巴里坤地震台SQ-70DSi水平摆观测数据干扰分析

张剑锋 尹海林 高朝军 张嘉敏 段绍鑫 单晓琳 刘青山 张小飞

1）中国新疆维吾尔自治区 841000 库尔勒地震监测中心站

2）中国新疆维吾尔自治区 844000 喀什地震监测中心站

0 引言

石英水平摆是地震系统观测固体潮的重要仪器之一，同时也是观测地震前兆异常及探究大地倾斜量变化的重要仪器。但是干扰定点形变观测的因素具有复杂多样性，且在不同时间尺度上均可影响观测仪器的运行，如一些异常变化会延续几个月甚至1 年，有时仅为几小时。国内对水平摆倾斜观测数据干扰因素的研究发现（张嘉敏等，2016），观测数据受多种因素干扰，曲线可出现波动、阶变、突跳等现象，这些都会影响观测资料质量，干扰对地震前兆异常的识别。因此，有必要调查、分析干扰因素的特征，设法消除或削弱某些干扰，从而提取可靠的地震前兆异常信息。

2018 年9 月，巴里坤地震台SQ-70DSi 水平摆由原分钟值采样升级为秒值采样，数据量的增加对倾斜量的年变趋势并无影响，但在日常数据处理工作中发现数据映震能力有较大提升。同时，较原分钟值采样，秒采样数据对倾斜量异常的灵敏度更显著，对提升地震监测能力更有利。因此，对观测干扰进行全面分析和总结，可为巴里坤地震台日常数据处理、前兆异常落实等工作提供科学依据。

1 台站概况

巴里坤地震台位于准噶尔盆地东部，处在东天山纬向构造带与阿尔泰山NE 向构造带汇合部位，特殊的地震地质环境决定了其所处的哈密地区中小地震活动水平较低，但具有发生大震的地震活动特点（李莹甄等，2001）。巴里坤地震台属国家级地震台，于2002 年建成并投入使用，承担着新疆整个东部片区的地震监测任务。该观测站在巴里坤县大河镇双墩子附近，海拔1 734 m，距巴里坤县城50 km。观测山洞深18 m，洞顶覆盖层厚度11 m，台基岩性为石炭纪花岗岩，洞内年平均温度8℃，年温差0.3℃，湿度77%，SQ-70DSi 型水平摆倾斜仪在该山洞最深处的观测室内，洞体周围无明显干扰源。目前，观测站有测震设备1 套，形变设备1 套，辅助观测设备1 套。

巴里坤地震台石英水平摆倾斜仪于2010 年8 月架设，仪器方位角偏差+5.38°，型号为SQ-70D，通讯方式为扩频微波+宽带，同年被纳入国家地震前兆台网数据管理系统。2016年9 月通讯方式改为光纤专线传输，2018 年9 月数据采集器由SQ-70D 型升级为SQ-70DSi型秒采样取数。自巴里坤地震台水平摆架设以来，哈密地区共发生8 次4 级以上地震，时间最近的1 次为 2021 年10 月7 日新疆巴里坤MS4.3 地震，其发震断层为梧桐泉断裂。

2 资料

巴里坤地震台水平摆倾斜仪自架设以来，工作连续稳定，格值标定及重复精度均符合形变学科要求。2018 年9 月后观测数据实现了高采样率，与之前数据相比，可以更精确地测量地面倾斜变化。当地球物理事件发生时，细节部分信息能记录得更完整、清晰。2019 年5 月观测山洞架设气象三要素仪器，利用气象辅助观测可以更直观地识别降雨、气压、温度等对仪器所造成的干扰。选取2018 年1 月1 日至2021 年11 月1 日巴里坤地震台水平摆倾斜仪观测资料，该时间段内仪器整体运行稳定，所选干扰事件在图件中清晰直观，表1 为仪器具体参数。

表1 巴里坤地震台水平摆倾斜仪工作参数Table 1 Operation parameters of horizontal pendulum tiltmeter of Balikun Seismic Station

3 数据对比

图1、2 分别为巴里坤地震台水平摆倾斜仪更换数据采集器前、后倾斜量变化情况。由图1 可见，原倾斜量分钟值数据曲线较粗糙，固体潮形态不清晰，受干扰变化明显。由图2 可见，在倾斜量秒采样数据记录中固体潮汐形态清晰可见，受干扰变化较小。

