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

Figure  1.  Distribution of VP type vertical pendulum seismic stations in Shaanxi Province

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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

Figure  2.  VP type vertical pendulum diurnal curve and theoretical solid tide contrast on 12 October 2020

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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。

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

	完整率/%			连续率/%
	NS	EW		NS	EW
乾陵台	99.93	99.94		99.99	99.99
西安台	98.52	98.63		99.87	99.87
安康台	99.59	99.67		99.96	100
宁陕台	99.94	99.93		100	100
平均	99.50	99.54		99.96	99.97

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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。

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。

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

台站名	测向	潮汐因子	绝对误差	相对误差	相位滞后/°	相位误差/°
乾陵台	NS	0.5733	0.0058	0.0101	−55.6448	0.5789
	EW	0.6535	0.0046	0.0070	−51.5935	0.4023
西安台	NS	0.8057	0.0388	0.0483	−54.3560	2.7679
	EW	0.2726	0.0102	0.0826	−48.7029	4.7324
安康台	NS	0.3930	0.0220	0.0570	29.4025	3.2658
	EW	0.4600	0.0098	0.0223	1.5956	1.2769
宁陕台	NS	0.5782	0.0148	0.0265	−49.6981	1.5210
	EW	0.6969	0.0094	0.0135	−63.4197	0.7750

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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。

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，$ {r}_{xy} $表示$ x{\text{、}}y $数列之间的相关系数；$ x=X-\bar{x} $，$ y= Y-\bar{y} $；$ {s}_{x}{\text{、}}{s}_{y} $分别是$ x{\text{、}}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^②，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

Figure  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

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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。

表  3  垂直摆典型地震事件记录情况

Table  3.  Typical seismic records of vertical pendulum

地点	发震时间	震级（M）	震源 深度/km	震中距 /km	最大响应幅度/10−3″					响应时间/min					响应持续时间/min
					乾陵台	西安台	安康台	宁陕台		乾陵台	西安台	安康台	宁陕台		乾陵台	西安台	安康台	宁陕台
四川 北川县	2020-10-22	4.7	20	485	12.9	70.3	31.1	211		2	2	2	2		12	15	10	8
日本	2020-10-03	5.6	60	3030	10.2	4.8	8.6	11.57		11	13	11	13		30	17	19	22
巴布亚 新几内亚	2020-10-08	6.3	100	6033	7.8	5.2	11.5	9.1		17	17	16	15		78	51	54	67
菲律宾	2020-12-16	6.1	10	3720	23.3	24.2	40.6	57.2		14	12	13	13		60	59	37	35
希腊	2020-10-30	6.9	10	7073	62.1	34.3	38	100.1		12	13	12	14		159	128	147	117
美国	2020-07-22	7.8	10	7126	329.6	301.2	205.8	662.3		11	11	10	12		248	199	215	205

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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

Figure  4.  VP type vertical pendulum observation curve in Shaanxi Province during the M6.3 Papua New Guinea earthquake on October 8, 2020

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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。