沈陽(yáng)臺(tái)水平擺傾斜儀與超寬頻帶地震儀對(duì)比觀測(cè)分析

方禹心

（沈陽(yáng)地震基準(zhǔn)臺(tái)，遼寧 沈陽(yáng) 110061）

0 引言

石英水平擺傾斜儀可以對(duì)由地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而造成的地面傾斜變化進(jìn)行測(cè)量，其存在的穩(wěn)定性以及觀測(cè)精度是相對(duì)較高的，是進(jìn)行地震前兆觀測(cè)的重要手段之一[1]。沈陽(yáng)臺(tái)傾斜儀長(zhǎng)期觀測(cè)實(shí)踐表明，水平擺傾斜記錄曲線上往往疊加有大量突跳、階變等不明原因變化，厘清這些現(xiàn)象是真實(shí)的傾斜變化還是儀器工作狀態(tài)不正常所致尤為重要。JCZ-1T 超寬頻帶數(shù)字地震儀優(yōu)秀的頻帶響應(yīng)為我們提供了這個(gè)可能。超寬頻帶地震計(jì)具有全頻帶覆蓋特性，其低頻端輸出延伸到固體潮汐，為獲取穩(wěn)定的低頻端數(shù)據(jù)的提供了觀測(cè)條件。我們可以利用地震計(jì)LP通道連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)中的水平分向數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理獲得的傾斜資料。通過(guò)兩套記錄數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，試圖利用超寬頻帶地震儀記錄與石英水平擺傾斜儀記錄進(jìn)行對(duì)比，為異常認(rèn)定提供一個(gè)手段。

本文選取2013 年1 月1 日至2017 年12 月31 日沈陽(yáng)地震臺(tái)SSQ-2I 型水平擺傾斜儀和JCZ-1T 型超寬頻帶地震計(jì)記錄的數(shù)字振動(dòng)波形數(shù)據(jù)，對(duì)傾斜儀頻響特征進(jìn)行研究，進(jìn)而從物理學(xué)角度對(duì)傾斜觀測(cè)中的一些異?，F(xiàn)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)這些變化的異常性質(zhì)進(jìn)行分析判斷。

1 沈陽(yáng)地震臺(tái)傾斜測(cè)震觀測(cè)基本情況

沈陽(yáng)地震臺(tái)處在沈陽(yáng)市東郊東陵區(qū)天柱山西南麓，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)和東陵園林交界處，距沈陽(yáng)市中心17.5 km。觀測(cè)山洞總長(zhǎng)79.6 m，形狀呈現(xiàn)為馬蹄形，自山根水平掘進(jìn)，觀測(cè)室位于山洞內(nèi)。山洞頂部覆蓋約23 m，有植被。臺(tái)站附近沒(méi)有大的水庫(kù)、河流、注水干擾等。自地震臺(tái)被建設(shè)以來(lái)，通過(guò)實(shí)測(cè)記錄可知：洞內(nèi)溫度最高為12.1 ℃，溫度最低為10.6 ℃，年變化低于1.5 ℃，日變化低于0.1 ℃。

臺(tái)站數(shù)字地震監(jiān)測(cè)設(shè)備自1999 年9 月開始安裝，至2000 年1 月大體完工，運(yùn)用了頻帶最寬的JCZ-1 型甚寬帶地震儀與EDAS-24 型數(shù)據(jù)采集器，于2000 年12 月通過(guò)省局驗(yàn)收后正式觀測(cè)。2007 年6 月4 日安裝了石英水平擺傾斜儀SSQ-2I 觀測(cè)系統(tǒng)并開始運(yùn)行，于2010 年2 月納入遼寧省局前兆臺(tái)網(wǎng)管理系統(tǒng)；2012 年4 月20 日采用新的超寬頻帶地震計(jì)JCZ-1T，同時(shí)JCZ-1 地震計(jì)停測(cè)；2017 年6 月20 日采用新的數(shù)據(jù)采集器EDAS-24GN[2]。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

