1. 引言
固原地震监测中心站辖区内炭山形变台和泾源形变台各有一套VP宽频带倾斜仪。炭山形变台自建成之日起架设的是VP型宽频带倾斜仪，泾源形变台始建于2006年，最初架设的是VS型垂直摆，于2017年11月升级为VP宽频带垂直摆。VP宽频带垂直摆倾斜仪的测量频带宽度由2秒至无穷大 [1]，其优于千分之一角秒的分辨力和拓宽的频带，不但满足了对地倾斜的观测，并且也能记录到缓慢地震和长周期地震等更多地震信息 [2]。由于场地环境、仪器最初的架设情况、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 [3] 均不相同，两套仪器所产生的数据优劣性也不尽相同。本文对炭山台、泾源台VP宽频带垂直摆观测数据进行固体潮记录、数据连续性、观测精度、相关性以及同震响应特征等方面的综合分析，明确两套仪器的资料产出质量等情况，对其运行价值充分地了解，本次研究对开展地震监测预报工作具有较高的理论研究价值和现实意义 [4]，本文将对这两个形变台站2021年1~12月VP宽频带垂直摆观测数据进行研究分析对比。
2. 台站概况以及仪器特点说明
泾源形变台始建于2006年4月，北纬35.49˚，东经106.34˚，海拔高度为1890 m，台基为第四纪洪积沙土，基岩完整质密，位于泾源县城卧龙山下的旧防空洞内，东面有牛首山—固原断裂，西面有六盘山东麓断裂。原山洞南北(NS)、东西(EW)两个方向成120˚夹角，施工将EW方向取直，与NS向成90˚正交。最终两个方向的室内长度分别为：NS向33米，引洞加23米主洞，EW向洞长23米。清理洞内地面浮土厚20 cm至新鲜岩石，将所有清理出的土夯填到山洞东端废弃段(上部不留缝隙)。山洞顶部覆盖厚度小于15米，山体上覆盖植物密度高且均为高度较大的植物。洞体室温8度，洞内年温差变化小于0.2度。VP宽频带垂直摆于2017年11月正式观测。
炭山形变台始建于2012年11月，北纬36.39˚、东经106.27˚，海拔高程2300 m，地处宁夏南部多山地区，属大陆半干旱草原气候带，干旱少雨。开凿洞室长度北南向(NS)为50米，东西向(EW)为30米，区域断裂有海原断裂和六盘山东麓断裂带北端，处于牛首山–罗山–固原断裂带与烟囱山断裂带中间。山洞顶部覆盖大于40米，侧向覆盖大于30米。主体山脉基本无植被，接近主峰局部地方(背坡)有沙砾石覆盖现象，两公里内没有大的活动断裂通过。洞内岩石系前寒武系和石英云母片岩，完整性好。洞体室温8度，年变化小于0.4度，观测洞室的顶部地形对称性良好。
VP宽频带垂直摆用于测量地球内部的倾斜变化，是地震前兆观测的重要手段之一 [5]。与其他洞体倾斜仪(水管倾斜仪、石英水平摆倾斜仪)相比，VP垂直摆倾斜仪在传感器方式、机械结构、电路结构和运行维护等方面更简单实用 [6]。VP型垂直摆倾斜仪是由中国地震局地震研究所在VS型垂直摆倾斜仪基础之上研发的新型地震前兆观测设备，由于其优于千分之一角秒的分辨力和拓宽的频带不但满足了对地倾斜固体潮的观测，并且也能记录到缓慢地震和长周期地震等更多的地震信息 [7]。VP宽频带垂直摆测量太阳和月亮位置变化所引起的铅垂线变化，用于测量倾斜固体潮 [8]。VP宽频带垂直摆的位移传感器精度达万分之一微米，大大缩短了摆长，减小了仪器尺寸和加工难度。两套仪器均安装在观测洞内，受干扰较小 [5] (图1)。
Figure 1. Geological structure map of Jingyuan station and Tanshan station
图1. 泾源台、炭山台地质构造图
3. 观测数据分析
3.1. 正常固体潮记录
