乾陵地震台地倾斜观测运行效能分析

杨晓东 张晨蕾 孙 昱 陈嘉选

（中国陕西 710068 陕西省地震局乾陵综合地震台）

0 引言

地倾斜观测可用于研究地壳形变相对变化及固体潮汐变化，探索地壳构造运动的规律，进而为分析判断地震活动趋势提供依据。因此，地倾斜观测是研究地壳形变及固体潮的重要手段之一。

乾陵地震台（以下简称乾陵台）地倾斜观测仪器有VP型宽频带垂直摆倾斜仪（以下简称垂直摆）和DSQ型水管倾斜仪（以下简称水管仪）2套仪器。一些研究者对这2类仪器间的差异进行过分析（周雯等，2020），如龚丽文等（2018）、袁曲等（2019）对2类仪器的信号特征进行过对比研究，结果表明，水管仪基线长，阻尼大，信号稳定，抗干扰能力强，振幅拟合高，多用于能量衰减分析；而垂直摆基线短，阻尼小，波谱信息丰富，在记录短周期的高频信息中具有优势，多用于时频研究。然而，在实际观测中，因地质构造、介质、电性条件、人为干扰和观测环境等方面的差异，对观测数据和仪器运行情况的认识存在不确定性。因此，通过对乾陵地震台2套仪器的对比研究，综合分析乾陵地震台地倾斜观测的运行效能，有助于将观测数据更好地服务于地震预报工作。

1 台站概况及仪器情况

乾陵地震台始建于1966年，属于国家形变Ⅰ类台，仪器安装于形变山洞内，受干扰程度较小。台基为奥陶系石灰岩，海拔高度885 m，台站地处渭河断陷盆地中段与陕北黄土高原的过渡地带。地质构造位置处于渭河断陷盆地中段与鄂尔多斯地台南缘的接触带，具体为关山—口镇断裂以南、乾县—富平断裂以北。地壳形变观测山洞长115 m，EW向长40 m，NS向长75 m，基岩完整，覆盖层厚度40 m以上，植被覆盖良好，洞内年温差≤0.3℃，观测环境较好。

乾陵地震台配备VP型垂直摆倾斜仪、DSQ型水管倾斜仪、SS-Y型伸缩仪、TJ-Ⅱ型 体应变仪等“十五”数字化形变观测仪器及1套WWY-1型气象辅助观测仪。2018年11月正式开始垂直摆观测，秒采样记录，记录数据稳定，分辨力＞0.001ms，位移传感器精度为0.000 1 μm，日漂移＜0.005 ms。水管仪自2014年1月正式架设运行，分辨率为0.000 5 ms，日漂移＜0.005 ms，采样率为1次/min。乾陵地震台垂直摆和水管仪都安装于形变山洞内，垂直摆安装于水管仪东侧观测室内，距水管仪东侧4 m。

2 观测资料分析

自垂直摆和水管仪架设以来，地倾斜观测数据的连续性和完整性均较高，选取 2019 年 7—12月观测数据进行分析。

2.1 正常记录

日波曲线记录的是地壳1天内所产生的形变量，反映了地壳1天的变化（张玉林等，2018）。对比垂直摆和水管仪的日波记录，对分析二者记录地球固体潮时的效能具有重要意义。

以2019年9月28日垂直摆、水管仪日变分钟值（图 1）为例，由图1可见，2套仪器观测曲线光滑，2个测向整体年变形态基本一致，波峰、波谷出现时间相当，固体潮清晰，噪音较小，均可以清晰、准确反应地下形变活动情况。由于垂直摆为秒采样仪器，故更容易记录到地震前断层微动态。

图1 2019 年9月28日垂直摆、水管仪测值（a）垂直摆；（b）水管仪Fig.1 Comparison of daily variation curves of the vertical pendulum and water-tube tiltmeter on September 28,2019

2.2 资料连续性、完整性

连续率、完整率是评价观测资料质量的主要指标之一。连续率指一段时间内仪器实际产出的数据总数与应产出的数据总数之比；完整率指一段时间内仪器实际产出的有用数据（也称为预处理数据）总数与应产出的数据总数之比。连续率反应观测仪器运行情况，完整率反映仪器产出数据可用情况。通常情况下，连续率大于等于完整率。

选用2019年7—12月垂直摆、水管仪观测资料，计算数据连续率和完整率，统计结果见表1。

表1 垂直摆、水管仪观测资料连续率、完整率（%）Table 1 Statistics of continuity rate and integrity rate of the observations of vertical pendulum and water tube tiltmeter

从表1可见，2套仪器平均连续率大于99.98%，平均完整率大于99.88%，数据连续性良好，且垂直摆连续率、完整率优于水管仪。

乾陵地震台垂直摆和水管仪均安装于形变山洞，受环境干扰较小，主要受人为干扰。水管仪2019年7月标定6次，10月和11月各调零1次。水管仪由于水质浑浊，标定难度加大，且水管仪调零需工作人员进洞手动调零，一般每2个月调零1次，每次进洞检修伸缩仪、水管仪及水管仪调零等都会对水管仪产生较大干扰。垂直摆2019年10月调零1次，垂直摆工作状态稳定，调零可远程网页操作，一般每半年调零1次，很少检修仪器。综合分析认为，垂直摆抗干扰性略优于水管仪，且受人为进洞活动的影响较小。

