同一测点多套倾斜类仪器观测资料对比分析

朱晓秋，王 琳，孙素梅，王 鹏，王宝鹏

（1.营口地震台，辽宁 营口 115000；2.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地壳形变是地震构造活动中产生的可测地球物理场之一，固体潮汐是定点形变观测中最主要的观测和检验目标。辽宁省营口地震台（以下简称营口台）是国家定点地形变观测基本台站，目前有三套倾斜类仪器同步运行，分别是SQ-70模拟水平摆倾斜仪、SSQ数字水平摆倾斜仪及DSQ数字水管倾斜仪。利用三套倾斜类仪器观测历史数据，首先从资料可用性入手，对观测数据的运行质量、仪器标定、仪器故障、干扰因素影响及远震响应等方面进行梳理。以梳理结果为基础，从潮汐参数、长趋势等方面进行分析对比，利用科学方法识别和提取变化特征，查找一致性和区别，总结同一测点的三套倾斜类仪器观测资料特征及异同关系，为辽宁及周边地区震情跟踪和研判提供科学依据。

1 台站简介

1.1 台站概况

营口台位于大石桥市官屯镇石硼峪村，距营口市30km，距大石桥市10km，距石硼峪村约1km，占有两座小山，前山海拔高度是120m，坡度大约在45°左右，在前山海拔高度85m处挖掘山洞，后山海拔高度是135m，坡度大约是20°。在地质构造上属于郯城-庐江断裂带的北延带附近，出露基岩为晚侏罗纪粗粒花岗岩[1]。营口地区属于温带大陆性季风气候，光照充足，雨量适中。年平均气温在8.5～11℃之间，1月平均气温-8.5～-1℃，七月平均气温24～25℃，年平均降水量650～700mm，无霜期165天。该地区出露的地层由西向东，由新变老，它们的次序是第四系，白垩系、侏罗系、震旦系、前震旦系。台址附近出露的基岩就是晚侏罗世粗粒花岗岩。该地区最发育的断裂是北东向断裂，它们在该区由西向东依次是高升—张家屯断裂，台安—大洼断裂，大湾—二界沟断裂，佟二堡—营口断裂，金州—鞍山断裂，青山怀—八里断裂。佟二堡—营口断裂以西几条断裂是属于郯城—庐江断裂的北延。该区发育的另一组构造是北西西向构造带，它们分别是虎皮峪背斜，三道岭—周家堡子东西向挤压带，青花峪东西向断裂带，这组构造的特点是规模小，断裂多是隐伏断裂。

营口台是综合观测台站，测震及地球物理场观测手段齐全。测震观测主要有数字宽频带测震仪及2001年与韩国合作开展数字地震观测工作；地球物理场观测项目主要包括地倾斜、地应变、地磁场及地下流体等前兆手段。营口台的前兆仪器工作状态稳定，运行正常，记录固体潮清楚，产出数据精度较高，能够准确、科学、客观地反映本地区监测范畴内的地壳形变情况。

1.2 观测规模

营口台现有的前兆观测手段有地形变、应变、地磁、流体观测等（图1）。其中数字化仪器9台套，分别是：SSQ数字水平摆倾斜仪、DSQ数字水管倾斜仪、SSY数字伸缩应变仪、YRY-4数字钻孔应变仪、FHD数字质子磁力仪、RZB-2数字钻孔应变仪、WYY-1数字气象综合测量仪、SWY-II型数字式水位仪和SZW-1A型数字式温度计；模拟记录仪器1套为SQ-70水平摆倾斜仪。数字水位仪和数字温度计目前在备用数据库中试运行，未纳入到正式数据库。

图1 营口地震台观测仪器分布图Fig.1 Distribution map of observation instruments at Yingkou Seismic Station

本文研究的三套倾斜类仪器目前都处于较为稳定的运行状态，其中SQ-70水平摆倾斜仪为模拟仪器，该仪器在1987年安装调试，运行时间久远，仪器工作稳定，观测资料可靠，并在1999年岫岩地震前的分析预报工作中起到了一定的作用。“十五”期间新增了2套数字化地倾斜类仪器，其中DSQ数字水管倾斜仪于2006年10月28号开始安装，10月29号进行技术培训、调试及标定，该仪器工作状态稳定；SSQ数字水平摆倾斜仪于2006年7月3日开始安装，7月4日开始运行并接入数据库，该仪器工作状态稳定。

