溫度對數字石英水平擺傾斜儀觀測資料的影響

王曉蕾劉 超谷國梁徐小遠張雋威方燕勛1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所2）中國天津300201天津市地震局3）中國北京100036中國地震局地震預測研究所4）中國浙江313000湖州地震臺

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溫度對數字石英水平擺傾斜儀觀測資料的影響

王曉蕾1), 2)劉 超3)谷國梁2)徐小遠2)張雋威2)方燕勛4)
1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所2）中國天津300201天津市地震局3）中國北京100036中國地震局地震預測研究所4）中國浙江313000湖州地震臺

摘要以數字石英水平擺傾斜儀為研究對象，通過溫度實驗和地震臺站觀測，分析溫度對水平擺傾斜儀輸出信號的影響，從定量角度給出其影響頻段，分析表明，溫度對長周期地震觀測儀器的影響是普遍存在且不可忽略的，開展溫度對地震觀測資料影響的定量研究，有助于科學評價觀測儀器溫度效應。

關鍵詞溫度實驗；數字石英水平擺傾斜儀；溫度效應

0 引言

長周期地震觀測儀器的廣泛應用，對地震臺站觀測環境提出更為苛刻的要求（中國地震局監測預報司，2003）。其中溫度因素一直是地震觀測學家關注的熱點，溫度對地震觀測等精密測量儀器的材料性能、元件等參數的影響是普遍存在、不可忽視的（Jens Havskov，2007）。郭金華等（2003）、謝劍波等（2007）就溫度對觀測數據的影響做了相關觀測實驗與分析。《地震觀測儀器進網技術要求》對地殼形變觀測儀——傾斜儀（中國地震局，2008）的山洞測試環境明確要求：日溫差不大于0.03℃。

對于形變觀測儀器，觀測記錄數據應該扣掉固體潮及儀器溫度飄移等影響觀測的擾動成分，才能辨別是否為真正的形變異常，通常異常也是一個微小的觀測量。因此，減小溫度漂移等擾動影響對儀器的真正觀測量尤為重要。在地震臺站實際運行中，大部分儀器的觀測效果和數據質量依賴于臺站環境參數，目前觀測數據并未扣除溫度影響。溫度對觀測儀器的影響大多停留在定性認識，從定量角度開展研究較少。

SSQ-2I型數字傳輸石英水平擺傾斜儀是用于測量地球內部運動引起地面水平向傾斜變化的一種高靈敏度儀器，水平擺觀測是進行地震前兆觀測的重要手段之一。本文通過實驗室測試和地震臺站觀測實驗，初步定量分析溫度對石英水平擺傾斜儀的影響。

1 溫度變化影響

1.1 測試方法

選擇中國地震局地震預測研究所地震觀測技術研究中心的低噪聲、無強震動、具有良好保溫效果的溫控測試實驗室，于2010年12月1日至2011年1月31日進行溫度對石英水平擺傾斜儀影響的靜態測試實驗，圖1為實驗示意圖。圖中1號和2號為兩套工作正常的同型號石英水平擺傾斜儀，置于溫度箱內，靠近側壁，緊靠、并擺、同方位角擺放。經校準，使得兩擺在合理誤差范圍內具有相同初始實驗狀態，以滿足對比觀測要求。兩臺水平擺傾斜儀輸出端與數據采集器EDAS-24GN輸入端相連接，設置采樣率為1 Hz，將數據采集器放置在溫度箱外，利用GPS保證數據采集器各通道時間的一致性。

圖1　數字石英水平擺傾斜儀比測實驗及實驗溫控箱Fig.1 Contrasting observation of horizontal pendulum tiltmeters and the temperature-control room

實驗過程中，依次設定降溫過程溫度點：0℃、-5℃、-10℃；降溫完成后，從-10℃開始設定升溫過程溫度點：-10℃、0℃、5℃。實驗要求，溫度達到設定點后關閉控溫裝置，經1—2 h靜置，待溫度場平衡后，分別讀取水平擺傾斜儀1號和2號輸出電壓。

1.2 溫度變化對石英水平擺輸出影響

整理對比觀測實驗數據，見表1，利用Matlab軟件編程繪制被測地震計3通道靈敏度溫度特性曲線，見圖2。設1號、2號數字石英水平擺輸出分別為Y1、Y2，單位：10-3″。由表1粗略估計溫度變化與石英水平擺輸出變化量的關系，見表2。

表1　水平擺溫度測試數據Table 1 Experimental data of temperature effects on the horizontal pendulum tiltmeter

表2　溫度變化對石英水平擺輸出影響估算Table 2 The estimation of temperature effect on the horizontal pendulum telemeter

