银川基准台SQ-70D水平摆观测数据干扰分析

王建亮，李国斌

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

银川基准台SQ-70D水平摆观测数据干扰分析

王建亮，李国斌

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

石英摆倾斜仪是监测地球固体潮汐的重要手段之一，通过对银川基准台小口子观测站的SQ-70D石英水平摆倾斜仪数字观测资料数据进行分析，排除干扰因素，客观的分析曲线的变化趋势，发现特征，以便在日常分析处理中排除各类干扰因素，如自然环境干扰、人为干扰和调零标定干扰等，争取最大限度的减少不必要的误导,为台站工作人员提供有效的参考实例。

水平摆倾斜仪；干扰分析；数据曲线

0 引言

石英水平摆倾斜仪是我台前兆观测的重要手段之一，用它来监测地面的倾斜变化以预防地震，但伴随着诸多其他因素的干扰。因此，在日常的资料数据处理中，能够有效的识别并排除各类干扰源，才能准确的提取反映大地形变的观测资料数据，从而提高地震预报水平。同时，台站工作人员的工作还要保证仪器设备的正常、稳定、有效的运行，这样才能够得到连续、完整、可靠的观测数据。

1 台站概况

银川基准台是隶属于宁夏地震局的一个国家级综合专业台站，银川基准地震台由银川贺兰山小口子观测站和银川北塔地磁观测站及2个跨断层短水准观测场地组成。现有测震、地形变、电磁、流体四大学科26台套观测仪器，承担全国乃至全球大震快报任务。1953年，中国科学院地球物理研究所在银川市区建立了银川地震台，开创了宁夏的地震观测工作。1964年，中国科学院兰州地球物理研究所在宁夏银川贺兰山小口子建立地震台，海拔高程为1545m，台基岩性为片麻花岗岩，距离宁夏地震局40km，并建成126m2二层小楼。1969年增加金属摆倾斜仪，开始了前兆观测。1972年，中国地震局将银川地震台列为国家基准地震台，观测项目逐年增加。1978年开凿山洞，主洞长110米，用于形变和测震观测。

银川台小口子观测点位于银川市区西40km的贺兰山东麓滚钟口风景区内，地处贺兰山断隆东侧，地理坐标：38.36oN，105.91oE，海拔1545m。傍近银川断陷盆地，西侧有贺兰山山前大断裂带，岩层为前震旦系石英花岗片麻岩。该区域有3条较大断裂，由西向东分布有贺兰山东麓断裂，平罗—银川断裂，黄河断裂。此地有较宽的断裂带，断层活动性强，崖面清晰，山体相对上升，冲沟发育，沟谷坡降比较大，深切呈“V”字型，沟口洪积扇发育。洪积扇上发育有第四纪全新世以来的活动断层陡坎。贺兰山山体由前震旦系—三迭系地层组成（图1）。

图1 银川台地质构造图Fig.1 Geological map of Yinchuan station

银川小口子地震台形变观测手段有石英水平摆倾斜仪、DSQ水管仪、SS-Y伸缩仪、YRY-4钻孔分量应变仪、定点重力观测仪。

银川基准台SQ-70D石英水平摆倾斜仪于2006年12月安装并调试运行，于2007年1月正式纳入宁夏地震局前兆台网管理系统。

SQ-70D水平摆倾斜仪是测量水平方向倾斜变化的一种高灵敏度仪器，其摆支架、摆杆、吊丝全是用透明的熔凝石英烧焊一体制成。熔凝石英丝具有很高的抗断强度和极小的永久性形变，由于熔凝石英的这些特性，所以本仪器具有灵敏度高、稳定性好等优点，适用于固定台站长期观测地面的倾斜变化，或短期观测极为微小的倾斜变化。例如：研究地球的固体潮；监测地面的倾斜变化以预测地震等。

台站在“十五”网络项目中规划SQ-70D数字化石英摆倾斜仪安装于观测山洞内（图2）。山洞进深100m，覆盖厚度50m，洞内年平均温度为11.2o，符合规范要求。12月14日完成网络设置，下图就是石英摆的监测程序的界面（图3），每天工作人员都要实时的监测数据，确保数据曲线在有效范围内，省局实现远程监控。厂家人员对台站工作人员就仪器主体、标定装置、数采、长线驱动、网络接口、GPS时钟、专用应用软件、仪器及软件安装方法及注意事项、日常标定、维护等进行了有针对性的培训和实际操作。

图2 山洞分布图Fig.2 The distribution of the caves

图3 石英水平摆倾斜仪实时监测界面Fig.3 The real-time monitoring interface quartz horizontal pendulum tiltmeter

