沈阳台水平摆倾斜仪与超宽频带地震仪对比观测分析

方禹心

（沈阳地震基准台，辽宁 沈阳 110061）

0 引言

石英水平摆倾斜仪可以对由地球内部运动而造成的地面倾斜变化进行测量，其存在的稳定性以及观测精度是相对较高的，是进行地震前兆观测的重要手段之一[1]。沈阳台倾斜仪长期观测实践表明，水平摆倾斜记录曲线上往往叠加有大量突跳、阶变等不明原因变化，厘清这些现象是真实的倾斜变化还是仪器工作状态不正常所致尤为重要。JCZ-1T 超宽频带数字地震仪优秀的频带响应为我们提供了这个可能。超宽频带地震计具有全频带覆盖特性，其低频端输出延伸到固体潮汐，为获取稳定的低频端数据的提供了观测条件。我们可以利用地震计LP通道连续观测数据中的水平分向数据经过处理获得的倾斜资料。通过两套记录数据的对比分析，试图利用超宽频带地震仪记录与石英水平摆倾斜仪记录进行对比，为异常认定提供一个手段。

本文选取2013 年1 月1 日至2017 年12 月31 日沈阳地震台SSQ-2I 型水平摆倾斜仪和JCZ-1T 型超宽频带地震计记录的数字振动波形数据，对倾斜仪频响特征进行研究，进而从物理学角度对倾斜观测中的一些异常现象进行评价，并对这些变化的异常性质进行分析判断。

1 沈阳地震台倾斜测震观测基本情况

沈阳地震台处在沈阳市东郊东陵区天柱山西南麓，沈阳农业大学和东陵园林交界处，距沈阳市中心17.5 km。观测山洞总长79.6 m，形状呈现为马蹄形，自山根水平掘进，观测室位于山洞内。山洞顶部覆盖约23 m，有植被。台站附近没有大的水库、河流、注水干扰等。自地震台被建设以来，通过实测记录可知：洞内温度最高为12.1 ℃，温度最低为10.6 ℃，年变化低于1.5 ℃，日变化低于0.1 ℃。

台站数字地震监测设备自1999 年9 月开始安装，至2000 年1 月大体完工，运用了频带最宽的JCZ-1 型甚宽带地震仪与EDAS-24 型数据采集器，于2000 年12 月通过省局验收后正式观测。2007 年6 月4 日安装了石英水平摆倾斜仪SSQ-2I 观测系统并开始运行，于2010 年2 月纳入辽宁省局前兆台网管理系统；2012 年4 月20 日采用新的超宽频带地震计JCZ-1T，同时JCZ-1 地震计停测；2017 年6 月20 日采用新的数据采集器EDAS-24GN[2]。

2 观测数据

沈阳台配置SSQ-2I 石英水平摆倾斜仪进行形变观测，本台固有倾角值（ψ）为：ψNS=0.12987″（NS 测向），ψEW=0.12569″（EW 测向）；摆体直角边距离（S）为：SNS=329 mm（NS 测向），SEW=329 mm（EW 测向）。沈阳台SSQ-2I 数字化石英摆倾斜仪观测数据自2010年3 月起基本完整，在此选用2013—2017 年的分钟值数据，分析观测曲线特征（图1），图中明显可见：形变观测数据稳定，固体潮曲线圆滑，大潮小潮分明。

图1 2013 至2017 年分钟值数据曲线Fig.1 Minute data curve from 2013 to 2017

JCZ-1T 属于全频带覆盖仪器，其频带是50Hz-DC。它能够感知所有经由地震计框架传递至传感器的信号，无论是地震信号还是环境扰动信号。和短周期地震计存在差别，短周期地震计仅为有选择地对落入其频带的信号进行记录，对环境的长周期变化不够敏感，超宽频带观测已把仪器和环境化为一体[3]。JCZ-1T 的全频带覆盖特征为地球自由振荡观测创设了优良的条件，强烈地震激发的地球自由振荡持续时间长达数天。经研究可以发现：在超长周期频带内的地球自由振荡明确信息，有的震荡周期长达千秒以上。

表1 SSQ-2I 与JCZ-1T 仪器信息

3 数据处理及研究思路

资料搜集了2013 年至2017 年时间跨度的沈阳台JCZ-1T 超宽频带数字化地震计的观测资料、SSQ-2I 型石英水平摆倾斜仪观测记录的数据以及相关的辅助观测气象资料。我们以JCZ-1T 地震计的LP 加速度信号通道记录信息为主要研究对象，该通道的观测频带为360 s-DC 加速度纪录。根据研究需要，按照可确定事件（例如中等强度地震、潮汐变化等）和环境因素（自然）筛选划分从中选取典型数据进行对比分析。

