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1、第 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 59监测与分析宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析夏超德（浙江省宁波地震台，浙江 宁波 315029）摘要：通过对宁波台地倾斜数字 VS 垂直摆与模拟 JB 水平摆倾斜仪 2002 年一年时间的并行观测和研究，认为在观测资料的连续性、稳定性、可靠性和观测精度上，VS 垂直摆倾斜仪明显优于 JB 水平摆倾斜仪；在数据传输上，数字化仪器实现了远距离快速传输，有利于及时捕捉地震的短临信息，有利于资料共享。引言2000 年以前，我国地震前兆地倾斜观测曾长期使用模拟记录仪器。随着科学技术的不断发展， “九五”期间中国地震局组织力量研制了一批数字化地震
2、前兆观测仪器，并对部分台站实施了数字化改造。宁波地震台于 2001 年 4 月安装了 VS 型垂直摆倾斜仪（简称 VS 垂直摆） 。通过对该台数字化倾斜仪与模拟 JB 型金属水平摆倾斜仪（简称JB 水平摆）2002 年一整年时间的并行观测和研究，发现数字化仪器记录资料的连续性、稳定性、可靠性和观测精度等明显优于模拟记录。本文拟对此作对比分析，为数字化仪器使用提供参考判据。1 台站观测条件及仪器1.1 台址及观测条件宁波地震台位于中国东部的杭州湾南岸，宁波盆地北部山区与平原交界处的江北区庄桥街道灵山村，纬度 29 58N 、经度 12131E，海拔 20m，距东海海岸约16m。地倾斜观测仪器安装
3、在台内进深约 43的人工开凿的专用山洞仪器室内，洞内台基为上侏罗纪火山岩，岩性致密坚硬，整体性好，洞室顶覆盖层厚度在 30以上，山坡上有杂草松树等植被，洞内有七道防护门，仪器室内日温差极小，年温差小于0.3，常年保持在 18.1左右，湿度大于 95%。数字观测 VS 垂直摆和模拟观测的 JB水平摆分别安装在同一山洞内的相距约 10的两个仪器室内，详见图 1。数字仪的记录室与摆室相距约 150，符合规范规定要求。周边没有明显的人为干扰因素，是一个环境条件较为理想的观测台站。1.2 观测仪器1.2.1 模拟观测仪器宁波台地倾斜模拟观测项目于 1973 年选台，1974 年开始建设，1977 年无锡
4、仪器仪表设备厂生产的 JB 型金属水平摆倾斜仪投入运转。JB 水平摆采用金属丝悬吊摆体，60 形变学科通讯 2006 年摆体产生水平摆动，利用机械光放大原理，使用照相纸连续记录，每天定时更换一次记录纸，对相纸处理后采用人工读数的方法获得观测数据。图 1 VS 垂直摆、JB 水平摆仪器室位置示意图1.2.1 数字化观测仪器根据“950102”项目要求和台站山洞条件，选用由中国地震局武汉地震研究所研制的 VS 型垂直摆倾斜仪。该仪器采用垂直悬挂的摆系，利用电容式位移传感器测量摆的微小位移，通过传感器把探测到的信号经电容测微机箱直接输入公用数据采集器中。公用数采选用由中国地震局地壳应力研究所研制的
5、DQS-2 型数采仪。除每天定时向省局自动传输数据外，台站也可通过计算机收集前一天及当天的分钟值和整点值数据。该台仪器同时配有长图记录器同步记录实时观测模拟电量曲线。仪器于 2001 年4 月安装，同年 8 月投入考核运行、11 月通过验收进入正式运行。2 观测资料对比分析2.1 资料的连续性对比VS 垂直摆有两种记录方式，公用数据采集器收集，模拟长图曲线记录。对2002 年观测数据进行统计，通过公用数采收集的数据，全年断记共 24 小时，缺记率为0.14%；其中更换仪器配件断记 6 小时（仪器厂家来台检查调试仪器） ，数采接触不良干扰、强雷电干扰、强震等，造成数据无法使用合计 18 小时。而
6、 VS 垂直摆的长图记录不通过公用数采，因此缺记率仅为 0.03%。由于 VS 垂直摆的输出有数字（数采） 、模拟两种方式同步记录，所以在数据应用时，只要“摆”不出现故障，数字与模拟记录的数据还可以互补内插，使数据丢失率减少，能够最大限度地保持数据的连续性。2002 年由于发生 7.0 级及以上地震使 JB 水平摆有 5 次发生靠摆、记录器及光源灯等其它原因造成记录曲线断记共计 75 小时，全年断记率为 0.43%。对比分析统计结果表明，观测资料的断记率数字化仪器比模拟仪器低。2.2 资料的稳定性对比表 1 是 2002 年 VS 垂直摆、JB 水平摆各月份零漂值统计结果。从统计表中可看出，第
7、 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 61VS 垂直摆的最小零漂值为 NS：4.2 毫秒（9 月） ，EW：7.1 毫秒（4 月） ；月平均零漂值为 NS：26.1 毫秒，EW ：51.9 毫秒；JB 水平摆最小零漂值为 NS：15.0 毫秒（5 月） ，EW：10.5 毫秒（ 7 月） ；月平均零漂值为 NS： 56.5 毫秒，EW：73.0 毫秒。在外界环境及潮汐变化幅度相同的情况下，前者明显小于后者，说明 VS 垂直摆比 JB 水平摆记录更加稳定。表 1 2002 年 VS 垂直摆、JB 水平摆各月零漂值*10 -3NS EW月 VS 零漂值 JB 零漂值 VS 零漂值 JB
8、 零漂值1 -0.0537 0.0236 0.0468 -0.13112 -0.0294 0.0883 0.0549 -0.15503 -0.0288 0.1038 -0.0286 -0.12834 -0.0166 0.0551 0.0071 -0.04875 -0.0072 -0.0150 0.0304 -0.04536 0.0277 -0.0193 0.0107 -0.04217 0.0632 -0.0686 -0.1080 -0.01058 0.0333 -0.0856 -0.1978 -0.02369 0.0042 -0.0974 -0.0308 -0.034610 0.0146 -0