實驗分析表明：1號和2號石英水平擺均存在溫漂現象，兩臺被測儀器隨溫度升高的變化趨勢具有一致性，且儀器溫漂系數存在個體差異性；該實驗中，溫度變化對石英水平擺輸出影響在102量級水平（圖2）。

圖2　1號和2號石英水平擺輸出隨溫度變化曲線Fig.2 Output signal of pendulum tiltmeter No.1 and No.2 with the temperature change

2 臺站觀測實驗分析

2.1 臺站觀測實驗

高質量的地震臺站觀測數據具有較高的研究價值，在此研究溫度對石英水平擺傾斜儀輸出信號的影響。2011年4月至2012年12月，選擇浙江省湖州地震臺水平擺傾斜儀觀測洞室，進行寬頻地震計BBVS-120、石英水平擺傾斜儀同臺墩觀測實驗，見圖3。其中，低溫漂、分辨力達到0.001℃的精密測溫電路板已改裝到BBVS-120機殼內部，并通過數據采集器EDAS-24GN獲取測溫數據。實驗獲得地震計輸出信號（VBB）、地震計加速度輸出（VLP，零點監控信號）、BBVS-120內部同步高分辨溫度數據、同臺墩數字石英水平擺傾斜儀輸出信號，采樣率均為1 Hz。

圖3　湖州地震臺觀測實驗Fig.3 Observation experiment at Huzhou Seismic Station

取湖州地震臺觀測數據，獲取溫度信號和臺基噪聲，見圖4。明顯可見，溫度信號噪聲分辨率達0.05%，即測溫分辨達0.000 5℃，電路設計滿足0.001℃測溫分辨率的設計要求；從臺基噪聲分析可知，地震計BBVS-120在臺站觀測實驗期間工作正常。

取湖州地震臺2011年7月1日至7月4日東西向秒采樣觀測實驗數據，在Matlab環境下，編程得到石英水平擺傾斜儀東西向（EW）潮汐曲線，并將曲線的毛刺處尖峰局部信號放大，見圖5，展示了較為光滑的東西向固體潮曲線，毛刺放大圖顯示其周期約12.6 s，為擺體自身諧振周期，毛刺為地震發生造成，顯示石英水平擺具有較高的靈敏度。

2.2 頻域角度分析

引入相干函數分析方法，研究數字石英水平擺傾斜儀輸出信號與溫度變化之間的關系。相干函數Cxy(ω)為0—1的實數，用于檢測信號x(t)和y(t)在頻域內的相關程度。嘗試從溫度信號和石英水平擺傾斜儀輸出信號相干性分析，得出溫度對石英水平擺傾斜儀輸出信號影響的頻段范圍。

圖4　湖州地震臺實驗溫度及臺基噪聲曲線Fig.4 The curves of experimental temperature and noise of Huzhou Seismic Station

圖5　數字石英水平擺傾斜儀輸出信號(a)秒值變化曲線；(b)尖峰局部放大Fig.5 Output signal of digital quartz horizontal pendulum tiltmeter

取湖州地震臺2011年7月1日00時至01時實驗數據，在Matlab環境下，編程得到溫度信號和石英水平擺傾斜儀東西向（EW）、南北向（NS）輸出信號相干函數曲線，見圖6。由圖6可知，水平擺傾斜儀輸出信號與溫度信號在0.004—0.05 Hz頻帶內具有較好的相關性。該分析表明，溫度對石英水平擺傾斜儀輸出信號的影響確實存在，且不可忽略。

該臺站實驗數據分析結果表明，在0.004—0.05 Hz頻帶內，溫度是水平擺傾斜儀輸出信號的主要影響因素，可以進一步研究溫度對水平擺傾斜儀輸出信號的影響量級。

圖6　溫度和石英水平擺傾斜儀輸出信號相干函數曲線Fig.6 The coherence function curve of temperature signal and quartz horizontal pendulum tiltmeter’s output signal of East-West (EW) and North-South (NS)

在 ＞100 s的頻段范圍內，定義石英水平擺輸出量對溫度的靈敏度為ST，功率譜估計為ST(ω)，評價溫度變化對數字石英水平擺輸出信號的影響水平。分析可知，此頻段內溫度變化信號可以看作石英水平擺輸出的主要信號源，根據系統輸出功率譜相關定義，可知

其中Pax(ω)為數字石英水平擺地傾斜量功率譜估計，PT(ω)為溫度變化信號功率譜估計。

取2011年7月3日00:00—23:59數據，在Matlab環境下，根據公式（1）編程處理，得到石英水平北南向（NS）、東西向（EW）輸出信號對溫度的靈敏度幅頻特性曲線，并將大于100 s頻段的曲線列出，見圖7。圖中，NS向、EW向輸出對溫度的靈敏度系數，在頻率0.079 Hz左右（即12.6 s）存在尖峰，該頻率點不在本研究討論的頻率范圍內，推測該尖峰由非溫度因素引起。