2 仪器原理、架设及参数

2.1 仪器原理

DSQ数字水管倾斜仪观测基本原理是根据连通管内水面保持自然水平的原理（图2）。当连通管两端地基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对于仪器钵体发生变化，这种变化，通过浮子、位移传感器等变成电信号输出自动记录[2]。

图2 DSQ观测基本原理图Fig.2 Basic principle diagram of DSQ observation

式中Δh为倾斜变化引起的水面上升或下降的变化量，L为测线长度。采用前兆数采仪记录情况如下：

η为仪器格值（〃/mv），n为电灵敏度（mv/μm），V（mv）为观测数据。

DSQ数字水管倾斜仪优点是系统稳定性好，受环境干扰小，所以广泛应用到地球动力学、大地倾斜、固体潮观测、断层形变等观测中。缺点是对观测场地要求较高、结构相对复杂、液体介质稳定性较差等。

SSQ数字水平摆倾斜仪是用于测量地球内部运动引起地面水平向倾斜变化的一种高灵敏度仪器，当大地发生倾斜变化时，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（图3）。

图3 水平摆倾斜仪观测原理图Fig.3 Observation principle diagram of horizontal pendulum inclinometer

式中ψ为地倾斜角，η为仪器格值，ΔH为胀盒运行高差，α为胀盒常数，S为底角距离，V为观测数据。该倾斜仪的优点是灵敏度高，结构简单，对场地条件要求相对较低，其缺点是稳定性差，易受环境因素影响。

SQ-70模拟水平摆倾斜仪观测原理和SSQ数字水平摆倾斜仪一致，区别在于仪器摆端的位移采取光点记录方式呈现在相纸上。

式中ψ为地倾斜角，δ为光点偏离基线的距离（量图值），L为折合摆长，A为光杆距，T为自振周期。该倾斜仪的优点是灵敏度高，结构简单，对场地条件要求相对较低，其缺点是稳定性差，易受环境因素影响。

2.2 仪器架设

营口台观测山洞成L型，引峒30米，进深90米，覆盖厚度32米，年温差不大于0.5℃。观测洞室岩石结构相同，其间无明显断层通过，仪器基墩均为完整的花岗岩，其四周设有防振槽。台区内无明显干扰源，因距渤海较近，易受海洋潮汐的影响。三套地倾斜仪器安装在同一山洞内，并且相距较近，背景环境相同，可视为同一测点（图4）。

图4 倾斜类仪器山洞架设图Fig.4 The erection diagram of the inclined instrument cave

2.3 仪器基本参数

2.3.1 DSQ数字水管倾斜仪基本参数仪器基线长度：LEW=29.89m；LNS=29.84m；仪器方位角：λE=122.6°；φN=60.68°；αEW=91.7756°；αNS=0.51428°；

仪器水槽直径：DE=166.78mm；DW=166.73mm；DN=165.68mm；DS=165.39mm；

仪器标定棒直径：R=12mm。

2.3.2 SSQ数字水平摆倾斜仪基本参数

标定器水银胀盒系数：αNS=0.511×10-6；αEW=0.535×10-6；

底座距离：SNS=329mm；SEW=329mm；ΔH=300mm；

固有倾角（标定值）：ψNS=0.09611；ψEW=0.10062；

DWL位移传感器灵敏度：NS间隙±3.5mm；h=4.96mv/μm；EW间隙±3.0mm；h=4.91mv/μm；

传感器供电电压：±15V；

选用格值范围：ηNS=0.5×10-3/mV；ηEW=0.6×10-3/mV。

2.3.3 SQ-70模拟水平摆倾斜仪基本参数仪器格值特性常数：KNS=3.5252；KEW=3.5687；仪器选用格值范围：ηNS=1.79×10-3/mm；ηEW=2.91×10-3/mm；

仪器折合摆长：A=8.150m；

仪器方位角：αNS=-6°；

仪器自振周期：T=34s。

3 仪器运行

3.1 数据质量一般评定对比

地倾斜观测记录的突出特点就是实现连续观测，这种连续观测对地震预报中短临震兆信息的提取，地震学现象的研究，都是很重要的。因此，评定观测资料的连续率、年变幅和年零漂是资料质量控制的主要指标之一。选取三套倾斜仪2010年至2019年观测数据，对连续率、年变幅和年零漂进行数据质量一般评定，统计结果见表1，其中连续率以预处理数据（报经学科技术管理组备案的洞室、仪器改造等原因引起的缺记）为统计对象；年零漂采用日均值法计算，将年度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。

