陕西省VP型垂直摆倾斜仪观测对比分析＊

杨晓东 张晨蕾 吴 明 陈嘉选

1) 陕西省地震局乾陵地震台，陕西乾县 713300

2) 陕西省地震局安康地震台，陕西安康 725000

引言

近年来，陕西省陆续更换了多套VP型垂直摆倾斜仪（以下简称VP型垂直摆），VP型垂直摆是在VS型垂直摆基础之上的升级版本。龚丽文等[1]对VP型垂直摆记录特征的分析发现：VP型垂直摆基线短，阻尼小，波谱信息丰富，在记录短周期的高频信息中具有优势，多用于时频研究，总结了地倾斜仪的观测特性。但在实际观测中，袁曲等[2]研究发现因构造、介质、电性条件、人为干扰和观测环境的差异，对观测数据和仪器运行情况的认识存在不确定性。本文通过对乾陵台、西安台、安康台、宁陕台VP型垂直摆观测资料的分析，可以明晰垂直摆观测资料的情况，对比其运行效能，这些工作的开展有助于将观测数据更好地应用于地震监测，具有较高的理论研究价值和现实意义。本文将利用以上4个台站2020年1—12月的观测资料，对各台站观测数据进行综合分析。

1 台站概况及仪器情况

乾陵台始建于1966年，属于国家形变Ⅰ类台，台基为奥陶系石灰岩，海拔高度885 m，地处渭河断陷盆地中段与陕北黄土高原的过渡地带。地质构造位置处于渭河断陷盆地中段与鄂尔多斯地台南缘的接触带，关山—口镇断裂以南，乾县—富平断裂以北。地壳形变观测山洞长115 m，基岩完整，覆盖层厚度40 m以上，植被覆盖良好，洞内年温差≤0.3℃。VP型垂直摆2018年11月正式观测。

西安地震台位于陕西省长安县子午镇秦岭北麓，海拔高度630 m。台基岩性为前震旦纪片麻状花岗岩。洞室年温差变化小于1.0℃，日温差小于0.1℃，相对湿度小于90%，洞长35 m。2016年增设VP型垂直摆安装于洞室内。

安康台始建于1977年，现有的观测洞体长34 m，基岩完整，覆盖层厚度大于30 m，且观测洞室的顶部地形对称，植被良好，洞内年温差≤0.5℃。洞室底面高于当地最高洪水位和最高地下水位面。距汉江、安康水库、安康铁路大于3 km，无深层抽水和注水，无大型建筑和大型仓库，无采矿爆破点。2018年3月正式观测。

宁陕台始建于1977年，海拔高度850 m。台址位于月河断裂附近，北亚热带季风气候，周边环境较好。台基岩性为印支期花岗岩，大面积出露。洞体深度近40 m，观测环境良好，资料连续可靠，利用率高。2019年9月正式观测。

VP型垂直摆属于地倾斜观测手段中的一种，摆体结构简单、体积较小且维护方便，安置于观测墩上，被广泛应用于地形变台站监测。VP型垂直摆采用秒采样记录，记录数据稳定，分辨力优于0.001 ms，位移传感器精度为0.0001 μm，日漂移<0.005 ms。陕西省VP型垂直摆均安装于形变观测山洞内，受干扰程度小。台站分布如图1所示。

图1 陕西省VP型垂直摆地震台站分布图Fig.1 Distribution of VP type vertical pendulum seismic stations in Shaanxi Province

2 观测资料分析

2.1 正常固体潮记录

日波曲线记录了地壳一天内所产生的形变量，反映了地壳一天的变化。以2020年10月12日4个地震台站记录日变分钟值和理论固体潮曲线（图2）为例，4套仪器NS向与理论固体潮相关性较好，除宁陕台相位滞后75 min左右外，其余3个台站相位滞后较小；EW向与理论固体潮相位滞后较大，其中乾陵台、西安台相位滞后188 min左右，安康台相位滞后160 min左右，宁陕台相位滞后172 min左右。4个台站记录固体潮清晰，EW向日变幅度略大于NS向，除宁陕台稍有噪声外，其余3个台站观测曲线光滑，具有较好的同步性。

图2 2020年10月12日VP型垂直摆日变曲线与理论固体潮对比Fig.2 VP type vertical pendulum diurnal curve and theoretical solid tide contrast on 12 October 2020

2.2 资料连续性

选用陕西省各台站VP型垂直摆2020年观测资料，计算数据完整率和连续率，统计结果见表1。

通过表1可知，乾陵台、安康台和宁陕台完整率、连续率良好；西安台连续率、完整率较差，影响西安台完整率、连续率的主要因素是仪器故障和人为干扰影响。整体来看，陕西省VP型垂直摆观测数据连续性较好，平均完整率达99.50%以上，平均连续率达99.90%以上。