基于JCZ-1T 超宽频带地震仪和SSQ-2I 石英水平摆倾斜仪记录的物理量的不同，研究分析两套仪器对相同地面运动的响应方式，通过可以确定的事件，比如地震、潮汐变化等；分析两套仪器记录相同地面运动各自的曲线特征，总结两套观测系统数据记录是否同步的判定方法；对比分析两套观测系统记录曲线是否同步，结合观测日志对不同的几组产生原因进行分析；分析各种环境因素一起两套仪器同步数据曲线变化规律，总结可以用来判断倾斜异常真实性的两套仪器的曲线特征。

4 两套仪器对比观测结果分析

地震仪和倾斜仪对地面运动引起的地倾斜变化均反应敏感。地震仪主要设计用于检测诸如体波（P 波、S 波）面波（瑞雷波、勒夫波）等各种地震波。模拟记录情况下前兆仪器的采样仅到整点值，而随着数字观测技术的发展和采样率的提高逐步凸显倾斜仪的信号优势，还能完整地记录地震波形。在主要频带内与地震仪有很大范围的重叠，因此可以与地震仪信号进行对比分析。SSQ-2I 倾斜仪在沈阳地震台的观测表明，除周期很小的地方震之外，该仪器对周期较长的近震、远震和极远震都有清晰的记录。

4.1 地震事件记录

据中国地震台网测定，北京时间2017 年11 月18 日06 时34 分在西藏林芝市米林县（北纬29.75°，东经95.02°）发生MS6.9 级地震，震源深度10 km。

图2 给出了沈阳台倾斜仪和地震仪对西藏林芝市米林县MS6.9 级地震的波形记录。在两套仪器的记录曲线上均能明显地辨认出P 波、PP 波、S 波及勒夫面波，两套仪器波形相似度较高，即倾斜仪可以准确地记录高频地面运动信号。

图2 沈阳台倾斜仪记录到的2017 年11 月18 日西藏林芝市米林县MS6.9 级地震的波形Fig.2 Seismic waves of Milin county，Nyingchi city，Tibet，MS6.9 earthquake on November18，2017 recorded by inclinometer at Shenyang Seismic Station

4.2 自然环境因素

4.2.1 降雨干扰

在地震形变前兆观测中，降雨干扰是相对普遍且典型的干扰现象，降雨主要由暴雨、大雨、持续性降雨所组成。持续性降雨干扰可表现在观测曲线呈现出缓慢脉动状与趋势性变化；强降雨与大雨的干扰主要呈现为转折性以及短时间趋势性加速变化[4]。持续强降雨之后，山洞表面易于出现积水，且浸润作用于台基形成的地质效应，导致短时间内观测值出现大幅度加速变化。下图是2016 年9 月9 日下午15 时至2016 年9 月10 日上午06 时，沈阳大暴雨降雨量85.9 mm，导致倾斜仪短时间数据变化，降雨结束后恢复。

图3 沈阳台倾斜仪记录到的降雨波形Fig.3 Rainfall waveform recorded by inclinometer at Shenyang Seimic Station

4.2.2 大风干扰

在观测中，大风干扰也是普遍且典型的干扰现象，东北地区的春季以及秋季较为多见。2017 年5 月18 日1 时，沈阳地震台受到大风干扰（图4），进而造成倾斜仪北南分量与东西分量的固体潮不清晰，全天数据抖动，曲线变粗，地震仪也有不同程度的抖动[5]。

图4 沈阳台倾斜仪记录到的风扰波形Fig.4 The wind disturbance waveform recorded by inclinometer at Shenyang Seismic Station

5 结论

从实际观测的角度研究对比分析两套仪器在相同观测环境下记录的数字振动波形数据，可以相互印证两套仪器各项功能的可靠性和一致性。沈阳台SSQ-2I 型水平摆倾斜仪与JCZ-1T 型超宽频带地震计运行于共同的观测环境中，其怎样对运行与观测质量的内在因素产生影响，借助对比观测研究分析则能够检验以及检测两台套仪器数据的真实性和可靠性。经过对比分析，可以得出以下几点认识。

（1）沈阳台SSQ-2I 型石英水平摆倾斜仪与JCZ-1T 型超宽频带地震仪在主要频带内对地面运动的响应程度为一致的。

（2）并不是所有情况下都有一致响应，这可能是由于两套仪器的观测物理量不同、灵敏度不同等造成的。

（3）地震激发的地动信号存在极宽频带。我们时常谈论的所谓慢地震，因为存在长期积累而突变特性，事实上是高频地震波加超低频地震波的叠加信号。所以，稳定且存在极低仪器自身噪声的超宽频带观测是非常重要的。