巴里坤地震臺SQ-70DSi水平擺觀測數據干擾分析

張劍鋒 尹海林 高朝軍 張嘉敏 段紹鑫 單曉琳 劉青山 張小飛

1）中國新疆維吾爾自治區 841000 庫爾勒地震監測中心站

2）中國新疆維吾爾自治區 844000 喀什地震監測中心站

0 引言

石英水平擺是地震系統觀測固體潮的重要儀器之一，同時也是觀測地震前兆異常及探究大地傾斜量變化的重要儀器。但是干擾定點形變觀測的因素具有復雜多樣性，且在不同時間尺度上均可影響觀測儀器的運行，如一些異常變化會延續幾個月甚至1 年，有時僅為幾小時。國內對水平擺傾斜觀測數據干擾因素的研究發現（張嘉敏等，2016），觀測數據受多種因素干擾，曲線可出現波動、階變、突跳等現象，這些都會影響觀測資料質量，干擾對地震前兆異常的識別。因此，有必要調查、分析干擾因素的特征，設法消除或削弱某些干擾，從而提取可靠的地震前兆異常信息。

2018 年9 月，巴里坤地震臺SQ-70DSi 水平擺由原分鐘值采樣升級為秒值采樣，數據量的增加對傾斜量的年變趨勢并無影響，但在日常數據處理工作中發現數據映震能力有較大提升。同時，較原分鐘值采樣，秒采樣數據對傾斜量異常的靈敏度更顯著，對提升地震監測能力更有利。因此，對觀測干擾進行全面分析和總結，可為巴里坤地震臺日常數據處理、前兆異常落實等工作提供科學依據。

1 臺站概況

巴里坤地震臺位于準噶爾盆地東部，處在東天山緯向構造帶與阿爾泰山NE 向構造帶匯合部位，特殊的地震地質環境決定了其所處的哈密地區中小地震活動水平較低，但具有發生大震的地震活動特點（李瑩甄等，2001）。巴里坤地震臺屬國家級地震臺，于2002 年建成并投入使用，承擔著新疆整個東部片區的地震監測任務。該觀測站在巴里坤縣大河鎮雙墩子附近，海拔1 734 m，距巴里坤縣城50 km。觀測山洞深18 m，洞頂覆蓋層厚度11 m，臺基巖性為石炭紀花崗巖，洞內年平均溫度8℃，年溫差0.3℃，濕度77%，SQ-70DSi 型水平擺傾斜儀在該山洞最深處的觀測室內，洞體周圍無明顯干擾源。目前，觀測站有測震設備1 套，形變設備1 套，輔助觀測設備1 套。

巴里坤地震臺石英水平擺傾斜儀于2010 年8 月架設，儀器方位角偏差+5.38°，型號為SQ-70D，通訊方式為擴頻微波+寬帶，同年被納入國家地震前兆臺網數據管理系統。2016年9 月通訊方式改為光纖專線傳輸，2018 年9 月數據采集器由SQ-70D 型升級為SQ-70DSi型秒采樣取數。自巴里坤地震臺水平擺架設以來，哈密地區共發生8 次4 級以上地震，時間最近的1 次為 2021 年10 月7 日新疆巴里坤MS4.3 地震，其發震斷層為梧桐泉斷裂。

2 資料

巴里坤地震臺水平擺傾斜儀自架設以來，工作連續穩定，格值標定及重復精度均符合形變學科要求。2018 年9 月后觀測數據實現了高采樣率，與之前數據相比，可以更精確地測量地面傾斜變化。當地球物理事件發生時，細節部分信息能記錄得更完整、清晰。2019 年5 月觀測山洞架設氣象三要素儀器，利用氣象輔助觀測可以更直觀地識別降雨、氣壓、溫度等對儀器所造成的干擾。選取2018 年1 月1 日至2021 年11 月1 日巴里坤地震臺水平擺傾斜儀觀測資料，該時間段內儀器整體運行穩定，所選干擾事件在圖件中清晰直觀，表1 為儀器具體參數。

表1 巴里坤地震臺水平擺傾斜儀工作參數Table 1 Operation parameters of horizontal pendulum tiltmeter of Balikun Seismic Station

3 數據對比

圖1、2 分別為巴里坤地震臺水平擺傾斜儀更換數據采集器前、后傾斜量變化情況。由圖1 可見，原傾斜量分鐘值數據曲線較粗糙，固體潮形態不清晰，受干擾變化明顯。由圖2 可見，在傾斜量秒采樣數據記錄中固體潮汐形態清晰可見，受干擾變化較小。