2 观测资料选取

银川基准台在经过了“十五”项目改造后，水平摆的观测实现了数字化，既减少了工作量，又方便了台站工作人员收集数据和日常处理，宁夏地震局于2007年1月将水平摆纳入前兆管理系统。在这几年的运行中，石英摆设备受到自然环境干扰和人为干扰较为明显，同时仪器设备本身也有一定的影响，导致观测曲线产生变化，下面就选取了2015年至2017年的观测资料数据分析各类干扰因素，该时间段内仪器运行稳定，曲线变化清晰。

3 银川基准台SQ-70D水平摆观测数据干扰因素分析

通过日常预处理发现，银川基准台SQ-70D水平摆倾斜仪在2015-2017年里，主要受自然环境干扰、人为干扰和观测系统故障干扰等，现就各干扰因素的典型干扰曲线展开分析。

3.1 自然环境干扰

银川基准台位于滚钟口风景区内，处于山坳位置，常年受自然环境干扰严重，其中受刮风影响比较频繁和典型，对各个仪器的影响比较明显，曲线变化清晰；而降雨和雷电干扰对仪器影响不是很明显，曲线变化幅度较小。

3.1.1 刮风干扰

在北方地区的春季、秋季刮风现象是比较普遍的，加上台站所处的位置所致，刮风干扰对SQ-70D水平摆倾斜仪的影响比较严重。就是银川基准台2017年3月23日至24日出现大风干扰时的数据曲线（图4），从图上可以看出，刮风干扰对SQ-70D水平摆倾斜仪的北南分量和东西分量干扰严重，数据抖动，曲线出现较多高频毛刺,导致倾斜仪两分量的固体潮汐不清晰。25日2点左右数据曲线恢复正常。

图4 SQ-70D水平摆倾斜仪刮风干扰曲线Fig.4 The wind interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.1.2 雷电干扰

雷电是自然界中的一种放电现象。由于雷电具有很强的破坏力，所以在安装仪器时都布置了防雷措施。银川基准台还未出现因雷击导致仪器设备故障的现象，图3为银川基准台水平摆在2016年06月12日受雷电干扰的曲线图，由于雷击干扰严重，东西分量和北南分量均受到干扰，北南分量在雷击时刻是下降的趋势，引起向下的突跳；东西分量在雷击时刻是上升的趋势，引起向上的突跳。13日之后数据曲线恢复正常。

图5 SQ-70D水平摆倾斜仪雷电干扰曲线Fig.5 The thunder interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.1.3 降雨干扰

降雨天气是一种比较常见的自然现象，是大气中的水汽以冷凝的方式下降到地球表面，根据降雨量的多少，可以分为持续性降雨、大雨、大暴雨。降雨干扰对前兆观测影响比较普遍，由于持续性的降雨，导致岩石压力和应变力的变化，严重者可以在山沟形成洪水，从而严重影响石英水平摆倾斜仪的观测数据的变化。图6为2016年08月21日银川地区强降雨前后的数据曲线，同时附有降雨量图。此次降雨量为180毫米，属于大暴雨范畴，山上有大量石头随洪水滚下，从图上可以看出，降雨干扰对水平摆东西分量和南北分量的曲线引起毛刺状，曲线跳动的幅度较小，强降雨之后，曲线恢复正常。图中其他干扰为地球物理事件，干扰幅度较大。

3.2 人为干扰

人为干扰主要分为人员进洞干扰、人为调零干扰和仪器标定干扰等。

图6 SQ-70D水平摆倾斜仪降雨干扰曲线Fig.6 The rain interference curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.1 人为进洞干扰

人员进入山洞后，人员来回走动，山洞门的开关都容易引起洞内空气对流，加上人体散热使得洞内温度升高，由于气流的扰动，对仪器记录的曲线都会造成一定的干扰，所以轻易不要频繁进入山洞。2016年03月31日宁夏地震局测震台网中心等人来我台对CTS-1EF甚宽频带地震计进行常规检修，以下是他们进入山洞后引起的干扰曲线图（图7），由于人员众多，对水平摆的干扰较为严重，曲线北南分量出现向下的尖峰突跳，三小时之后逐渐恢复正常；东西分量出现断数，引起的高频毛刺呈衰减趋势，三小时后恢复正常。

图7 SQ-70D水平摆倾斜仪人为干扰曲线Fig.7 Human disturbance curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.2 调零干扰