9、.0288 0.0824 -0.049711 -0.0110 0.0375 0.0252 -0.073112 -0.0233 0.0555 0.0006 -0.13392.3 资料的观测精度对比应用形变前兆台网及台站数据处理系统软件中的调和分析方法对 2002 年 VS垂直摆、JB 水平摆的观测资料进行月系列调和分析，计算得到中误差和相对误差，结果见表 2。根据此资料计算得 M2 波潮幅因子均方差 m、外精度、相对噪声水平M1。JB 水平摆均方差计算结果：EW 分量年均值 0.0056，8 个月均值 0.0045， 均值中误差 0.044，外精度 2.9。NS 分量年均值 0.0068，6 个
10、月均值 0.057, 均值中误差0.101，外精度 3.3，m 加权平均 0.0050。见 2002 年度全国地倾斜与洞体应变台站观测资料计算结果及说明 2。VS 垂直摆均方差计算结果：EW 分量年均值 0.0051，8 个月均值 0.0041， 均值中误差 0.045，外精度 2.4。NS 分量年均值 0.0074，6 个月均值0.062， 均值中误差 0.097，外精度 2.18，m 加权平均 0.0046。相对噪声水平 M1 计算结果：JB 水平摆平均 3.00。VS 水平摆平均 2.40。在资料处理方法相同的情况下，VS垂直摆的 M2 波潮幅因子均方差 m、外精度、相对噪声水平 M1
11、等指标精度均高于 JB水平摆。62 形变学科通讯 2006 年表22002年VS垂直摆、JB水平摆中误差、相对误差统计表NS EWVS JB VS JB月中误差 相对误差 中误差 相对误差 中误差 相对误差 中误差 相对误差1 0.0084 0.0059 0.0191 0.0062 0.0090 0.0072 0.0089 0.00602 0.0126 0.0089 0.0265 0.0086 0.0041 0.0033 0.0077 0.00523 0.0146 0.0105 0.0288 0.0093 0.0062 0.0051 0.0157 0.01064 0.0105 0.0075 0
12、.0197 0.0063 0.0057 0.0046 0.0073 0.00515 0.0091 0.0063 0.0224 0.0071 0.0042 0.0035 0.0114 0.00786 0.0093 0.0063 0.0205 0.0064 0.0040 0.0032 0.0063 0.00417 0.0120 0.0080 0.0212 0.0066 0.0048 0.0039 0.0068 0.00458 0.0084 0.0058 0.0240 0.0078 0.0051 0.0041 0.0081 0.00539 0.0136 0.0096 0.0274 0.0091 0.
13、0059 0.0049 0.0084 0.005410 0.0129 0.0093 0.0262 0.0090 0.0065 0.0053 0.0116 0.007411 0.0102 0.0073 0.0227 0.0077 0.0040 0.0033 0.0163 0.010412 0.0099 0.0070 0.0189 0.0063 0.0045 0.0037 0.0089 0.00562.4 资料的可靠性分析2.4.1 模拟 JB 水平摆与数字 VS 垂直摆记录波形形态对比图 2 是 2002 年 11 月 1718 日 JB 水平摆整点值、VS 垂直摆整点值和分钟值观测曲线图。从图
14、中可以看出，两种仪器在正常情况下每天都能记录到清晰的固体潮波形，一日两峰两谷，两个分向同步性非常好。在幅度上 JB 水平摆两分量在 60 毫秒左右，VS 垂直摆东西在 60 毫秒左右，北南向略小在 40 毫秒左右。图中可看出，VS 垂直摆分钟值曲线比较光滑，JB 水平摆整点值曲线有较明显的尖点。图 3 是 2002 年 11 月 1718 日 JB 水平摆整点值、VS 垂直摆整点值和分钟值的矢量曲线图。图中显示两种仪器在一天时间里，基本上是两个逆时针旋转的不封闭椭圆，两个分向同步性变化也较好，且其中 VS 仪分钟值曲线比较光滑，更有利于异常的判断。在图 2a 中，JB 仪器北南向 18 日 0
15、4 时的数据误差为 4 毫秒不容易发现，但在图3d 中曲线有明显畸变，通过复查发现 04 时的数据为-40.8 毫秒而正确数据应为-36.8毫秒，为数据输入错误。图 2a 中 17 日 JB 仪器的分钟值有一些仅为 0.5 毫秒的小波动不易看清，而在图 3c 中有明显的矢量异常，查看地震记录 11 时 53 分在鄂霍次克海发生 7.0 级地震。第 1 期 宁波地震台地倾斜模拟与数字观测对比分析 63a NS 分量曲线图 b EW 分量曲线图图 2 2002 年 11 月 1718 日整点值和分钟值观测曲线图a 17 日 JB 仪整点值； b 17 日 VS 仪整点值； c 17 日 VS 仪分钟值；d 18 日 JB 仪整点值； e 18 日 VS 仪整点值； f 18 日 VS 仪分钟值。图 3 2002 年 11 月 1718 日 JB 仪整点值、VS 仪整点值和分钟值矢量曲线图图 4 是 2002 年 5 月、11 月 JB 水平摆与 VS 垂直摆整点值月分量曲线图。从图中能看出，两种仪器月潮汐变化都为两