圖1 2010 年12 月1—31 日SQ-70D 型水平擺傾斜儀傾斜量分鐘值Fig.1 Minute crustal tilting value of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter from December 1 to 31,2010

圖2 2020 年12 月1—31 日SQ-70DSi 型水平擺傾斜儀傾斜量秒采樣值Fig.2 Second crustal tilting value of SQ-70DSi horizontal pendulum tiltmeter from December 1 to 31,2020

4 同震響應

巴里坤地震臺SQ-70DSi 型水平擺傾斜儀自架設以來，年變規律明顯，能較好地記錄到同震應變階躍（圖3）。由圖 3 可見，2021 年3 月20 日日本7.0 級地震時傾斜量兩分量均出現大幅同震效應，震后15 min 時出現最大震幅，EW 分量在震后30 min 后出現掉格變化。同時，地震將曲線壓縮嚴重，整體形態近似直線（張嘉敏等，2016）。

圖3 2021 年3 月20 日傾斜量對日本7.0 級地震的同震效應Fig.3 Coseismic effect of Japan M 7.0 earthquake on March 20,2021 on crustal tilt

5 干擾分析

對地震前兆觀測受到的各種干擾進行分析，有助于甄別觀測記錄的異常性質，提高對地震前兆異常的識別能力（李延京等，2014）。

5.1 自然環境干擾

巴里坤地震臺觀測山洞地處山區腹地，受大風、氣壓、降雨干擾明顯，該地區全年盛行西北風，且主要集中在3—5 月份。選取該臺近4 年水平擺傾斜儀觀測數據，分析其受降雨、雷電、氣壓等干擾的情況

5.1.1 降雨干擾。巴里坤哈薩克自治縣地處溫帶大陸性冷涼干旱氣候區，年降水量220 mm 左右。降雨對形變類儀器觀測的干擾復雜且常見，選取2021 年5 月17 日降雨數據與巴里坤地震臺水平擺傾斜儀同時段觀測數據進行對比分析（圖4）。由圖4 可見，自14 時降雨后，水平擺傾斜儀傾斜量整點值曲線出現NS 分量快速南傾，EW 分量西傾加速特征，不規則毛刺增多，且存在滯后性。

圖4 2021 年5 月17 日受降雨干擾的傾斜量（a）傾斜量；（b）降雨量Fig.4 Crustal tilt disturbed by rainfall on May 17,2021

5.1.2 雷電干擾。雷電的破壞力表現為影響低壓供電系統，會引起傾斜量曲線短時間內畸變，嚴重時會損害儀器，導致數據出現大幅突跳或斷記，甚至電源短路。2019 年5 月8 日15 時，巴里坤地震臺SQ-70Si 型水平擺傾斜儀遭受雷擊，太陽能控制器受雷擊損毀，無供電輸出，儀器數據記錄中斷，維護人員更換電路后，5 月9 日數據出現大幅突跳、畸變，疑似數據采集器主板燒毀，更換新數據采集器后數據恢復正常。由此可見，雷擊對儀器危害較大，地處山區的地震臺站應布置防雷設施，2020 年11 月巴里坤地震臺架設防雷設備。

圖5 2019 年5 月8—12 日受雷擊干擾的傾斜量Fig.5 Crustal tilt disturbed by lightning strike from May 8 to 12,2019

5.1.3 氣壓干擾。氣壓干擾最顯著的特征是固體潮記錄曲線出現明顯的波動，但不會改變固體潮總體變化形態（圖6）。由圖6 可見，2020 年11 月19 日氣壓快速上升，造成水平擺傾斜儀傾斜量兩分量北傾、東傾速率增加，主要干擾特征為持續時間短、變化幅度小。由此可見，氣壓與巴里坤地震臺水平擺傾斜儀傾斜量兩分量耦合性較高，變化基本同步。

圖6 2020 年11 月19—20 日受氣壓干擾的傾斜量（a）傾斜量；（b）氣壓Fig.6 Crustal tilt due to air pressure disturbance on November 19,2020

5.2 人為干擾

人為干擾是數據處理中較常見且不可避免的一種干擾，如儀器標定、山洞施工、日常巡檢、儀器升級等，不同人為干擾對觀測數據造成的影響不同，多數干擾曲線容易區分，臺站觀測人員需做好詳細的工作日志，以便分析時確認畸變的性質（李明等，2012；張嘉敏等，2016）。