沈陽(yáng)臺(tái)配置SSQ-2I 石英水平擺傾斜儀進(jìn)行形變觀測(cè)，本臺(tái)固有傾角值（ψ）為：ψNS=0.12987″（NS 測(cè)向），ψEW=0.12569″（EW 測(cè)向）；擺體直角邊距離（S）為：SNS=329 mm（NS 測(cè)向），SEW=329 mm（EW 測(cè)向）。沈陽(yáng)臺(tái)SSQ-2I 數(shù)字化石英擺傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)自2010年3 月起基本完整，在此選用2013—2017 年的分鐘值數(shù)據(jù)，分析觀測(cè)曲線特征（圖1），圖中明顯可見：形變觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，固體潮曲線圓滑，大潮小潮分明。

圖1 2013 至2017 年分鐘值數(shù)據(jù)曲線Fig.1 Minute data curve from 2013 to 2017

JCZ-1T 屬于全頻帶覆蓋儀器，其頻帶是50Hz-DC。它能夠感知所有經(jīng)由地震計(jì)框架傳遞至傳感器的信號(hào)，無(wú)論是地震信號(hào)還是環(huán)境擾動(dòng)信號(hào)。和短周期地震計(jì)存在差別，短周期地震計(jì)僅為有選擇地對(duì)落入其頻帶的信號(hào)進(jìn)行記錄，對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)周期變化不夠敏感，超寬頻帶觀測(cè)已把儀器和環(huán)境化為一體[3]。JCZ-1T 的全頻帶覆蓋特征為地球自由振蕩觀測(cè)創(chuàng)設(shè)了優(yōu)良的條件，強(qiáng)烈地震激發(fā)的地球自由振蕩持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)天。經(jīng)研究可以發(fā)現(xiàn)：在超長(zhǎng)周期頻帶內(nèi)的地球自由振蕩明確信息，有的震蕩周期長(zhǎng)達(dá)千秒以上。

表1 SSQ-2I 與JCZ-1T 儀器信息

3 數(shù)據(jù)處理及研究思路

資料搜集了2013 年至2017 年時(shí)間跨度的沈陽(yáng)臺(tái)JCZ-1T 超寬頻帶數(shù)字化地震計(jì)的觀測(cè)資料、SSQ-2I 型石英水平擺傾斜儀觀測(cè)記錄的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的輔助觀測(cè)氣象資料。我們以JCZ-1T 地震計(jì)的LP 加速度信號(hào)通道記錄信息為主要研究對(duì)象，該通道的觀測(cè)頻帶為360 s-DC 加速度紀(jì)錄。根據(jù)研究需要，按照可確定事件（例如中等強(qiáng)度地震、潮汐變化等）和環(huán)境因素（自然）篩選劃分從中選取典型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

基于JCZ-1T 超寬頻帶地震儀和SSQ-2I 石英水平擺傾斜儀記錄的物理量的不同，研究分析兩套儀器對(duì)相同地面運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)方式，通過(guò)可以確定的事件，比如地震、潮汐變化等；分析兩套儀器記錄相同地面運(yùn)動(dòng)各自的曲線特征，總結(jié)兩套觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄是否同步的判定方法；對(duì)比分析兩套觀測(cè)系統(tǒng)記錄曲線是否同步，結(jié)合觀測(cè)日志對(duì)不同的幾組產(chǎn)生原因進(jìn)行分析；分析各種環(huán)境因素一起兩套儀器同步數(shù)據(jù)曲線變化規(guī)律，總結(jié)可以用來(lái)判斷傾斜異常真實(shí)性的兩套儀器的曲線特征。

4 兩套儀器對(duì)比觀測(cè)結(jié)果分析

地震儀和傾斜儀對(duì)地面運(yùn)動(dòng)引起的地傾斜變化均反應(yīng)敏感。地震儀主要設(shè)計(jì)用于檢測(cè)諸如體波（P 波、S 波）面波（瑞雷波、勒夫波）等各種地震波。模擬記錄情況下前兆儀器的采樣僅到整點(diǎn)值，而隨著數(shù)字觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展和采樣率的提高逐步凸顯傾斜儀的信號(hào)優(yōu)勢(shì)，還能完整地記錄地震波形。在主要頻帶內(nèi)與地震儀有很大范圍的重疊，因此可以與地震儀信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。SSQ-2I 傾斜儀在沈陽(yáng)地震臺(tái)的觀測(cè)表明，除周期很小的地方震之外，該儀器對(duì)周期較長(zhǎng)的近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震都有清晰的記錄。

4.1 地震事件記錄

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，北京時(shí)間2017 年11 月18 日06 時(shí)34 分在西藏林芝市米林縣（北緯29.75°，東經(jīng)95.02°）發(fā)生MS6.9 級(jí)地震，震源深度10 km。

