调零，否则出现缺数或产生无效数据，图像表现为直线，不能记录到固体潮；③仪器比较灵敏，在台站周围发生较强雷电现象时，VP仪数据曲线出现小幅台阶和较多突跳点，在记录强远震同震响应时，SSQ仪数据曲线出现小幅台阶，VP仪则不会；④日常工作中，因调试仪器、排除故障或其他原因，工作人员进入观测山洞，使仪器附近温度发生变化或引起气流扰动，从而对记录曲线造成脉冲状干扰。

5.2 环境因素

除仪器和人为因素外，对两套仪器影响较大的环境因素有大风和降雨，且降雨使得附近佛子岭水库的水位发生快速变化，对仪器观测记录产生复合影响。刮风、降雨时观测记录曲线形态相似，表现为曲线毛刺、变粗现象，但不会改变固体潮总体变化形态，风雨交加的天气还会形成风扰和雨扰的叠加图像。2015年8月5日至15日两仪器观测数据曲线

见图5，其中8月9日至10日“苏迪罗”台风经霍山地区，降雨量达325 mm。从数据形态来看，二者变化基本一致，NS分量改变原有变化趋势，迅速向南倾斜，EW分量未改变趋势性变化，可能与佛子岭水库有关，密集降雨使水库水位迅速上升，造成负荷增大。

图4 各种干扰引起的异常变化形态(a)VP仪所受干扰； (b)SSQ仪所受干扰； (c)人为干扰Fig.4 The abnormal changes in morphology caused by various interferences

图5 苏迪罗台风期间数据变化（2015年8月5日至15日）(a)VP仪； (b)SSQ仪Fig.5 Data changes during the period of typhoon Soudelor

6 结论

对2014年1月至2015年10月佛子岭台VP型和SSQ-2I型倾斜仪观测资料，从仪器运行、观测资料质量、仪器稳定性、资料相关性及干扰等方面进行对比分析，得出以下结论。

（1）仅对佛子岭台而言，VP仪观测质量较好，SSQ仪相对稳定，完整率较高。两套仪器在标定精度和资料可用率方面，结果不太理想，但均能记录到各种干扰，其中降雨造成的复合干扰，因佛子岭水库的存在，对NS分量影响更大。

（2）VP仪的优势在于灵敏度较高，可远程遥控调试，但对观测环境要求较高。SSQ仪的优势在于周期可调，灵敏度可变，可根据洞室观测条件调整灵敏度，但需要手动调试仪器，容易产生干扰。

（3）地倾斜仪器记录到的观测资料，信息丰富，既包含对地震预报有用的前兆信息又包含各种环境干扰信息，所以仪器与环境的关系是灵敏度与稳定性的关系，只有达到一个平衡点，兼顾仪器灵敏度和资料稳定性，观测资料才能取得较好的使用效能。

中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范[M].北京：地震出版社，2001.

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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，安徽枞阳人，大学本科，工程师，现主要从事地震监测、预报工作

中国地震局2015年度三结合课题（151206）

本文收到日期：2015-12-08