海拉爾地震臺SSQ-2I水平擺與VP垂直擺觀測數據對比分析

申影 王怡 堵偉鵬

（中國呼和浩特 010010 內蒙古自治區地震局）

0 引言

地傾斜觀測的目的是研究地殼形變垂直的相對運動和固體潮汐的動態變化，傾斜觀測可為地球固體潮汐、地殼巖石性質、地球參數等研究提供科學數據。地傾斜觀測所用的固定擺傾斜儀主要分為垂直擺傾斜儀、水平擺傾斜儀。SSQ-2I 型數字石英水平擺（以下簡稱SSQ-2I 水平擺）是用于測量地傾斜變化的一種高靈敏度儀器，具有準確度高、抗干擾能力強、長期穩定性好等優點，適用于固定臺站長期連續觀測地面緩慢的傾斜變化。SSQ-2I水平擺采用石英水平擺接受地面傾斜信號，當地面發生傾斜時，擺桿繞旋轉軸偏轉，通過電渦流傳感器將擺端的位移信號轉變為電信號。VP 型垂直擺傾斜儀（以下簡稱VP 垂直擺）運用擺的鉛錘原理，其原理比水平擺傾斜儀簡單。擺系在沒有振動的條件下處于相對鉛錘狀態，當地面發生微量傾斜變化時，平衡位置相對產生變化，通過傳感器將位移信號轉換為電信號并加以放大。VP 垂直擺是在VS 垂直擺傾斜儀基礎之上研發的新型地震前兆觀測設備，其優于千分之一角秒的分辨率和拓寬的頻帶不但滿足了對地傾斜固體潮的觀測，而且使其也能記錄到緩慢地震和長周期地震等更多的地震信息。2 套儀器的主要技術指標如表1 所示。

表1 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺主要技術指標Table 1 Main technical indicators of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

針對2 套擺式傾斜儀儀器效能的對比分析已有相關研究。高明智等（2016）從干擾因素、連續性、穩定性、觀測精度、映震能力等方面進行了對比分析；曹白倫等（2020）從數據形態特征分析、數據可靠性等方面進行對比分析；趙倩等（2016）從頻譜特征等方面進行分析。本文擬對2018—2020 年海拉爾地震臺SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺觀測數據進行對比分析，綜合評價2 套儀器的效能，以期為呼倫貝爾市及周邊地區地震分析預測工作提供基礎數據。

1 臺站簡介

海拉爾地震臺位于內蒙古自治區東部呼倫貝爾市海拉爾區的西北郊。距濱洲鐵路4.0 km，距301 國道1.1 km，海拔高度610 m。臺站利用原采石場舊址建臺，地震觀測專用山洞總長85 m。臺址附近斷層較發育，有EW 向的海拉爾斷裂、NW 向的南屯斷裂及與之交匯的NE 向斷裂。巖性屬中生代侏羅紀安山巖。根據氣象記錄，冬季1 月份最低氣溫可達零下45℃，夏季8 月份最高氣溫可達零上37℃。每年的5 月底至9 月底為無霜期，當地氣候干燥、多風。山洞內溫度為4℃，年溫差小于0.1℃，觀測環境穩定。海拉爾地震臺SSQ-2I 水平擺于“十五”期間安裝，自2006 年運行至今，儀器運行穩定，記錄固體潮清晰穩定。VP 垂直擺自2017 年安裝運行至今，數據逐漸趨于穩定，觀測精度逐漸提高。2 套儀器架設在同一洞室內，相距不足5 m。

2 觀測資料對比分析

2.1 觀測資料的連續性

評定地傾斜觀測資料的連續率和完整率是資料質量控制的主要指標之一。觀測資料的連續率N計算公式為

海拉爾地震臺觀測山洞內安裝有UPS 及二級防雷器，遇市電斷電及雷電時，可保證洞室內儀器連續供電30 min 以上，為值班人員啟動發電機提供充足時間。表2 為SSQ-2I水平擺、VP 垂直擺觀測數據的連續率、完整率。由表2 可見，2018—2020 年2 套儀器連續率和完整率均大于99%。VP 垂直擺2018 年數據完整率較低，這是由2017 年11 月安裝VP 垂直擺后數據經常出現超量程現象、缺數太多所致，2019 年數據連續率和完整率均有所上升，儀器趨于穩定。

表2 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺觀測數據的連續率、完整率（單位：%）Table 2 Continuity and integrity of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum tiltmeters