表1 观测资料一般评定统计表

通过对数据质量进行一般评定，可以看出营口台三套地倾斜仪器整体上连续率较高，两套数字化仪器均值都在99.7%以上，明显优于模拟仪器，这也反映了数字化仪器工作稳定性更好，在发生故障后也可以做到第一时间维修，有利于保证观测资料连续可靠。SQ-70模拟水平摆倾斜仪在2011年和2017年数据连续率较低，主要因为仪器在该年份多次出现记录器推动钟卡钟，仪器故障率较高造成数据缺测，并且故障不易在第一时间发现，维修周期较长，影响了数据连续率。

地倾斜观测资料的年变幅和年零漂可以记录地壳本身的倾斜变化，也可用来衡量观测仪器及其墩基的稳定程度，如墩基稳定且耦合较好则仪器零漂小，获得的观测数据精确性便高。

年变幅及年零漂，三套倾斜仪变化呈现不同的特点（图5）：

图5 三套倾斜类仪器年变幅和年零漂曲线图Fig.5 Curves of annual variation and annual zero drift of three sets of tilt instruments

（1）2010年至2012年，SSQ数字水平摆倾斜仪北南分量年变幅均值达860ms，年零漂均值达-728ms，东西分量年变幅均值达668ms，年零漂均值达-507ms，表现出高值变化，其原因为2010年5月及11月仪器数采故障，更换新数采造成数据波动较大，之后仪器经过一段时间的稳定后恢复正常工作状态；SQ-70模拟水平摆倾斜仪和DSQ数字水管倾斜仪北南分量年变幅均值分别为358ms、166ms，年零漂均值分别为154ms、136ms；东西分量年变幅均值分别为354ms、300ms，年零漂均值分别为-251ms、14ms，变化较为稳定，DSQ水管仪优于SQ-70模拟水平摆。

（2）2013年至2014年，SQ-70模拟水平摆倾斜仪、SSQ数字水平摆倾斜仪和DSQ数字水管倾斜仪北南分量年变幅均值分别为360ms、229ms、240ms；年零漂均值分别为223ms、-105ms、12ms。东西分量年变幅均值分别为，249ms、310ms、158ms；年零漂均值分别为-83ms、-174ms、-48ms，变化较为稳定，DSQ水管仪优于SSQ水平摆优于SQ-70水平摆。

（3）2015年开始，三套倾斜仪器北南分量年变幅及年零漂变化幅度再次出现高值变化，SQ-70变化最为明显，2015年年变幅及年零漂分别为690ms和666ms，2016年年变幅及年零漂分别为1121ms和1054ms，明显高于2009年至2014年359ms和188ms的均值，呈现明显加速趋势，2017年年变幅及年零漂分别为928ms和907ms，至2019年变化幅度逐渐变小，但仍高于均值水平。另两套数字倾斜仪也表现出一致的变化规律，2015年DSQ变幅度和年零漂分别为530ms和351ms，高于2009年至2014年203ms和74ms的均值；2015年SSQ年变幅度和年零漂分别为438ms和-358ms，高于2009年至2014年114ms和-53ms的均值。在此期间，三套倾斜仪器均运行正常，未出现故障或其他干扰因素，三套倾斜仪北南分量表现出较为一致的变化趋势，SQ-70变化幅度远大于其他两套数字化倾斜仪。

（4）2015年开始，三套倾斜仪器东西分量年变幅和年零漂变化水平和往年均值相当，SQ-70水平摆优于DSQ水管仪优于SSQ水平摆，并未出现与北南分量同步的变化。DSQ数字水管倾斜仪东西分量在2017年年变幅及年零漂表现出高值变化，其原因为2017年5月，更换仪器东西分量前置放大盒。SSQ数字水平摆倾斜仪东西分量在2018年年变幅及年零漂表现出高值变化，其原因为2018年6月开始数据曲线不定期出现短时间数据畸变，持续时间及畸变幅度也没有规律性，2018年7月对仪器数采进行了维修，之后仪器恢复正常工作状态。

3.2 仪器校准

校准指校对仪器使其准确。在规定条件下，为确定测量仪器或测量系统所指示的量值，或实物量值或参考物质所代表的量值，与对应的由标准所复现的量值之间关系的一组操作，是对仪器检定和检测。仪器校准是判定仪器是否正常运行的重要方法，在仪器观测系统运行中，对保持量值的准确、可靠和统一具有非常重要的作用。

