海拉尔地震台SSQ-2I水平摆与VP垂直摆观测数据对比分析

申影 王怡 堵伟鹏

（中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局）

0 引言

地倾斜观测的目的是研究地壳形变垂直的相对运动和固体潮汐的动态变化，倾斜观测可为地球固体潮汐、地壳岩石性质、地球参数等研究提供科学数据。地倾斜观测所用的固定摆倾斜仪主要分为垂直摆倾斜仪、水平摆倾斜仪。SSQ-2I 型数字石英水平摆（以下简称SSQ-2I 水平摆）是用于测量地倾斜变化的一种高灵敏度仪器，具有准确度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点，适用于固定台站长期连续观测地面缓慢的倾斜变化。SSQ-2I水平摆采用石英水平摆接受地面倾斜信号，当地面发生倾斜时，摆杆绕旋转轴偏转，通过电涡流传感器将摆端的位移信号转变为电信号。VP 型垂直摆倾斜仪（以下简称VP 垂直摆）运用摆的铅锤原理，其原理比水平摆倾斜仪简单。摆系在没有振动的条件下处于相对铅锤状态，当地面发生微量倾斜变化时，平衡位置相对产生变化，通过传感器将位移信号转换为电信号并加以放大。VP 垂直摆是在VS 垂直摆倾斜仪基础之上研发的新型地震前兆观测设备，其优于千分之一角秒的分辨率和拓宽的频带不但满足了对地倾斜固体潮的观测，而且使其也能记录到缓慢地震和长周期地震等更多的地震信息。2 套仪器的主要技术指标如表1 所示。

表1 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆主要技术指标Table 1 Main technical indicators of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

针对2 套摆式倾斜仪仪器效能的对比分析已有相关研究。高明智等（2016）从干扰因素、连续性、稳定性、观测精度、映震能力等方面进行了对比分析；曹白伦等（2020）从数据形态特征分析、数据可靠性等方面进行对比分析；赵倩等（2016）从频谱特征等方面进行分析。本文拟对2018—2020 年海拉尔地震台SSQ-2I 水平摆与VP 垂直摆观测数据进行对比分析，综合评价2 套仪器的效能，以期为呼伦贝尔市及周边地区地震分析预测工作提供基础数据。

1 台站简介

海拉尔地震台位于内蒙古自治区东部呼伦贝尔市海拉尔区的西北郊。距滨洲铁路4.0 km，距301 国道1.1 km，海拔高度610 m。台站利用原采石场旧址建台，地震观测专用山洞总长85 m。台址附近断层较发育，有EW 向的海拉尔断裂、NW 向的南屯断裂及与之交汇的NE 向断裂。岩性属中生代侏罗纪安山岩。根据气象记录，冬季1 月份最低气温可达零下45℃，夏季8 月份最高气温可达零上37℃。每年的5 月底至9 月底为无霜期，当地气候干燥、多风。山洞内温度为4℃，年温差小于0.1℃，观测环境稳定。海拉尔地震台SSQ-2I 水平摆于“十五”期间安装，自2006 年运行至今，仪器运行稳定，记录固体潮清晰稳定。VP 垂直摆自2017 年安装运行至今，数据逐渐趋于稳定，观测精度逐渐提高。2 套仪器架设在同一洞室内，相距不足5 m。

2 观测资料对比分析

2.1 观测资料的连续性

评定地倾斜观测资料的连续率和完整率是资料质量控制的主要指标之一。观测资料的连续率N计算公式为

海拉尔地震台观测山洞内安装有UPS 及二级防雷器，遇市电断电及雷电时，可保证洞室内仪器连续供电30 min 以上，为值班人员启动发电机提供充足时间。表2 为SSQ-2I水平摆、VP 垂直摆观测数据的连续率、完整率。由表2 可见，2018—2020 年2 套仪器连续率和完整率均大于99%。VP 垂直摆2018 年数据完整率较低，这是由2017 年11 月安装VP 垂直摆后数据经常出现超量程现象、缺数太多所致，2019 年数据连续率和完整率均有所上升，仪器趋于稳定。

表2 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆观测数据的连续率、完整率（单位：%）Table 2 Continuity and integrity of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum tiltmeters