2.3 观测精度对比

固体潮观测的意义是计算实测固体潮相对于理论固体潮的偏离数值，以通过长期、连续观测获得固体潮随时间变化的信息，进而研究地球内部物性的变化及机理。取垂直摆和水管仪整点值数据，使用调和分析方法计算固体潮偏离值（吕品姬等，2010），求得潮汐因子、绝对误差、相对误差、相位滞后、相位误差等（表2、3）。

表2 2019年7—12月垂直摆调和分析Table 2 The harmonic analysis of the vertical pendulums from July to December 2019

表3 2019年7—12月水管仪调和分析Table 3 The harmonic analysis of the water-tube tiltmeter from July to December 2019

由表2可见，水管仪NS向的潮汐因子小于垂直摆，水管仪EW向的潮汐因子与垂直摆相近，且2套仪器的潮汐因子NS向均小于EW向；2套仪器潮汐因子的绝对误差和相对误差NS向均大于EW向，且水管仪潮汐因子的绝对误差、相对误差均略小于垂直摆；水管仪NS向相位滞后大于垂直摆，水管仪EW向相位滞后小于垂直摆。由表2、3可见，水管仪的观测精度略优于垂直摆，且2套仪器观测精度EW向均优于NS向。这一结论也与唐九安等（1997）一致。

2.4 日均值变化趋势相关性分析

相关系数是反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。相关系数是按积差方法计算的，以2个变量与各自平均值的离差为基础，通过2个离差相乘来反映2个变量之间相关程度。相关系数计算公式为

相关系数取值为-1—1，正负号表示相关方向，相关系数绝对值表示相关程度。r值越趋近于1，表示2组数据正相关性越强；越趋近于-1，表示2组数据负相关性越强。一般，|r|≤0.3为微弱相关；0.3＜|r|≤0.5为低度相关；0.5＜|r|≤0.80为显著相关；0.8＜|r|≤1.00为高度相关。

选用2019年7—12月垂直摆、水管仪观测数据日均值，通过mapsis地震分析预报系统，计算2套仪器观测数据间的最大相关系数（图2）。由图2可见，2套仪器观测数据间相关系数总均值约为0.900，属于高度相关；垂直摆、水管仪EW向观测数据相关性均优于 NS向。本文作者通过对乾陵台地倾斜仪器记录的地震波形进行研究发现，NS向观测数据在记录地震能力、幅度上大于EW向；NS向观测数据从记录地震到震后数据恢复的稳定时间较EW向长，在此时段内，NS向观测数据的相关系数会小于EW向，这可能是NS向观测数据相关系数整体小于EW向的主要原因。

图2 2019年7—12月垂直摆、水管仪日均值最大相关系数（a）NS向；（b）EW向Fig.2 The maximum correlation coefficient of the daily mean of the vertical pendulum and water-tube tiltmeter observations from July to December in 2019

2.5 映震能力分析

垂直摆采用秒采样，频带较宽，可以精确记录观测点地表发生地震时的倾斜变化，对各种震级地震均记录清晰，特别是近震、小震明显优于水管仪。水管仪采用分采样，在记录地震发生时的倾斜变化时不如垂直摆精确，对于5级以下较小地震记录不清晰。

选取2019年7—12月地震记录资料（表4），垂直摆共记录到88次地震，水管仪共记录到24次地震。其中，垂直摆、水管仪记录的最大震级均为7.2级；垂直摆记录最小震级为3.7级，水管仪为5.5级。垂直摆记录的地震总数、震级区间均大于水管仪。2套仪器对2019年10月31日菲律宾棉兰老岛6.6级地震的记录如图3所示。

表4 2019年7—12月地震统计Table 4 Statistics of earthquake records from July to December 2019

图3 2019年10月31日垂直摆、水管仪测值（a）、（c）垂直摆；（b）、（d）水管仪Fig.3 Seismic record curves of the vertical pendulum and water tube instrument on October 31,2019

地震记录最大响应幅度受震级、震中距和震源深度等影响；响应时间与震中距间为正比关系，震中距越大，响应时间越长；响应持续时间与震级间为正比关系，震级越大，同震持续时间越长。

通过对2套仪器5级以上典型地震事件记录进行分析发现（表5）：垂直摆的地震最大响应幅度和响应持续时间均大于水管仪。但是，随着震中距的增大，水管仪的响应时间大于垂直摆。

表5 2019年7—12月典型地震事件垂直摆、水管仪记录情况Table 5 Records of typical earthquakes from July to December in 2019

3 结束语

通过对比2019年7—12月垂直摆、水管仪的仪器参数及运行期间的观测资料，得出以下结论。

（1）在观测数据连续率、完整率方面，垂直摆优于水管仪，2套仪器平均连续率大于99.98%，完整率大于99.88%，水管仪受人为干扰影响较大，垂直摆受干扰较小。

（2）水管仪观测精度优于垂直摆，且2套仪器EW向观测精度均优于NS向。

（3）2套仪器观测数据日值相关性较强，且EW向略优于NS向。

（4）垂直摆观测频带较宽，映震效能明显高于水管仪。

综上所述，2套仪器各有优势，在地震观测中相辅相成，均为地倾斜观测不可或缺的手段。垂直摆运行状态良好，资料可靠，可以较好地用于地震监测。