在形变观测最新相关规范制度中，对倾斜类仪器年校准次数、格值误差等做了调整。要求仪器格值校准一般每年不少于2次，间隔时间不大于195天，校准时段应控制在固体潮小潮期或波峰、波谷时段。前次校准的格值误差小于2%；相邻两个月潮汐因子相差小于20%；校准过程中电压读数不得超过量程的90%；同分量格值校准重复精度≤l%；水管倾斜仪同分量两端灵敏度的一致性应优于（含）1%。校准完成后的5天内应通过“倾斜应变台站运行管理平台”填写并提交格值记录信息。

营口台三套地倾斜仪器均严格按照规范进行仪器校准工作，结果均符合要求。在实际工作中，标定过程中会出现一次标定不达标，不代表仪器出现故障，一般在进行2至3次标定即可达到要求。实际工作中还会遇到因仪器标定装置故障、标定装置齿轮卡壳等问题，导致标定持续时间较长，例如2015年DSQ标定（表2），2月4日仪器更换前置放大盒，2月5日对标定操作，第一次标定北南分量格值超差，东西分量标定结果符合要求。直到2月6日，对北南分量共进行了8次标定，才使其结果符合要求。2015年10月8日，在对DSQ进行标定时，发现仪器标定面板按键故障，参数输入错误，无法进行标定操作，上报省地震局维修中心，10月14日对面板进行更换后进行标定操作，第一次标定格值校准重复精度远远偏离规范要求，第二次标定，其结果符合要求。

表2 2015年DSQ格值校准情况统计表

启用新格值后，需要密切关注观测曲线形态，出现问题及时解决。格值标定可以保障观测仪器正常、稳定工作，产出符合要求的真实、连续、完整、可靠地观测资料，为地震研究提供基础数据。

3.3 仪器故障

经过“十五”数字化改造和网络项目建设，营口台形变观测新增了2套数字化地倾斜类仪器，分别是DSQ水管仪和SSQ水平摆，并保留了SQ-70模拟水平摆倾斜仪。数字倾斜类仪器优点是记录连续、采样率高，传输快捷及时，虽故障率高于模拟仪器，但维修周期远远小于模拟仪器。数采故障是影响仪器运行的主要因素，而仪器主体的故障较少。

常见故障基本分为公共部分故障和个体故障。公共部分如台站电源系统故障、网络系统故障。电源系统故障主要是在市电停电后，切换UPS供电，当UPS电池老化或机头故障时会造成仪器不能稳定工作甚至断电。网络系统故障主要指服务器、交换机等出现故障，最为常见的是光猫死机。雷击也是造成数字化仪器故障的主要原因，例如SSQ数字水平摆倾斜仪2010年5月29日16时54分数采遭雷击（图6），2010年6月2日10时恢复正常工作。DSQ数字水管倾斜仪2010年11月11日9时数采网卡遭雷击，12日10时更换数采网卡恢复正常工作。

图6 SSQ预处理数据畸变曲线图Fig.6 SSQpreprocessing data distortion curve

DSQ数字水管倾斜仪常见故障为数采故障和前置放大盒故障，2018年11月27日对仪器进行标定，数据不稳，无规律变化，标定结果不符合要求，疑似仪器数采标定控制部分故障，上报省局维修中心，11月28日更换数采和主机后恢复正常工作。2015年仪器数据噪声明显增大，2月4日14时对仪器前置放大盒进行检修，拆除其前端避雷装置数据仍不见好转，5日8时更换前置放大盒后数采恢复正常工作。数字水平摆2015年7月3日数采遭雷击，维修后数采基本可以正常工作，但会经常出现短时间的故障情况，故障主要表现为数据的突跳和小幅度的台阶，并且持续时间不长，不会对数据的变化趋势性造成较大影响。我们对仪器进行了比较全面的检查，并且和省局维修中心进行了报告，分析认为该仪器的数采和电源部分存在问题，之后对该仪器进行了必要的维护，但由于相关备件缺乏，很难从根本上解决问题。目前全国该型号水平摆在运行中都有同样的问题存在。

SQ-70水平摆倾斜仪属于模拟仪器，结构上相比较数字化仪器简单很多，故障问题也比较单一，其主要原因就是仪器记录滚筒推动钟故障，光源灯和时号等故障偶有发生。2017年仪器因推动钟故障全年累计断记达590小时，严重影响数据完整率。近几年，SQ-70模拟水平摆倾斜仪运行故障率较高，主要故障表现为记录器推动钟故障及光源灯故障，该仪器上下相纸周期为5天，对于出现的故障很难第一时间发现，因此造成断记较多。目前记录器推动钟的备用件已经全部使用完毕，正在运行的推动钟也处于故障状态，经常不规律出现卡钟问题，只能根据经验采取人为轻轻拍打或旋转记录滚筒的保守方法缓解卡钟问题。