2.2 傾斜量的年零漂、年變幅

傾斜量的年零漂可用來衡量觀測儀器及其墩基穩定程度或地殼繼承性新構造運動，其計算方法為：用某年12 月31 日傾斜量日均值減去當年1 月1 日的日均值。表3 為SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量年零漂、年變幅。從表3 可見，SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量年零漂NS 分量均優于EW 分量，且2 套儀器均存在單分量漂移較快的現象；2018—2020 年垂直擺EW 分量年漂零遠多于NS 分量，SSQ 水平擺呈NE—NW—NE 傾斜，VP 垂直擺呈NW—NW—SW 傾斜。漂移量越趨于穩定，某種程度上也可能反映出觀測洞室周邊地殼變化信息。在傾斜量年變幅方面，SSQ-2I 水平擺EW 分量優于NS 分量，VP垂直擺NS 分量優于EW 分量，且趨于穩定。表4 為2020 年1 月SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺傾斜量固體潮極值。通過比較傾斜量固體潮極值與大潮（朔日為陰歷初一前后，望日為陰歷十五前后）、小潮（上弦為陰歷初八、初九，下弦為陰歷廿二、廿三）的對應關系發現，記錄到最大固體潮時刻在陰歷臘月十七、十八（即為望日前后），記錄到最小固體潮時刻在臘月初八、九（即為上弦日），這與大潮、小潮時間較一致。SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量NS 分量最小固體潮、EW 分量最大固體潮變化幅度較一致，其余分量的VP 垂直擺傾斜量隨固體潮的變化幅度較大。綜合分析，2 套儀器記錄固體潮大潮小潮時刻對應關系較好，可信度較高；VP 垂直擺傾斜量年零漂和年變幅遠大于SSQ-2I 水平擺，可能是因為儀器安裝時間較短、儀器性能不穩定所致，后續儀器傾斜量年零漂和年變幅質量仍有上升空間。

表3 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量年零漂、年變幅（單位：10-3″）Table 3 Statistical table of zero drift and annual variation of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum annual

表4 2020 年1 月SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量固體潮極值（單位：10-3″）Table 4 The solid tide extremum of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum in January 2020

2.3 潮汐因子及潮汐因子中誤差

固體潮觀測值相對于其理論值的偏離通?？梢杂米钚《朔ǖ腣enedikov 調和分析方法進行分析，利用該方法可以求解各個波群的觀測振幅與理論振幅之比和觀測相位與理論相位之差。前者定義為潮汐振幅比及潮汐因子，后者定義為潮汐相位滯后。M2波潮汐因子及其中誤差mγ指標是用來評定固體潮觀測資料內在質量精度的一項重要定量指標。選取2018—2020 年2 套傾斜儀觀測資料中預處理整點數據，進行逐月M2波調和分析和逐年調和分析，所得結果如圖1、2 所示。

圖1 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺M2 波潮汐因子（a） SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS 分量；（d）VP EW 分量Fig.1 M2 wave tidal factor of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

由圖1 可見，2018 年5—6 月SSQ-2I 水平擺EW 分量及VP 垂直擺NS、EW 分量潮汐因子變化較大，這是受積雪消融影響所致，影響結束后，兩分量數據恢復穩定。SSQ-2I水平擺NS 分量2019 年6 月潮汐因子增至0.825 51，分析認為與儀器自身有關，其他分量潮汐因子變化未見明顯異常。由圖2 可見，2018 年3 月、2019 年3 月、6 月SSQ-2I 水平擺NS 分量潮汐因子中誤差誤差較大，約為0.02，其余時間段內較穩定；EW 分量的均小于0.12，相對較穩定。2018—2020 年VP 垂直擺NS 分量潮汐因子誤差較不穩定，均值大于0.1，這與儀器安裝時間短、數據不穩定有較大關系；EW 分量潮汐因子誤差相比NS 分量更穩定，且數值更小。

圖2 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺M2 波潮汐因子中誤差（a） SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS 分量；（d）VP EW 分量Fig.2 M2 wave tidal factor errors of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

從逐年調和計算結果（表5）可見，在潮汐因子中誤差方面，SSQ-2I 水平擺NS 分量優于EW 分量，VP 垂直擺EW 分量優于NS 分量，SSQ-2I 水平擺NS 分量潮汐因子中誤差最小，小于同年VP 垂直擺NS 分量潮汐因子中誤差的1/10。SSQ-2I 水平擺NS、EW 分量潮汐因子中誤差均小于0.02，達到中國地震局Ⅰ類臺站的精度標準。VP 垂直擺EW 分量潮汐因子中誤差由2018 年的0.06 降至2020 年的0.005，逐年遞減，說明儀器精度逐漸提高且觀測數據趨于穩定。在相位滯后誤差方面，SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺NS 分量均優于EW 分量，VP 垂直擺NS 分量相位滯后誤差最小。2 套儀器NS 分量相位滯后誤差相對較穩定，EW 分量相位滯后誤差逐年遞減，說明觀測數據精度還有上升空間?？傮w來看，SSQ-2I 水平擺的觀測資料精度優于VP 垂直擺，垂直擺觀測數據精度仍有提高的空間。

表5 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺M2 波年調和統計Table 5 Statistical table of M2 wave annual harmonic analysis of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.4 觀測資料相對噪聲水平對比

采用均方差擬合精度評價地傾斜觀測資料1 年穩定性精度，將其作為評定地傾斜潮汐觀測資料質量的另一項重要指標。由SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量噪聲日均值、5 日均值計算結果可見（表6），2018 年SSQ 水平擺EW 分量噪聲小于EW 分量，其余時間段內兩分量噪聲均相對穩定且為最小值。VP 垂直擺NS 分量2018 年、EW 分量2019 年噪聲相比于同時段內其他分量較高。截至2020 年，總體看來，SSQ-2I 水平擺傾斜量噪聲小于VP 垂直擺，2 套儀器四分量噪聲遠小于0.02，達到中國地震局Ⅰ類臺站的精度標準。

