代县台宽频带倾斜仪观测效能评价

张青玄，马金平，祁振东，贾海玉，靳玉科，杨 甜

(1.山西省地震局代县中心地震台，山西 代县 034200；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

代县中心地震台(以下简称代县台)位于山西省代县峪口乡峪里村，构造上位于五台山边缘，滹沱河支流峪河北岸的二级阶地上，海拔高度948 m。台站所处的忻定盆地，属于鄂尔多斯地块东缘的山西裂谷带，北部以恒山断块隆起与大同盆地相隔，南部以石岭关横向隆起与太原盆地分开。

代县台形变观测山洞距台站约1 000 m，洞体主覆盖厚度约45 m，山洞岩性为花岗片麻岩、角闪片麻岩，洞深128 m，洞内6道船舱门密封，日温差小于0.1 ℃，年温差小于0.3 ℃，洞内仪器观测基墩为完整基岩，稳定可靠，干扰较小。台站VP垂直摆倾斜仪(以下简称宽频带倾斜仪)于2012年安装并投入运行，放置在观测山洞内(见图1)。

图1 垂直摆倾斜仪布设位置图Fig.1 Layout position diagram of vertical pendulum tiltmeter

1 正常固体潮曲线特征

代县宽频带倾斜仪记录的正常固体潮曲线为正、余弦波，均匀而光滑，具有周期性。宽频带倾斜仪为秒采样数据，信息量较大。

2 主要干扰因素分析

2.1 人为干扰

人为干扰主要指人员进洞造成的干扰。由于工作人员进洞的情况不同，如人数、时间长短及进行的操作等，仪器受干扰的程度也不同。此类干扰较易识别。人员进洞进行标定、调零、检修、调试、换水、排湿等工作会造成干扰。图2为进洞排查伸缩仪曲线畸变引起宽频带倾斜仪固体潮曲线短时畸变。

图2 垂直摆倾斜仪受人为干扰曲线Fig.2 Man-made interference curve of vertical pendulum tiltmeter

2.2 自然环境干扰

代县台地处山区，夏季雷雨较多，春秋季刮风时间较长，垂直摆倾斜仪记录到的曲线形态也不同。

2.2.1 雷雨干扰

台站降雨主要集中在6-9月,降雨影响与降雨时间长短、降雨量密切相关，长时间持续性降雨通常会导致固体潮汐曲线的趋势性连续缓慢变化或突发性转折变化。2016年6月13日17:20-20:50有强雷雨天气，累计降雨量10 mm,受降雨影响，观测曲线发生趋势性转折，方向改变，且速率加快。当时降雨量筒损毁，无降雨量记录(见图3)。

2.2.2 大风干扰

代县台春秋季刮风时间较长，垂直摆倾斜仪受大风影响较明显。2014年5月3日垂直摆倾斜仪在大风时段的观测曲线出现非正常形态的波动，大风过后逐渐恢复正常(见图4)。

2.3 其他因素引起的干扰

对垂直摆倾斜仪观测造成干扰的因素较多，如2017年5月7日因洞内电源不稳引起观测曲线固体潮突跳(见图5)。此类干扰容易和人为干扰混淆[1]，需要对仪器的运行情况、观测日志逐项排查来确定。

3 宽频带倾斜仪观测震例

3.1 近震分析

近5年来代县台垂直摆倾斜仪记录到忻州及周边地区地震较多，大部分为3.0级左右，中强及以上地震较少。

2013到2018年，忻州地区发生的最大地震为2016年4月7日04时49分原平ML4.1地震。从记录的观测曲线来看，地震前固体潮曲线光滑、平稳，无较大的突跳、台阶(见第52页图6)。

图3 垂直摆倾斜仪雷雨干扰曲线图Fig.3 Thunderstorm interference curve of vertical pendulum tiltmeter

图4 垂直摆倾斜仪大风干扰曲线图Fig.4 Wind interference curve of vertical pendulum tiltmeter

图5 垂直摆倾斜仪电源不稳曲线图Fig.5 Power instability curve of vertical pendulum tiltmeter

第52页图7为垂直摆记录到2016年3月12日11时14分运城盐湖区发生的ML4.4地震。从记录曲线来看，震前仪器固体潮曲线光滑、平稳，无突跳、台阶，震后短时间内恢复正常。

图6 原平ML4.1地震垂直摆倾斜仪记录曲线图Fig.6 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Yuanping ML4.1 earthquake