3.4 仪器干扰

营口台三套倾斜类观测仪器日常运行中主要受自然环境干扰和人为干扰影响。

自然环境影响主要为气压影响、强降雨干扰及雷电天气等，主要表现为同步的数据畸变，并在短时间能恢复正常变化，下面对几种典型情况进行说明。

降雨干扰在地震形变前兆观测中是比较典型且普遍的干扰现象，干扰主要表现为转折性和短时间趋势性加速变化，原因为山洞表面积渗水后，渗透至山洞内仪器主墩及过渡带附近，降低了岩石的抗压强度和屈服力，导致岩石压力和应变发生变化。每年7月至9月雨季，营口台SQ-70模拟水平摆倾斜仪数据曲线都会发生加速变化。从图7可以看出，仪器曲线加速变化非常明显，每年进入雨季后，都会受降雨影响，数据曲线会出现一个明显加速变化。

图7 SQ-70整点值曲线和降雨曲线对比图Fig.7 SQ-70 whole point value curve and rainfall curve comparison diagram

雷电干扰主要是数字化仪器的数据采集系统比较灵敏，在受到较近的雷电干扰时会出现自动保护或雷击的情况，数据主要表现为突跳点较多，个别事件会出现小幅台阶，比较容易识别和处理。2017年7月14日，SSQ数字水平摆倾斜仪受雷电干扰影响，数据同步出现尖峰及畸变；2018年7月6日，DSQ数字水管仪倾斜仪北南分量受雷电干扰影响，数据同步出现尖峰及畸变，同一仪器的东西分量没受到雷电干扰，数据曲线变化正常（图8）。

图8 SSQ和DSQ记录雷电干扰数据曲线图Fig.8 SSQ and DSQ record lightning interference data curve

气压干扰对营口台前兆观测资料影响比较容易识别，而且气压干扰影响范围比较广，特点是异常持续时间较短，观测资料畸变形态与气压变化基本同步，待气压影响结束后数据曲线形态随即恢复，一般不会出现长时间的趋势性影响。

人为干扰事件主要包括检修仪器、山洞进人干扰、调零及标定等多种情况。该干扰情况都可以找出准确因果对应关系，因此比较容易分析处理。营口台日常工作中主要人为干扰事件为山洞进人对仪器进行维修、标定、校准及SQ-70模拟水平摆倾斜仪换纸。营口台水管仪与伸缩仪放置于同一摆墩，因此对单个仪器进行维修、标定、校准等操作时，另外一台仪器会受到比较明显影响。该异常特征主要表现为错误数据及台阶变化，易识别处理。SQ-70模拟水平摆倾斜仪换纸周期为5天，每次工作人员出入山洞时。数字水管仪都会有数据突跳记录，该异常特征明显，时间点与山洞出入人员同步，数据表现为单点突跳，易识别处理。

3.5 同震响应

倾斜类仪器记录地震事件主要表现为仪器数据曲线的同震响应。营口台数字水管仪与数字水平摆是记录地震同震响应比较清晰的仪器，这种响应是以高频振荡衰减的形式叠加在所记录的固体潮曲线上（图9）。地震激发起的震荡时间与震级成正比关系，震级越大，震荡时间越长。对于同一个地震，一般数字水平摆的响应幅度大于数字水管仪，这与数字水平摆的阻尼较小有关系；对于同一台仪器，响应幅度和震荡时间与震级成正比关系。

图9 SSQ和DSQ记录地震曲线图Fig.9 SSQ and DSQ recorded seismic curves

营口台测点5数字水平摆倾斜仪SSQ北南和东西分量，2018年1月10日11时05分至15时05分记录到1月10日10时51分洪都拉斯以北地区（83.50°W，17.38°N）7.5级地震，震源深度12公里，震中距13037公里。变化幅度NS=41.20ms，EW=346.94ms。

营口台测点1水管倾斜仪DSQ北南和东西分量，2018年1月10日11时05分至14时40分记录到1月10日10时51分洪都拉斯以北地区（83.50°W，17.38°N）7.5级地震，震源深度12公里，震中距13037公里。变化幅度NS=31.82ms，EW=59.49ms。