图1 2010 年12 月1—31 日SQ-70D 型水平摆倾斜仪倾斜量分钟值Fig.1 Minute crustal tilting value of SQ-70D horizontal pendulum tiltmeter from December 1 to 31,2010

图2 2020 年12 月1—31 日SQ-70DSi 型水平摆倾斜仪倾斜量秒采样值Fig.2 Second crustal tilting value of SQ-70DSi horizontal pendulum tiltmeter from December 1 to 31,2020

4 同震响应

巴里坤地震台SQ-70DSi 型水平摆倾斜仪自架设以来，年变规律明显，能较好地记录到同震应变阶跃（图3）。由图 3 可见，2021 年3 月20 日日本7.0 级地震时倾斜量两分量均出现大幅同震效应，震后15 min 时出现最大震幅，EW 分量在震后30 min 后出现掉格变化。同时，地震将曲线压缩严重，整体形态近似直线（张嘉敏等，2016）。

图3 2021 年3 月20 日倾斜量对日本7.0 级地震的同震效应Fig.3 Coseismic effect of Japan M 7.0 earthquake on March 20,2021 on crustal tilt

5 干扰分析

对地震前兆观测受到的各种干扰进行分析，有助于甄别观测记录的异常性质，提高对地震前兆异常的识别能力（李延京等，2014）。

5.1 自然环境干扰

巴里坤地震台观测山洞地处山区腹地，受大风、气压、降雨干扰明显，该地区全年盛行西北风，且主要集中在3—5 月份。选取该台近4 年水平摆倾斜仪观测数据，分析其受降雨、雷电、气压等干扰的情况

5.1.1 降雨干扰。巴里坤哈萨克自治县地处温带大陆性冷凉干旱气候区，年降水量220 mm 左右。降雨对形变类仪器观测的干扰复杂且常见，选取2021 年5 月17 日降雨数据与巴里坤地震台水平摆倾斜仪同时段观测数据进行对比分析（图4）。由图4 可见，自14 时降雨后，水平摆倾斜仪倾斜量整点值曲线出现NS 分量快速南倾，EW 分量西倾加速特征，不规则毛刺增多，且存在滞后性。

图4 2021 年5 月17 日受降雨干扰的倾斜量（a）倾斜量；（b）降雨量Fig.4 Crustal tilt disturbed by rainfall on May 17,2021

5.1.2 雷电干扰。雷电的破坏力表现为影响低压供电系统，会引起倾斜量曲线短时间内畸变，严重时会损害仪器，导致数据出现大幅突跳或断记，甚至电源短路。2019 年5 月8 日15 时，巴里坤地震台SQ-70Si 型水平摆倾斜仪遭受雷击，太阳能控制器受雷击损毁，无供电输出，仪器数据记录中断，维护人员更换电路后，5 月9 日数据出现大幅突跳、畸变，疑似数据采集器主板烧毁，更换新数据采集器后数据恢复正常。由此可见，雷击对仪器危害较大，地处山区的地震台站应布置防雷设施，2020 年11 月巴里坤地震台架设防雷设备。

图5 2019 年5 月8—12 日受雷击干扰的倾斜量Fig.5 Crustal tilt disturbed by lightning strike from May 8 to 12,2019

5.1.3 气压干扰。气压干扰最显著的特征是固体潮记录曲线出现明显的波动，但不会改变固体潮总体变化形态（图6）。由图6 可见，2020 年11 月19 日气压快速上升，造成水平摆倾斜仪倾斜量两分量北倾、东倾速率增加，主要干扰特征为持续时间短、变化幅度小。由此可见，气压与巴里坤地震台水平摆倾斜仪倾斜量两分量耦合性较高，变化基本同步。

图6 2020 年11 月19—20 日受气压干扰的倾斜量（a）倾斜量；（b）气压Fig.6 Crustal tilt due to air pressure disturbance on November 19,2020