2.2 倾斜量的年零漂、年变幅

倾斜量的年零漂可用来衡量观测仪器及其墩基稳定程度或地壳继承性新构造运动，其计算方法为：用某年12 月31 日倾斜量日均值减去当年1 月1 日的日均值。表3 为SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆倾斜量年零漂、年变幅。从表3 可见，SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆倾斜量年零漂NS 分量均优于EW 分量，且2 套仪器均存在单分量漂移较快的现象；2018—2020 年垂直摆EW 分量年漂零远多于NS 分量，SSQ 水平摆呈NE—NW—NE 倾斜，VP 垂直摆呈NW—NW—SW 倾斜。漂移量越趋于稳定，某种程度上也可能反映出观测洞室周边地壳变化信息。在倾斜量年变幅方面，SSQ-2I 水平摆EW 分量优于NS 分量，VP垂直摆NS 分量优于EW 分量，且趋于稳定。表4 为2020 年1 月SSQ-2I 水平摆和VP 垂直摆倾斜量固体潮极值。通过比较倾斜量固体潮极值与大潮（朔日为阴历初一前后，望日为阴历十五前后）、小潮（上弦为阴历初八、初九，下弦为阴历廿二、廿三）的对应关系发现，记录到最大固体潮时刻在阴历腊月十七、十八（即为望日前后），记录到最小固体潮时刻在腊月初八、九（即为上弦日），这与大潮、小潮时间较一致。SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆倾斜量NS 分量最小固体潮、EW 分量最大固体潮变化幅度较一致，其余分量的VP 垂直摆倾斜量随固体潮的变化幅度较大。综合分析，2 套仪器记录固体潮大潮小潮时刻对应关系较好，可信度较高；VP 垂直摆倾斜量年零漂和年变幅远大于SSQ-2I 水平摆，可能是因为仪器安装时间较短、仪器性能不稳定所致，后续仪器倾斜量年零漂和年变幅质量仍有上升空间。

表3 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆倾斜量年零漂、年变幅（单位：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 水平摆、VP 垂直摆倾斜量固体潮极值（单位：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误差

固体潮观测值相对于其理论值的偏离通常可以用最小二乘法的Venedikov 调和分析方法进行分析，利用该方法可以求解各个波群的观测振幅与理论振幅之比和观测相位与理论相位之差。前者定义为潮汐振幅比及潮汐因子，后者定义为潮汐相位滞后。M2波潮汐因子及其中误差mγ指标是用来评定固体潮观测资料内在质量精度的一项重要定量指标。选取2018—2020 年2 套倾斜仪观测资料中预处理整点数据，进行逐月M2波调和分析和逐年调和分析，所得结果如图1、2 所示。

图1 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆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

由图1 可见，2018 年5—6 月SSQ-2I 水平摆EW 分量及VP 垂直摆NS、EW 分量潮汐因子变化较大，这是受积雪消融影响所致，影响结束后，两分量数据恢复稳定。SSQ-2I水平摆NS 分量2019 年6 月潮汐因子增至0.825 51，分析认为与仪器自身有关，其他分量潮汐因子变化未见明显异常。由图2 可见，2018 年3 月、2019 年3 月、6 月SSQ-2I 水平摆NS 分量潮汐因子中误差误差较大，约为0.02，其余时间段内较稳定；EW 分量的均小于0.12，相对较稳定。2018—2020 年VP 垂直摆NS 分量潮汐因子误差较不稳定，均值大于0.1，这与仪器安装时间短、数据不稳定有较大关系；EW 分量潮汐因子误差相比NS 分量更稳定，且数值更小。

图2 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆M2 波潮汐因子中误差（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

从逐年调和计算结果（表5）可见，在潮汐因子中误差方面，SSQ-2I 水平摆NS 分量优于EW 分量，VP 垂直摆EW 分量优于NS 分量，SSQ-2I 水平摆NS 分量潮汐因子中误差最小，小于同年VP 垂直摆NS 分量潮汐因子中误差的1/10。SSQ-2I 水平摆NS、EW 分量潮汐因子中误差均小于0.02，达到中国地震局Ⅰ类台站的精度标准。VP 垂直摆EW 分量潮汐因子中误差由2018 年的0.06 降至2020 年的0.005，逐年递减，说明仪器精度逐渐提高且观测数据趋于稳定。在相位滞后误差方面，SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆NS 分量均优于EW 分量，VP 垂直摆NS 分量相位滞后误差最小。2 套仪器NS 分量相位滞后误差相对较稳定，EW 分量相位滞后误差逐年递减，说明观测数据精度还有上升空间。总体来看，SSQ-2I 水平摆的观测资料精度优于VP 垂直摆，垂直摆观测数据精度仍有提高的空间。

表5 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆M2 波年调和统计Table 5 Statistical table of M2 wave annual harmonic analysis of SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.4 观测资料相对噪声水平对比