4 观测资料质量

4.1 潮汐分析

4.1.1 Venedikov调和分析方法

1966年，维尼狄可夫提出了基于计算机技术的数字滤波器，提取潮汐观测中的分波信息，从而对固体潮资料进行调和分析，被称为Venedikov调和分析方法。

其基本原理为设t时刻的观测值是由不同周期的潮汐波叠加而成并随时间的变化的量。

其中，t是自T时起算的以小时表示的时间；T是t为0的时间；y（t）是t时刻的观测值；An是第n个潮波的观测振幅；ωn是第n个潮波的角频率；φn是第n个潮波的T时刻的初相位；D（t）是t时刻的仪器零漂。

对观测序列进行数字滤波及回归分析，得到主要潮波的观测振幅An和相位φn，与相应的理论振幅之比是反映区域介质弹性性质的潮汐因子（γ，δ，α），与相应的理论相位之差则是反映介质粘滞性的相位滞后Δφ，即：潮汐因子=（观测振幅An）/（理论振幅An）；Δφ=（观测相位φn）/（理论相位φn）。

4.1.2 计算结果及分析

使用中国地震前兆台网数据处理系统和EIS200软件[4]，对三套倾斜仪2010至2019年观测数据进行固体潮调和分析计算（表3）。考虑到半日波（M2）受干扰小，精度高，可靠性较好，故主要分析和研究了半日波的主要潮汐参数。

表3 主要潮汐参数统计表

据形变学科组对倾斜观测资料观测精度评定的要求，选取倾斜固体潮汐因子均方差mγ、相对噪声水平Ml两种指标作为判定倾斜类仪器观测精度的标准。

（1）潮汐因子均方差mγ

从表3中我们发现，SQ-70模拟水平摆倾斜仪2017年和2018年潮汐因子均方差mγ出现明显高值，其主要因为该时间段仪器频繁出现故障问题，我们根据仪器运行状态，考虑其数据误差带来的影响，对2017年和2018年潮汐因子均方差进行了人为地归算。

图10 潮汐因子均方差统计图Fig.10 Mean square error statistics of tide factor

2011年SQ-70模拟水平摆倾斜仪潮汐因子均方差也出现了一个相对高值变化，其原因也是因为该年仪器出现故障问题。从仪器的数据完整率上我们也可以看出，2011年、2017年及2018年，仪器数据连续率分别是92.3%、91.8%和97.9%。而该仪器年均完整率可达到99.5%以上。三套倾斜类仪器的潮汐因子均方差年均值在0.010至0.018之间变化，其观测资料精度达到小于0.02的优秀标准，DSQ数字水管倾斜仪观测精度优于SSQ数字水平摆倾斜仪优于SQ-70模拟水平摆倾斜仪。

（2）相对噪声水平M1

使用2010至2019年观测资料，计算三套仪器6个分量日均值、五日均值标准差及平均值，计算结果列于下表。由表4可见，从三套倾斜类仪器的相对噪声水平M1年均值看，其观测资料精度都可达到小于0.02″的优秀标准，用日均值与五日均值计算的标准差结果相差一个数量级，日均值好于五日均值。相同仪器两分量比较（图11），SQ-70东西分量优于北南分量；SSQ北南分量优于东西分量；DSQ北南分量优于东西分量。不同仪器相同分量对比，DSQ北南优于SSQ北南优于SQ-70北南；SSQ东西优于SQ-70东西优于DSQ东西。

图11 三套倾斜类仪器噪声水平统计图Fig.11 Noise level statistics of three sets of tilt instruments

表4 噪声水平统计表

（3）潮汐因子及相位滞后

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，使用中国地震前兆台网数据处理系统，计算M2波潮汐因子和相位滞后（表3）。对于M2波潮汐因子，三套仪器变化都非常稳定，相同仪器两分量比较，北南分量明显好于东西分量。不同仪器相同分量比较，DSQ北南潮汐因子均值0.663566，最接近于理论值，SQ-70北南潮汐因子均值0.449934和SSQ北南潮汐因子均值0.417713比较接近；SQ-70东西潮汐因子均值1.319589与SSQ东西潮汐因子均值1.289313及DSQ东西潮汐因子均值1.302539较为接近。东西分量潮汐因子较大，和台站西面靠近海岸线有很大关系。对于M2波相位滞后，三套仪器变化都非常稳定，相同仪器两分量比较，北南分量明显大于东西分量。不同仪器相同分量比较，DSQ北南相位滞后均值在47°大于SSQ的均值35°大于SQ-70均值27°；三套仪器东西相位滞后均值基本都在均值-15°左右变化，较为一致。