图7 运城盐湖ML4.4级地震垂直摆倾斜仪记录曲线图Fig.7 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Yuncheng Salt Lake ML 4.4 earthquake

3.2 远震分析

3.2.1 国内典型地震

2017年8月8日21时19分四川阿坝州九寨沟发生ML7.0地震，震源深度20 km，震中距1 053 km。2017年8月9日7时27分新疆博尔塔拉州精河县发生6.6级地震，震源深度11 km，震中距2 557 km，从垂直摆倾斜仪当天的记录曲线来看，震前固体潮光滑平稳，无畸变(见图8)。

3.2.2 国外典型地震

2017年9月8日12时秘鲁发生ML8.2地震，震源深度20 km，震中距13 379 km。代县台垂直摆倾斜仪也有较好的记录。从记录曲线来看，震前观测曲线无明显波动，也无毛刺出现(见图9)。

3.3 一阶差分分析

为进一步研究近震和远震发生前垂直摆观测数据是否存在趋势性数据变化或短周期数据变化，以及震前曲线形态有无改变，现用一阶差分分析方法对2016年1月1日到2018年6月30日垂直摆观测数据进行分析。从第53页图10可以看出，2016年4月7日原平ML4.1地震发生在年变曲线的转折期，应该缓慢转折变化的曲线突然速率加快，出现一个凹兜，固体潮出现小范围年变。同样，2017年8月8日四川九寨沟ML7.0地震也发生在年变曲线的转折期附近，使应该下降的曲线出现较短时间的上升变化。

图8 四川九寨沟ML7.0地震垂直摆倾斜仪记录曲线图Fig.8 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Jiuzhaigou ML7.0 earthquake, Sichuan

图9 秘鲁7.2级地震垂直摆倾斜仪记录曲线图Fig.9 Recording curve of vertical pendulum tiltmeter of Peru ML 7.2 earthquake

图10a，垂直摆对邻近及距离较近地区的地震，记录形态主要表现为正常固体潮背景下突然出现脉冲状、向上的阶跃及阶跃后的短期恢复变化[2]，且震级越大、震中距越近，记录到的变化幅度就越大；图10b中，对于距离较远、震级较大的地震，代县台垂直摆倾斜仪记录的曲线多为缓慢的固体潮畸变，且幅度与距离、震级成正比，距离越近、震级越大，幅度就越大。反之，幅度较小，震后恢复时间较长;图10c中，国内发生中小地震时，年变形态有所改变，出现小范围的畸变[3]，且地震发生在年变曲线的转折期或转折期附近。

图10 代县台垂直摆倾斜仪一阶差分曲线Fig.10 First-order difference curve of Daixian vertical pendulum tiltmeter

4 观测资料内精度

代县台垂直摆倾斜仪2012年底安装并投入运行，2013年因摆体掉落，两次送厂维修，2014和2015年仪器多次出现故障。因此，仪器缺测时间较长，计算出的内精度不理想。2016年开始，仪器运行逐渐稳定，观测资料质量逐步提高，计算出的精度较高。2016年1月至2018年6月仪器的内精度如表1所示。

从表1可以看出，EW分量精度优于NS分量，且相邻两个月间的精度值相差不大，变化范围较小。根据日志记录分析，垂直摆倾斜仪在出现故障时的内精度存在明显变化，且变化值较大。

5 结论与讨论

(1) 代县台宽频带倾斜仪固体潮受诸多因素的影响，包括人为干扰、自然环境变化、仪器工作状态等。

(2) 代县台宽频带倾斜仪能记录到不同距离、不同震级的地震，对邻近及距离较近地区的地震，记录形态主要表现为正常固体潮背景下突然出现脉冲状、向上的阶跃及阶跃后的短时恢复变化；对于距离较远、震级较大的地震，记录曲线多为缓慢的固体潮畸变，震后恢复时间较长。

表1 代县台宽频带倾斜仪内精度统计表Table 1 Statistical table of internal accuracy of broadband tiltmeter for Daixian station

(3) 国内发生中小地震时，垂直摆倾斜仪观测曲线年变形态会有所改变，出现小范围的畸变，且地震发生在年变曲线的转折期或转折期附近。

(4) 代县台垂直摆倾斜仪观测资料内精度较高，仪器出现故障时内精度有明显变化，且变化值较大。