表6 SSQ-2I 水平擺、VP 垂直擺傾斜量噪聲（單位：″）Table 6 Noise levels SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.5 相關性分析

VP 垂直擺采樣率為1 次/s，SSQ-2I 水平擺采樣率為1 次/min。因采樣率不同，不能直接分析其相關性，故將VP 垂直擺秒采樣數據降采樣為分采樣數據，再進行相關性分析（圖3）。從圖3 可見，SSQ-2I 水平擺NS 分量測值與VP 垂直擺NS 分量測值相關性均值為0.934，EW 分量相關性均值為0.967，EW 分量相關性大于NS 分量。

圖3 SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺間的相關性（a）NS分量；（b）EW分量Fig.3 Correlation of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum(a) north-south component；(b) east-west component

2.6 映震能力分析

以2020年1月19日21：27新疆喀什伽師MS6.4地震為例，對SSQ-2I水平擺和VP 垂直擺進行比較可知（圖4），SSQ-2I 水平擺記錄的傾斜量NS 分量最大振幅為23.4×10-3″，EW分量最大振幅為13.5×10-3″；VP垂直擺記錄的傾斜量NS分量最大振幅為40.8×10-3″，EW分量最大振幅為1.00×10-3″。2套儀器NS 分量傾斜量振幅明顯大于EW分量，且VP 垂直擺最大振幅約為SSQ-2I 水平擺的2 倍。

圖4 2020 年1 月19—20 日伽師縣MS 6.4 地震前后水平擺、垂直擺映震能力對比（a）SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS分量；（d）VP EW分量Fig.4 Comparison of the ability of the horizontal pendulum and vertical pendulum before and after the earthquake with magnitude 6.4 in Kashi,Xinjiang

對2 套儀器4 個分量進行小波分析后的第5 階細節圖（圖5）顯示，2018 年5—6 月積雪消融對SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺影響很大，在2019 年4 月18 日臺灣花蓮MS6.7地震、2019 年6 月17 日四川宜賓MS6.0 地震、2020 年1 月19 日新疆喀什MS6.4 地震、2020 年6 月26 日新疆和田MS6.4 地震、2020 年7 月23 日西藏那曲MS6.6 地震之前，無明顯異常。

圖5 SSQ-2I 水平擺和VP 垂直擺小波分析第5 階細節（a）SSQ-2I NS 分量；（b）SSQ-2I EW 分量；（c）VP NS 分量；（d）VP EW 分量Fig.5 Analysis of wavelet of the 5th order detail of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

3 結論

通過對比分析海拉爾地震臺SSQ-2I 水平擺與VP 垂直擺傾斜量觀測數據的連續率與完整率、年零漂與年變幅、潮汐因子與潮汐因子中誤差、相對噪聲水平、映震能力等，得出如下結論。

（1）水平擺觀測時間長，儀器較穩定，數據的連續率和完整率均優于垂直擺。

（2）VP 垂直擺年零漂和年變幅遠大于SSQ 水平擺，但仍有較大改善空間。SSQ-2I水平擺和VP 垂直擺記錄固體潮大潮、小潮時間較一致，僅固體潮變化幅度不一致。2 套儀器4 個分量最新1 次標定格值為：VP 垂直擺NS 分量格值為0.073 83×10-3″，EW 分量格值為0.067 45×10-3″；SSQ-2I 水平擺NS 分量格值為0.631 29×10-3″，EW 分量格值為0.194 92×10-3″，對比分析其格值與記錄到的固體潮極值，未發現存在明顯對應關系。VP垂直擺記錄到的固體潮極值比SSQ-2I 水平擺固體潮極值大的原因可能是其采樣率高、頻帶范圍較寬、記錄固體潮及非固體潮信息相對較多等。

（3）SSQ-2I 水平擺的觀測資料精度優于VP 垂直擺，VP 垂直擺觀測數據精度仍有提升的空間。

（4）因采樣率和頻帶范圍不同，秒采樣數據較分采樣數據更能清晰地記錄到更多地脈動信號，這其中也包含了非固體潮信息，故VP 垂直擺較SSQ-2I 水平擺記錄到的信號更多、更復雜?？傮w來說，SSQ-2I 水平擺噪聲小于VP 垂直擺。

（5）相關性分析結果顯示，EW 分量優于NS 分量。

（6）映震能力方面，NS 分量優于EW 分量，VP 垂直擺優于SSQ-2I 水平擺。

綜合評價2 套儀器認為，目前SSQ-2I 水平擺觀測質量優于VP 垂直擺。但VP 垂直擺經過長時間觀測，觀測資料及數據質量已趨于穩定，且觀測精度仍在上升，因此，利用VP 垂直擺代替SSQ-2I 水平擺進行傾斜觀測是可行的。