表1 VP型垂直摆完整率、连续率统计Table 1 Statistics of complete rate and continuous rate of VP vertical pendulum

2.3 观测精度对比

固体潮观测意义是计算实测固体潮相对理论固体潮的偏离数值，通过长期、连续观测获得固体潮随时间变化的信息，进而研究地球内部物性的变化及机理。取垂直摆整点值数据，使用调和分析计算固体潮偏离值[3]，应用中国地震前兆台网数据处理系统2011集成版①中国地震台网中心国家地震前兆台网中心.中国地震前兆台网数据处理系统（QZProcess）2011集成版求解潮汐因子、绝对误差、相对误差、相位滞后与相位误差，如表2所示。

观测精度跟场地环境、仪器最初架设情况、安装点的地理位置、地质构造、观测系统、人为干扰、自然环境干扰等均密切相关。观测精度指标主要取决于绝对误差。表2中显示，乾陵台和宁陕台潮汐因子、绝对误差和相对误差值较为相近，绝对误差均小于0.02，观测精度高，乾陵台更优于宁陕台；安康台、西安台观测精度较乾陵台差距较大；观测精度由高到低为：乾陵台、宁陕台、安康台、西安台。

表2 2020年1—12月VP型垂直摆调和分析结果Table 2 The harmonic analysis results of the vertical pendulums from January to December 2020

2.4 日均值变化趋势相关性分析

相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标。相关系数按积差方法计算，同样以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映两变量之间的相关程度。相关系数是研究变量之间线性相关程度的量，一般用字母r表示，相关系数计算公式为：

其中，rxy表示x、y数列之间的相关系数；x=X−，y=Y−；sx、sy分 别是x、y的标准差；N为成对量数的次数[4]。

采用2020年4个台站日均值数据，通过mapsis地震分析预报系统①蒋骏，李胜乐，张雁滨，等.基于GIS的地震分析预报系统.中国地震局，2017，计算垂直摆最大相关系数（图3）。由于4个台站相距最远不超过150 km，固体潮峰谷出现时间偏差较小，对日均值数据影响可以忽略。从图3可以看出，乾陵台与西安台、安康台NS向相关性优于EW向，乾陵台与宁陕台EW向相关性优于NS向；总体而言，整体最大相关系数均大于0.8，其中乾陵台与西安台NS向、安康台NS向，乾陵台与宁陕台EW向最大相关系数大于0.9，属于高度相关。4个台站垂直摆相关性较好，说明4个台站观测数据稳定可靠，能够为地震分析提供依据。

图3 乾陵台与西安台、安康台、宁陕台2020年1—12月VP型垂直摆最大相关系数Fig.3 Maximum correlation coefficient of VP vertical pendulum between Qianling station and Xi’an station，Ankang station and Ningshan station between January and December of 2020

2.5 同震响应特征分析

乾陵台VP型垂直摆2020年共记录4—5级地震4次，5—6级地震60次，6—7级地震56次，7级以上地震4次，其他3个台站记录到的地震个数相当。

因4个台站相距较近，震中距相差不大，以乾陵台震中距为例，通过对4个台站4级以上典型地震事件记录情况统计（表3）。垂直摆观测数据记录地震的最大响应幅度与震级大小呈正比，与震中距、震源深度成反比；VP型垂直摆均安放于山洞内，受干扰较小，台站记录到的地震曲线振幅、响应时间均较为相似。以巴布亚新几内亚6.3级地震为例（图4）。乾陵台地震响应持续时间最长，其他3个台站相近，可能反应了乾陵台垂直摆对地震的响应更加灵敏。

图4 2020年10月8日巴布亚新几内亚6.3级地震陕西省VP型垂直摆观测数据曲线Fig.4 VP type vertical pendulum observation curve in Shaanxi Province during the M6.3 Papua New Guinea earthquake on October 8,2020

表3 垂直摆典型地震事件记录情况Table 3 Typical seismic records of vertical pendulum

3 认识和结语

通过对比陕西省乾陵台、西安台、安康台、宁陕台2020年VP型垂直摆观测资料，得到以下认识：

（1）4套仪器固体潮清晰，变化幅度相当，均能够准确反应地壳形变量；相关性较好；同震响应特征相似。

（2）4套仪器观测资料连续性良好。平均完整率达99.50%以上，平均连续率达99.90%以上。

（3）观测精度由高到低依次为：乾陵台、宁陕台、安康台、西安台。

从资料分析结果看，乾陵台得益于良好的场地环境以及仪器运行保障，观测质量优于其他3台。4套仪器总体同震响应特征差异不大，说明VP型垂直摆本身具有较高的记录地震能力，在场地环境差异较小的情况下，各设备映震效能接近。西安台主要受仪器故障和人为干扰影响导致分析结果较差。