图12 三套倾斜类仪器潮汐因子和相位滞后统计图Fig.12 The tidal factor and phase lag statistics of three sets of tilt instruments

5 趋势对比分析

5.1 长期变化形态不一致

选取2010至2019年整点值数据，对比分析三套仪器两分量整点值曲线图（图13），北南分量变化趋势区别较大，东西分量基本一致。为了方便对比，我们以SQ-70为数据曲线为基准，分别与两套数字化倾斜仪进行对比。

图13 三套倾斜类仪器2010—2019年原始记录曲线整点值对比图Fig.13 Comparison of the integral point values of the original record curves of three sets of tilt instruments from 2010 to 2019

通过对比SQ-70和SSQ整点值数据曲线，我们可以看出，两套仪器北南分量趋势变化呈明显的反向变化趋势，既SQ-70北倾变化，SSQ南倾变化；东西分量都为西倾变化，趋势变化一致。两套仪器都表现出一定的年变规律，但在长趋势对比下并不明显。

通过对比SQ-70和DSQ整点值数据曲线，我们可以看出，两分量变化基本一致，即北南分量北倾趋势变化，东西分量西倾趋势变化。从年变规律上看，SQ-70模拟水平摆倾斜仪较清晰，DSQ数字水管倾斜仪年变规律不十分明显，这和其故障维修情况较多有一定关系。

形变仪器趋势性倾向变化有可能是仪器本身的零漂及受山洞内气温、气压的影响，观测墩基的逐渐稳定过程，同时也应该记录着监测范围内地壳本身的倾斜变化。营口台SQ-70模拟水平摆倾斜仪2013年9月开始，数据北南分量打破年变规律，年变幅度增大，北倾加速异常。如此明显可是地倾斜异常信息为什么数与字倾斜仪记录不同步？安装在同一测点的SQ-70和SSQ为什么北南分量倾向会不一致？

图14 2010—2019年SQ-70、SSQ、DSQ整点值曲线对比图Fig.14 Comparison chart of the whole point value curve of SQ-70,SSQ,DSQfrom 2010 to 2019

5.2 短期变化形态不一致

我们随机选取了2019年12月11日至12月15日，大潮时间段的三套倾斜仪整点值数据，将三套倾斜仪北南分量5日固体潮曲线进行对比，发现SQ-70和DSQ固体潮周期变化较为一致，但SSQ与其固体潮形态不一致。

图15 2019年12月11日至15日SQ-70、SSQ、DSQ北南分量整点值曲线Fig.15 Hourly value curve of SQ-70,SSQ,DSQ North-South component from December 11 to 15,2019

通过SSQ和SQ-70两套仪器北南分量2019年观测数据整点值相关性计算，得到北南分量的相关系数均值为-0.94，负相关明显。是什么原因造成的？是仪器传感器不同还是仪器数采原因造成的呢？

图16 2019年SQ-70、SSQ NS分量整点值曲线和相关系数曲线Fig.16 SQ-70,SSQ 2019 NScomponent integral point value curve and correlation coefficient curve

5.3 对同一应力瞬时的变化反应不一致

降雨对定点形变观测的影响是常见的，尤其是持续性强降雨对山洞周围产生瞬时应力变化和累积降雨量荷载，对地倾斜观测造成短时间内的趋势性变化。理论上持续性强降雨对地倾斜仪器的影响具有时间上同步，阶变方向一致且幅度相当的特点。

图17 2018年SQ-70、SSQ北南分量整点值和降雨量曲线Fig.17 The whole point value and rainfall curve of SQ-70 and SSQnorth-south component in 2018

2018年8月14日营口台台区内发生强降雨，降雨量达122.2mm，8月20日再次降雨，降雨量达48.3mm，连续降雨对山洞内倾斜仪器造成明显影响，SQ-70和SSQ受两次强降雨影响，记录曲线发生阶变，在时间上同步；SQ-70阶变幅度为425ms，SSQ阶变幅度为-169ms，SQ-70阶变幅度为SSQ的2.5倍；阶变方向不一致，SSQ为向下变化，SQ-70为向上变化，数据恢复时间在一周左右。

5.4 不一致原因讨论

SSQ仪器运行稳定，故障问题较少，和另两套倾斜仪长期趋势和短期固体潮变化成明显的反向规律，这应该是仪器数据在产生过程中造成的。我们对仪器的摆体部分、数据传输和数采工作状态进行了检查，同时查看了仪器安装报告和安装指南。