由于仪器的监测范围所限，要定期对石英摆进行调零维护，以确保监测的数据在有效的范围内。银川台所用的SQ-70D石英水平摆倾斜仪的范围是100～900ms，当曲线变化接近上限或者下限时，工作人员就要进山洞对仪器进行调零处理，下面就是2016年03月23日，形变工作人员进山洞调零造成的干扰（图8），调零的过程中引起曲线的断数、尖峰突跳、异常毛刺和台阶。

图8 SQ-70D水平摆倾斜仪调零干扰曲线Fig.8 The restore setting curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.2.3 标定干扰

标定是使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度（精度）进行检测是否符合标准，一般大多用于精密度较高的仪器。标定的主要作用：（1）确定仪器或者测量系统的输入-输出关系，赋予仪器或者测量系统分度值；（2）确定仪器或测量系统的静态特性指标；（3）消除系统误差，改善仪器或系统的精确度；（4）在科学测量中，标定是一个不可忽视的重要步骤。

银川基准台SQ-70D石英水平摆倾斜仪在每年的12月进行仪器标定，标定完之后采用新的格值。本文选取的2016年12月29日的仪器标定曲线(图9）。从曲线上可以看出，在标定的过程中，北南分量引起向下的台阶，东西分量引起向上的台阶，突变曲线特征呈矩形方波，标定完之后恢复正常。

图9 SQ-70D水平摆倾斜仪标定干扰曲线Fig.9 The calibration curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

3.3 观测系统故障干扰

SQ-70D石英水平摆倾斜仪的系统故障大概可以分为三类：仪器主体故障、数采故障和数据传输故障。仪器主体有：摆体、吊丝、标定装置、光源灯；数采：数采集成板、电源控制；传输：网络、数据线。

2016年3月22日22:00—23:59SQ-70D石英水平摆倾斜仪的光源灯故障引起北南分量记录曲线呈尖峰脉冲，东西分量2016年3月22日16:20—23:59的记录曲线产生缺数和高频毛刺（图10）。本次仪器设备自身故障，是由于光源灯使用时间太久未及时更换引起的，所以要定期维护仪器，检测各类元件。

图10 SQ-70D水平摆倾斜仪光源灯故障干扰曲线Fig.10 The light source failure curve of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter

4 结论

本文通过对银川基准台的SQ-70D石英水平摆倾斜仪观测数据曲线受各种干扰源的干扰进行分析，归纳总结了自然环境干扰、人为干扰和观测系统干扰这三大类干扰因素，也给出了具体的曲线形态，对处理方法也做了一定的说明，希望对各台站工作人员有所帮助。作为台站工作人员，在日常的预处理中，对异常数据曲线要认真的排查，利用已经确定的干扰因素，借助各类辅助观测进行相关的分析，只有这样才能清晰的辨别各种干扰因素，从而精确的排除前兆异常的各类干扰，减少数据在分析预报中的错误引导。

银川基准台的前兆观测手段在这些年的运行过程中，观测数据资料受到过各类各样的异常干扰，有些通过前兆工作人员对仪器本身及场地环境的认真观察，分析总结，得到确定规律的干扰，但仍有些存在的干扰，还是无法准确的排除，这就需要台站一线的工作人员，细心的去发现摸索，总结规律，从而提高台站观测数据的准确性，减少在地震预报中不必要的误导，为地震工作的异常跟踪提供必要的依据。

[1]国家地震监测预报司.中国地震前兆台网数据管理系统用户使用手册[S]. 2008: 151-158.

[2]顾强强，荆涛，李君，等.沈阳地震台SSQ-2I水平摆观测数据干扰分析[J].防灾减灾学报，2016，32（4）：85-89.

Abstract:Quartat fiber tiltmeter is one of the most important monitoring ways on tides of the solid earth, this paper conducts data analysis observed by a SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter in Xiaokouzi Observation Station of Yinchuan Standard Station in order to eliminate interference factor, to extract effective interference curves, to analyze the curve's variation trend objectively and to find out the features for the purpose of eliminating interference factors in daily analysis processing, such as nature environment interference, human disturbance and zeroing calibration interference etc. In that way unnecessary misleading can be reduced farthest and it can provide effective reference examples to the station workers.

Key words:horizontal pendulum tiltmeter；interference analysis；data curve

Analysis of the Observed Data of SQ-70D Horizontal Pendulum Tiltmeter at Yinchuan Seismic Station

WANG Jian-liang，LI Guo-bin
（Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Ningxia Yinchuan 750001，China）

P315.63

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.010

1674-8565（2017）03-0055-06

2017-02-05

2017-04-16

王建亮（1988-），男，陕西省定边县人，毕业于中国石油大学（华东），本科，助理工程师，现主要从事地震监测与研究方面的工作。E-mail：524394631@qq.com