圖7　石英水平擺輸出信號對溫度變化的靈敏度功率譜估計Fig.7 The spectral estimation of the temperature effect on the quartz horizontal pendulum tiltmeter’s output signal of East-West (EW), and North-South (NS)

統計石英水平擺EW向輸出信號對溫度變化的靈敏度系數分別在10-4—10-2Hz頻段的取值范圍，見表3。

表3　ST(ω)在0.000 1—0.01 Hz頻段的取值Table 2 Effect of temperature on the horizontal pendulum telemeter in frequency range of 0.000 1—0.01 Hz

實驗數據分析表明，溫度對數字石英水平擺輸出信號的影響水平，在10-3—10-2Hz頻段范圍內，取值在103（10-3″/℃）量級水平上；在10-4—10-3Hz頻段范圍內，取值在102（10-3″/℃）量級上。該分析結果與本文標題1.2分析結果一致，即臺站觀測數據與實驗室溫度實驗數據的分析結果一致。

3 結論

綜上所述，溫度對石英水平擺傾斜儀的影響確實存在，且不可忽略。通過分析可以得出以下結論：①在 ＞100 s頻帶內，溫度是水平擺傾斜儀輸出信號的主要影響因素；②在102—103s（＜1 h）頻帶內，溫度變化對水平擺傾斜儀輸出信號影響在103（10-3″/℃）量級水平；③在103—104s（＞1 h）頻帶內，溫度變化對水平擺傾斜儀輸出信號影響在102（10-3″/℃）量級水平。即周期為103—104s的溫度變化信號，溫度變化0.01℃，可能引起數字石英水平擺1—9（10-3″）的誤差，周期為102—103s的溫度擾動信號，溫度變化0.01℃，可能引起數字石英水平擺10—99（10-3″）的誤差。印證了中國地震局在《地震觀測儀器進網技術要求》中關于地殼形變觀測儀——傾斜儀（中國地震局，2008）的山洞測試環境明確要求：日溫差不大于0.03℃。

由于地震觀測系統大量引入寬頻觀測儀器，使得現代地震主要是慢變量觀測，因此對溫度影響參量的評估比較有意義。開展溫度、氣壓等環境因素對地震觀測資料影響的研究，有利于提高地震觀測技術人員對觀測儀器工作狀態、觀測數據質量的認識水平以及對震兆異常資料的識別水平。

參考文獻

郭金華，劉寧，池建軍. 臺站環境實時監測的重要性及其作用[J]. 地震地磁觀測與研究，2003，24（3）：81-86.

謝劍波，何壽清，等. 寬頻帶地震計的安裝[J]. 地震地磁觀測與研究，2007，28(1)：57-62.

中國地震局監測預報司. 數字地震觀測技術[M]. 北京：地震出版社，2003：1-2.

中國地震局. 地震觀測儀器進網技術要求——地殼形變觀測儀：傾斜儀[S]. 北京：地震出版社，2008.

Jens Havskov, Gerardo Algvacil著，趙仲和，趙建和譯. 地震觀測技術與儀器[M]. 北京：地震出版社，2007.

Effect of temperature on observation data of digital quartz horizontal pendulum tiltmeter

Wang Xiaolei1), 2)，Liu Chao3)，Gu Guoliang2)，Xu Xiaoyuan2)，Zhang Junwei2)and Fang Yanxun4)
1) Institute of Geophysics，China Earthquake Administration， Beijing 100081， China 2) Earthquake administration of Tianjin Municipality， Tianjin 300201， China 3) Institute of Earthquake Science， China Earthquake Administration， Beijing 100036， China 4) Huzhou Seismic Station， Zhejiang Province 313000， China

Abstract

In this paper， we take the digital quartz horizontal pendulum tiltmeter as the research object. Through analysis of the experimental and station observation data， we get the influence of temperature on output signal of the horizontal pendulum tiltmeter. And we quantitatively study the effect of temperature on the frequency band range of the horizontal pendulum tiltmeter’s output signal. The results show that the effect of temperature on long period seismic observation instrument is universal and cannot be ignored. Continuous research on the effect of temperature on the seismic observation data will help us evaluate the temperature effect of the observation instrument more scienti fi cally.

Key words：temperature experiment，digital quartz horizontal pendulum tiltmeter，temperature effect

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 016

基金項目：天津地震局青年基金（20131009）和2014年度地震應急青年重點任務（CEA_EDEM-201401）共同資助

作者簡介：王曉蕾（1985—），女，中國地震局地球物理研究所在職博士，目前就職于天津地震局濱海地震臺，工程師，主要從事地震觀測研究工作。E-mail：tjuwangxiaolei@163.com

本文收到日期：2014-10-29