图18 SSQ摆体（a），接线盒(b)，数采端（c）Fig.18 SSQ pendulum body（a），junction box（b），data acquisition terminal（c）

仪器摆体安装在墩基上，安装方位准确，摆体上的数据线通过接线盒连接至数采端，接线盒上有明显的SN，EW标识，数采端接收的数据分别为SN向和EW向。也就是说，SSQ两分量数据的实际输出值，不应是我们常规理解的北南分量和东西分量，实际应为南北分量和东西分量，体现在数据曲线图上应为指上为南/东，指下为北/西。

对于上述情况，我们也咨询了学科组和仪器维护方面的专家，得到了两点认识：仪器在设计时，产生的数据记录都是一种相对变化量，因此向上为北或南都是相对的；仪器在安装初期，由于标准不完全统一，有可能造成摆系输出时方向不同。所以在使用营口台SSQ数据进行对比分析时，要将数据曲线反转为上北方向。

通过SSQ和SQ-70，2010年至2019年整点值数据同向对比（图19），可以看出随季节变化的年周期动态，有明显的同步峰谷变化；线性的趋势动态也比较一致，都表现出一定速率的北倾变化。

图19 2010年至2019年SQ-70和SSQ（反向坐标）整点值曲线Fig.19 The whole point value curve of SQ-70 and SSQ（reverse coordinate）from 2010 to 2019

图20 SQ-70和SSQ 2016年两分量整点值曲线图Fig.20 The two-component integral point value curve of SQ-70 and SSQ in 2016

我们选取SQ-70和SSQ运行稳定、无维修故障记录的2016年整点值数据曲线做对比分析，可以看出，两套仪器北南和东西分量数据曲线趋势有较好的一致性，北南分量每年1月至4月平缓北倾变化，5月份开始同步加速北倾变化，进入9月份曲线变化开始转南倾。东西分量每年1月至4月西倾变化，5月份开始转向东倾平缓变化。年变幅度和年零漂SQ-70大于SSQ。

图21 SQ-70和DSQ 2013年两分量整点值曲线图Fig.21 The two-component integral point value curve of SQ-70 and DSQ in 2013

同样，我们选取SQ-70模拟水平摆倾斜仪和DSQ数字水管倾斜仪运行稳定，无维修故障记录的2013年整点值数据曲线做对比分析，可以看出，两套仪器东西分量有较好的一致性，每年1月至10月平缓西倾变化，11月份开始平缓转为东倾变化；北南分量变化有一定的差异，两套仪器趋势走向一致，都表现出了明显的年变周期特征。年变幅度和年飘零SQ-70大于DSQ。

6 结论

对比分析表明，营口台三套倾斜仪连续率均值高于99.5%。固体潮汐因子均方差mγ不大于0.02，相对噪声水平Ml不大于0.02″，达到形变台I类标准。

（1）仪器性能对比：三套仪器M2波潮汐因子变化都非常稳定，相同仪器两分量比较，北南分量明显好于东西分量。不同仪器相同分量比较，DSQ北南潮汐因子均值0.663566，最接近于理论值，东西分量潮汐因子较大，和台站西面靠近海岸线有很大关系；三套倾斜仪的年变幅和年零漂趋势变化较为一致，SQ-70年变幅和年零漂最大，其次为SSQ，DSQ最小；仪器校准，故障、干扰和同震方面由于仪器性能的差异，造成变化特点不同。综合精度和稳定性方面，DSQ最好，SSQ次之，SQ-70最低。

（2）仪器趋势对比：通过地倾斜的趋势分析及表明，三套仪器的观测结果是基本一致的，都表现出了随季节变化的年周期动态，有明显的同步峰谷变化，北南分量都表现出一定速率的北倾变化，东西分量表现出一定速率的西倾变化。SSQ和SQ-70线性的趋势比较一致，DSQ东西分量趋势变化一致性较差，和其故障维修情况较多有一定关系，综合认为三套倾斜仪都能够较好地反映监测区域大地倾斜的变化特征。

（3）随着台站改革工作的推进，地震台在保证产出及时准确可靠的观测资料这个核心任务的同时，科研工作的地位日益凸显，但工作人员有时往往局限于数据应用方面的研究，和老一辈地震工作者相比，我们对于仪器的安装过程、工作原理和故障的排查维修方面的能力差距较大，这是在以后的工作中急需要提高的一个重要方面。