圖2 給出了沈陽(yáng)臺(tái)傾斜儀和地震儀對(duì)西藏林芝市米林縣MS6.9 級(jí)地震的波形記錄。在兩套儀器的記錄曲線上均能明顯地辨認(rèn)出P 波、PP 波、S 波及勒夫面波，兩套儀器波形相似度較高，即傾斜儀可以準(zhǔn)確地記錄高頻地面運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

圖2 沈陽(yáng)臺(tái)傾斜儀記錄到的2017 年11 月18 日西藏林芝市米林縣MS6.9 級(jí)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 自然環(huán)境因素

4.2.1 降雨干擾

在地震形變前兆觀測(cè)中，降雨干擾是相對(duì)普遍且典型的干擾現(xiàn)象，降雨主要由暴雨、大雨、持續(xù)性降雨所組成。持續(xù)性降雨干擾可表現(xiàn)在觀測(cè)曲線呈現(xiàn)出緩慢脈動(dòng)狀與趨勢(shì)性變化；強(qiáng)降雨與大雨的干擾主要呈現(xiàn)為轉(zhuǎn)折性以及短時(shí)間趨勢(shì)性加速變化[4]。持續(xù)強(qiáng)降雨之后，山洞表面易于出現(xiàn)積水，且浸潤(rùn)作用于臺(tái)基形成的地質(zhì)效應(yīng)，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)值出現(xiàn)大幅度加速變化。下圖是2016 年9 月9 日下午15 時(shí)至2016 年9 月10 日上午06 時(shí)，沈陽(yáng)大暴雨降雨量85.9 mm，導(dǎo)致傾斜儀短時(shí)間數(shù)據(jù)變化，降雨結(jié)束后恢復(fù)。

圖3 沈陽(yáng)臺(tái)傾斜儀記錄到的降雨波形Fig.3 Rainfall waveform recorded by inclinometer at Shenyang Seimic Station

4.2.2 大風(fēng)干擾

在觀測(cè)中，大風(fēng)干擾也是普遍且典型的干擾現(xiàn)象，東北地區(qū)的春季以及秋季較為多見。2017 年5 月18 日1 時(shí)，沈陽(yáng)地震臺(tái)受到大風(fēng)干擾（圖4），進(jìn)而造成傾斜儀北南分量與東西分量的固體潮不清晰，全天數(shù)據(jù)抖動(dòng)，曲線變粗，地震儀也有不同程度的抖動(dòng)[5]。

圖4 沈陽(yáng)臺(tái)傾斜儀記錄到的風(fēng)擾波形Fig.4 The wind disturbance waveform recorded by inclinometer at Shenyang Seismic Station

5 結(jié)論

從實(shí)際觀測(cè)的角度研究對(duì)比分析兩套儀器在相同觀測(cè)環(huán)境下記錄的數(shù)字振動(dòng)波形數(shù)據(jù)，可以相互印證兩套儀器各項(xiàng)功能的可靠性和一致性。沈陽(yáng)臺(tái)SSQ-2I 型水平擺傾斜儀與JCZ-1T 型超寬頻帶地震計(jì)運(yùn)行于共同的觀測(cè)環(huán)境中，其怎樣對(duì)運(yùn)行與觀測(cè)質(zhì)量的內(nèi)在因素產(chǎn)生影響，借助對(duì)比觀測(cè)研究分析則能夠檢驗(yàn)以及檢測(cè)兩臺(tái)套儀器數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

（1）沈陽(yáng)臺(tái)SSQ-2I 型石英水平擺傾斜儀與JCZ-1T 型超寬頻帶地震儀在主要頻帶內(nèi)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)程度為一致的。

（2）并不是所有情況下都有一致響應(yīng)，這可能是由于兩套儀器的觀測(cè)物理量不同、靈敏度不同等造成的。

（3）地震激發(fā)的地動(dòng)信號(hào)存在極寬頻帶。我們時(shí)常談?wù)摰乃^慢地震，因?yàn)榇嬖陂L(zhǎng)期積累而突變特性，事實(shí)上是高頻地震波加超低頻地震波的疊加信號(hào)。所以，穩(wěn)定且存在極低儀器自身噪聲的超寬頻帶觀測(cè)是非常重要的。