采用均方差拟合精度评价地倾斜观测资料1 年稳定性精度，将其作为评定地倾斜潮汐观测资料质量的另一项重要指标。由SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆倾斜量噪声日均值、5 日均值计算结果可见（表6），2018 年SSQ 水平摆EW 分量噪声小于EW 分量，其余时间段内两分量噪声均相对稳定且为最小值。VP 垂直摆NS 分量2018 年、EW 分量2019 年噪声相比于同时段内其他分量较高。截至2020 年，总体看来，SSQ-2I 水平摆倾斜量噪声小于VP 垂直摆，2 套仪器四分量噪声远小于0.02，达到中国地震局Ⅰ类台站的精度标准。

表6 SSQ-2I 水平摆、VP 垂直摆倾斜量噪声（单位：″）Table 6 Noise levels SSQ-2I horizontal pendulum and VP vertical pendulum

2.5 相关性分析

VP 垂直摆采样率为1 次/s，SSQ-2I 水平摆采样率为1 次/min。因采样率不同，不能直接分析其相关性，故将VP 垂直摆秒采样数据降采样为分采样数据，再进行相关性分析（图3）。从图3 可见，SSQ-2I 水平摆NS 分量测值与VP 垂直摆NS 分量测值相关性均值为0.934，EW 分量相关性均值为0.967，EW 分量相关性大于NS 分量。

图3 SSQ-2I 水平摆与VP 垂直摆间的相关性（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新疆喀什伽师MS6.4地震为例，对SSQ-2I水平摆和VP 垂直摆进行比较可知（图4），SSQ-2I 水平摆记录的倾斜量NS 分量最大振幅为23.4×10-3″，EW分量最大振幅为13.5×10-3″；VP垂直摆记录的倾斜量NS分量最大振幅为40.8×10-3″，EW分量最大振幅为1.00×10-3″。2套仪器NS 分量倾斜量振幅明显大于EW分量，且VP 垂直摆最大振幅约为SSQ-2I 水平摆的2 倍。

图4 2020 年1 月19—20 日伽师县MS 6.4 地震前后水平摆、垂直摆映震能力对比（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

对2 套仪器4 个分量进行小波分析后的第5 阶细节图（图5）显示，2018 年5—6 月积雪消融对SSQ-2I 水平摆和VP 垂直摆影响很大，在2019 年4 月18 日台湾花莲MS6.7地震、2019 年6 月17 日四川宜宾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，无明显异常。

图5 SSQ-2I 水平摆和VP 垂直摆小波分析第5 阶细节（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 结论

通过对比分析海拉尔地震台SSQ-2I 水平摆与VP 垂直摆倾斜量观测数据的连续率与完整率、年零漂与年变幅、潮汐因子与潮汐因子中误差、相对噪声水平、映震能力等，得出如下结论。

（1）水平摆观测时间长，仪器较稳定，数据的连续率和完整率均优于垂直摆。

（2）VP 垂直摆年零漂和年变幅远大于SSQ 水平摆，但仍有较大改善空间。SSQ-2I水平摆和VP 垂直摆记录固体潮大潮、小潮时间较一致，仅固体潮变化幅度不一致。2 套仪器4 个分量最新1 次标定格值为：VP 垂直摆NS 分量格值为0.073 83×10-3″，EW 分量格值为0.067 45×10-3″；SSQ-2I 水平摆NS 分量格值为0.631 29×10-3″，EW 分量格值为0.194 92×10-3″，对比分析其格值与记录到的固体潮极值，未发现存在明显对应关系。VP垂直摆记录到的固体潮极值比SSQ-2I 水平摆固体潮极值大的原因可能是其采样率高、频带范围较宽、记录固体潮及非固体潮信息相对较多等。

（3）SSQ-2I 水平摆的观测资料精度优于VP 垂直摆，VP 垂直摆观测数据精度仍有提升的空间。

（4）因采样率和频带范围不同，秒采样数据较分采样数据更能清晰地记录到更多地脉动信号，这其中也包含了非固体潮信息，故VP 垂直摆较SSQ-2I 水平摆记录到的信号更多、更复杂。总体来说，SSQ-2I 水平摆噪声小于VP 垂直摆。

（5）相关性分析结果显示，EW 分量优于NS 分量。

（6）映震能力方面，NS 分量优于EW 分量，VP 垂直摆优于SSQ-2I 水平摆。

综合评价2 套仪器认为，目前SSQ-2I 水平摆观测质量优于VP 垂直摆。但VP 垂直摆经过长时间观测，观测资料及数据质量已趋于稳定，且观测精度仍在上升，因此，利用VP 垂直摆代替SSQ-2I 水平摆进行倾斜观测是可行的。