基于频谱分析的VP垂直摆倾斜仪10Hz数据的应用展望

固体潮是指固体地球在日、月引潮力的作用下产生的周期性形变的现象。而地倾斜固体潮是指这种形变引起的在地球铅垂线方向的变化。对地倾斜固体潮的记录和研究是进行地震前兆观测的重要手段之一。

十七世纪末，在牛顿发现万有引力定律并用于解释潮汐现象的同时，人们就想象到太阳和月亮的引潮力将会引起铅垂线方向发生变化。当时有许多人试着测量太阳和月亮的引潮力对自由悬挂的铅垂摆的平衡位置的变化，并做了大量试验，由于测量灵敏度不够，均未成功。直到十九世纪德国人Hengler发明了水平摆，用机械方法将位移量放大了很多倍之后，才测到了倾斜固体潮，水平摆倾斜仪由于灵敏度高，一直使用至今。

由于太阳和月亮的引潮力引起的铅垂线方向的变化是有规律的，若将倾斜固体潮的影响通过分析计算加以滤除，就可将地面的倾斜变化分离出来。潮波的主要部分为半日波和全日波，是以若干小时为周期的，而地倾斜的非潮汐变化过程很长，在大多数情况下是非周期性的。

垂直摆倾斜仪采用摆的铅垂原理：垂直摆由柔丝、摆杆和重块三部分组成，摆在没有振动的条件下处于铅垂状态，当由于振动发生倾斜变化时，摆平衡位置发生变化，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之间的间距也相应的发生变化，通过传感器将这种变化转换成电信号。

抚顺境内，目前共拥有4个地震前兆形变观测山洞，分别为：抚顺台山洞、北大岭山洞、木奇山洞、南山城山洞。其中含地倾斜观测仪器多套：3套DSQ、1套SSQ-2I、2套VP和2套SQ70（已停测）。这为本地区进行大地形变的地倾斜观测提供了良好的观测数据和分析数据的基础。

南山城地震观测站和木奇地震观测站原各有一套SQ70仪器，随着维护困难，逐渐停测，并分别安装了一套VP。

VP型垂直摆倾斜仪是由武汉地震仪器研究所在VS垂直摆倾斜仪基础之上研发的新型地震前兆观测设备，其优于千分之一角秒的分辨力和拓宽的频带不但满足了对地倾斜固体潮的观测，并且也能记录到缓慢地震和长周期地震等更多的地震信息。

在实际的前兆观测过程中，我们也发现，VP摆倾斜仪对地震的记录十分敏感，无论是远震、近震、还是地方震，都有很好的记录数据曲线，这就说明VP摆倾斜仪针对地下振动的反应程度是很高的，甚至在一些长基线倾斜仪，如DSQ水管倾斜仪记录到的不是十分清晰的地震波数据上，VP摆倾斜仪都能准确的记录到完整、倾斜、便于分别的地震波数据。其作为近些年异军突起的短基线前兆观测倾斜仪，以其更加优越的安装调试流程、电路设计、调零标定动作的操作等诸多优点，被广泛的用到了量程小、精度要求高的位移测量上。

作为高采样的数据，通过国家局或省局服务器作图提取数据，能够得到秒采样的数据文本，若通过地震前兆处理系统软件进行处理，我们会接触到分钟值的VP摆倾斜仪数据，分钟值的数据不但易于处理分析，也方便与其他分钟值采样的前兆数据进行对比分析。

但其实在VP垂直摆倾斜仪除了提供分钟值和秒值数据之外，它还产生一个10Hz的数据文件，将这些“分”、“秒”、“10Hz”的数据文件进行分别下载，依次得到三个不同后缀的数据文件，三个后缀分别为：“.epd”、“.sec”、“.010”。

“.epd”后缀数据文件是分采样，也就是分钟值、“.sec”是秒采样，而“.010”就是10Hz数据，也就是0.1秒采集一个数据，那么，单位时间内它的数据量就是秒采样数据的10倍。扩大了10倍的数据量，这无疑丰富了大量的前兆观测分析数据。

从南山城地震观测站、木奇地震观测站的两台套VP垂直摆倾斜仪分别对同一个地震的记录来看，分别从分钟值、整点值和10Hz值，来看，数据显示越来越清晰，数据包含的内容越来越多。

这是一个2020年发生的盖州地震，记录这段波形的是抚顺木奇地震观测站。我们对这三段信号进行了频谱分析，三段信号的频谱成分基本一致，尤其是东西分量记录高频成分更多，这可能与地震波运动方向与摆体夹角相关。后续我们仍将就该问题继续研究。

思考：

至今，我国台网中心等相关部门，都没有大规模采用10Hz的数据，我有几点假设：

首先，这个数据产生是基于武汉地震仪器研究所用于仪器测试使用的，在仪器的设计生产初期，就未完全准备将其编入正式数据台网中心。

其次，10Hz的数据产生部分用途与测震数据相重叠，测震数据是50Hz采样，即0.02秒一个数据的密度，10Hz是0.1秒采集一个数据的密度，但从数据量来说，10Hz数据量是测震信号数据的五分之一，不能完全作为测震数据进行使用，一些真相较为复杂的数据进行识别时，有可能会出现不可预见的问题。

再次，作为地震系统前兆观测数据仪器，其对数据的传输和流量要求不会很高，而VP垂直摆倾斜仪产生的10Hz数据若完全进入前兆台网数据中心，无疑会增大数据传输流量，数据库等一些列問题，造成数据分析的不便等等。可能还有其他的有力证据证明VP摆的10Hz数据是“鸡肋”。

但我想说的是，这是作为管理者对地震系统整体建构的考量、判断和决策，我们无从而知，但作为地震分析预报的最前线工作人员，却有着得天独厚的岗位“特权”，那就是每每与这些数据打交道时的一种特殊的感觉，因为这就是我们时时刻刻，无时无刻不再接触的数据仪器。我们应尽我们一些可以掌握、运用的能力和方法，提高地震系统最前线工作的多样性，成为自己手里攻坚克难的有力武器。

作者简介：

商亮，1981年1月出生，男，汉族，河北省平泉县人，大学本科学历，工程师，研究方向：监测预报。

（作者单位：辽宁省抚顺地震台）