5.2 人为干扰

人为干扰是数据处理中较常见且不可避免的一种干扰，如仪器标定、山洞施工、日常巡检、仪器升级等，不同人为干扰对观测数据造成的影响不同，多数干扰曲线容易区分，台站观测人员需做好详细的工作日志，以便分析时确认畸变的性质（李明等，2012；张嘉敏等，2016）。

5.2.1 仪器标定。仪器标定是保证测量精确度的重要步骤，按照形变学科管理要求，巴里坤地震台水平摆倾斜仪按期进行调零标定，标定后所计算格值的重复精度均符合规范要求，并启用新格值。由于巴里坤地震台洞体潮湿，1 年调零次数较多，造成的干扰较明显。2021 年 2 月 24 日巴里坤地震台水平摆倾斜仪两分量进行调零标定，观测数据曲线因过度压缩，已看不出固体潮汐形态。具体特征为数据曲线上下大幅畸变，阶跃曲线重叠，持续时间约2 h，之后形成大幅台阶（图7）。

图7 2020 年11 月19 日受仪器标定干扰的倾斜量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 时，巴里坤地震台观测点进行防雷改造，现场大型机械对观测山洞门前约10 m 范围内的硬土进行挖掘，之后布设防雷地网。因水平摆倾斜仪灵敏度较高，所以施工对倾斜量两分量观测均造成大幅干扰（图8）。由图8 可见，曲线已完全压缩变形，NS 分量快速北倾，EW 分量在13—15 时西倾速率最大，15 时之后速率减缓，分析认为与仪器灵敏度相关。

图8 2020 年10 月21 日受防雷改造干扰的倾斜量Fig.8 Crustal tilt disturbed by lightning protection modification on October 21,2020

5.2.3 其他人为干扰。台站工作人员日常巡检通信、供电、仪器设备、观测环境、运维管理等情况。2021 年8 月26 日17 时，巴里坤地震台维护人员更换山洞内的干燥剂、测量电瓶电压、检查网络线路等时发现，水平摆倾斜仪两分量均出现台阶、突跳变化，EW 分量倾斜量达到51×10-3″，大于NS 分量，与前述EW 分量每次受干扰的幅度大于NS 分量的情况基本一致，19 时巡检结束后，数据缓慢恢复正常（图9）。

图9 2021 年8 月26 日受人为干扰的倾斜量Fig.9 Crustal tilt due to human interference on August 26,2021

5.3 仪器自身故障

仪器自身故障常见的有数据采集器故障、光源灯故障、电源故障等，图10 为2021 年4 月24 日数据采集器故障。由图10 可见，两分量曲线失真，全天不规则毛刺突跳，数据错误，观测数据可靠性较低。台站人员预处理数据时发现该情况，初步判断为数据采集器故障，到达现场检查后发现是电压不稳造成数据采集器故障的，与厂家联系更换新数据采集器后，数据恢复正常。

图10 2021 年4 月24 日受数据采集器故障干扰的倾斜量Fig.10 Crustal tilt disturbed by data collector fault on April 24,2021

6 结论

通过对巴里坤地震台水平摆倾斜仪观测数据进行分析，得到自然干扰、人为干扰、仪器自身故障、同震响应等干扰因素的干扰特点，具体表现为：①气压变化与倾斜量变化基本同步，当气压快速上升时，倾斜量两分量同步上升；下降时，反之，且干扰较普遍，持续时间较短，耦合性较高。②受地形影响，巴里坤地震台全年降水次数和降水量都处于较低水平，但降雨对倾斜量的干扰是客观存在的，且存在滞后性。③人为干扰会使倾斜量曲线出现尖峰、大幅台阶，且往往持续时间较长，在数据预处理时只能作缺数处理。为保证数据完整性，维护人员应熟练掌握仪器标定、日常维护等基础操作，以尽可能减少干扰时间。④雷击一般为小概率事件，但如果发生，则会给仪器带来不可逆的干扰，有可能会造成仪器损坏、数据中断，严重时会将整个供电系统击穿。所以野外台站一定要完善防雷措施，当有极端天气发生时，要提前检查供电系统，以防雷击。⑤倾斜量EW 分量比NS 分量对干扰更灵敏，曲线形态变化也更突出，这与仪器自身设置是否有关，还需作进一步研究。