5.2.1 儀器標定。儀器標定是保證測量精確度的重要步驟，按照形變學科管理要求，巴里坤地震臺水平擺傾斜儀按期進行調零標定，標定后所計算格值的重復精度均符合規范要求，并啟用新格值。由于巴里坤地震臺洞體潮濕，1 年調零次數較多，造成的干擾較明顯。2021 年 2 月 24 日巴里坤地震臺水平擺傾斜儀兩分量進行調零標定，觀測數據曲線因過度壓縮，已看不出固體潮汐形態。具體特征為數據曲線上下大幅畸變，階躍曲線重疊，持續時間約2 h，之后形成大幅臺階（圖7）。

圖7 2020 年11 月19 日受儀器標定干擾的傾斜量Fig.7 Crustal tilt interfered by instrument calibration on November 19,2020

5.2.2 防雷改造。2020 年10 月21 日13—16 時，巴里坤地震臺觀測點進行防雷改造，現場大型機械對觀測山洞門前約10 m 范圍內的硬土進行挖掘，之后布設防雷地網。因水平擺傾斜儀靈敏度較高，所以施工對傾斜量兩分量觀測均造成大幅干擾（圖8）。由圖8 可見，曲線已完全壓縮變形，NS 分量快速北傾，EW 分量在13—15 時西傾速率最大，15 時之后速率減緩，分析認為與儀器靈敏度相關。

圖8 2020 年10 月21 日受防雷改造干擾的傾斜量Fig.8 Crustal tilt disturbed by lightning protection modification on October 21,2020

5.2.3 其他人為干擾。臺站工作人員日常巡檢通信、供電、儀器設備、觀測環境、運維管理等情況。2021 年8 月26 日17 時，巴里坤地震臺維護人員更換山洞內的干燥劑、測量電瓶電壓、檢查網絡線路等時發現，水平擺傾斜儀兩分量均出現臺階、突跳變化，EW 分量傾斜量達到51×10-3″，大于NS 分量，與前述EW 分量每次受干擾的幅度大于NS 分量的情況基本一致，19 時巡檢結束后，數據緩慢恢復正常（圖9）。

圖9 2021 年8 月26 日受人為干擾的傾斜量Fig.9 Crustal tilt due to human interference on August 26,2021

5.3 儀器自身故障

儀器自身故障常見的有數據采集器故障、光源燈故障、電源故障等，圖10 為2021 年4 月24 日數據采集器故障。由圖10 可見，兩分量曲線失真，全天不規則毛刺突跳，數據錯誤，觀測數據可靠性較低。臺站人員預處理數據時發現該情況，初步判斷為數據采集器故障，到達現場檢查后發現是電壓不穩造成數據采集器故障的，與廠家聯系更換新數據采集器后，數據恢復正常。

圖10 2021 年4 月24 日受數據采集器故障干擾的傾斜量Fig.10 Crustal tilt disturbed by data collector fault on April 24,2021

6 結論

通過對巴里坤地震臺水平擺傾斜儀觀測數據進行分析，得到自然干擾、人為干擾、儀器自身故障、同震響應等干擾因素的干擾特點，具體表現為：①氣壓變化與傾斜量變化基本同步，當氣壓快速上升時，傾斜量兩分量同步上升；下降時，反之，且干擾較普遍，持續時間較短，耦合性較高。②受地形影響，巴里坤地震臺全年降水次數和降水量都處于較低水平，但降雨對傾斜量的干擾是客觀存在的，且存在滯后性。③人為干擾會使傾斜量曲線出現尖峰、大幅臺階，且往往持續時間較長，在數據預處理時只能作缺數處理。為保證數據完整性，維護人員應熟練掌握儀器標定、日常維護等基礎操作，以盡可能減少干擾時間。④雷擊一般為小概率事件，但如果發生，則會給儀器帶來不可逆的干擾，有可能會造成儀器損壞、數據中斷，嚴重時會將整個供電系統擊穿。所以野外臺站一定要完善防雷措施，當有極端天氣發生時，要提前檢查供電系統，以防雷擊。⑤傾斜量EW 分量比NS 分量對干擾更靈敏，曲線形態變化也更突出，這與儀器自身設置是否有關，還需作進一步研究。