用VP宽频带垂直摆可以观测到地球的固体表层和海洋潮汐相似的周期性升降现象，记录的日观测曲线展示了地壳在一天内所产生的弹性形变量，反映地壳一天的变化 [4]。陆地表面的升降幅度可达7~15 cm，当存在固体潮时，垂直摆铅垂线的方向和地面倾斜会发生相应的变化，但幅度不大，仅有千分之几角秒角度。以2021年03月26日炭山台和泾源台记录的日变分钟值和理论固体潮曲线(如图2，图3)为例，炭山台NS与EW向实测曲线与理论固体潮相关性好，而泾源台NS向与EW向相关性较差，NS向与理论固体潮相位相比，滞后110分钟，EW向比理论固体潮相位滞后123分钟。炭山台VP型垂直摆记录的观测曲线日变幅较小，泾源记录的日变幅相对较大，而且泾源所记录的固体潮曲线没有炭山清晰，这是因为泾源所处山洞的条件较炭山差，山洞上部覆盖层不足15米，山坡上布满高大挺拔的树木，容易受到天气等因素的影响，例如风扰、降雨等 [9]。每当刮风、降雨时，VP型垂直摆会迅速超出量程。场地的不对称也会对数据产生影响 [10]，泾源山洞的西侧临近水库，所处场地不是无限广阔且对称的，故水库对东西向所记录的曲线有影响 [11]，且自从VP型垂直摆架设之日起，东西向的曲线一直向西漂移的趋势，在向西漂移的趋势上，记录的曲线也受到水库蓄放水的扰动影响。
3.2. 资料连续性
本次研究分析采用宁夏省泾源形变台、炭山台VP型垂直摆2021年观测资料，计算数据完整率与连续率，具体情况见下表1：
(a)
(b)
Figure 2. Comparison between NS diurnal observation curve of VP vertical pendulum and theoretical earth tide in Jingyuan station and Tanshan station
图2. 炭山台与泾源台VP型垂直摆NS向日观测曲线与理论固体潮对比
(a)
(b)
Figure 3. Comparison between EW diurnal observation curve of VP vertical pendulum and theoretical earth tide in Jingyuan station and Tanshan station
图3. 炭山台与泾源台VP型垂直摆EW向日观测曲线与理论固体潮对比
Table 1. Statistics of VP broadband vertical pendulum continuity and integrity
表1. VP宽频带垂直摆连续率、完整率统计
通过统计发现，炭山台连续率、完整率良好，连续率北南、东西两个测向均达到99.92%。泾源台北南向连续率与完整率良好，连续率达到99.99%、完整率达到99.71%，东西向相对南北向连续率、完整率较差，影响该测向观测资料连续性的主要因素有仪器故障、人为干扰、环境影响等。泾源台形变台是旧防空洞改造而成，洞体顶部土层覆盖厚度小于15米，山坡上覆盖的植物密集，容易受到天气等因素的干扰 [12]，观测数据迅速超出观测量程，反复调零影响观测数据的完整率 [13]。
3.3. 观测精度对比
固体潮观测的实际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、连续观测获的固体潮随时间的变化信息，进而研究地球内部物性的变化及机理 [14]，取VP型垂直摆整点值数据，使用调和分析计算固体潮偏离值，应用中国地震前兆数据处理系统2011集成版 [4]，求解潮汐因子、绝对误差、相对误差、相位的滞后与误差，如表2所示。
观测精度跟场地环境、仪器最初的架设情况、安装点的地理位置、地质构造、观测系统、认为干扰、自然环境干扰等密切相关 [3]。观测精度指标取决于绝对误差。
Table 2. Harmonic analysis results of VP type vertical pendulum from January to December 2021
表2. 2021年1~12月VP型垂直摆调和分析结果
通过调和分析发现，炭山台东西向绝对误差最小，观测精度最高，炭山台北南向的绝对误差相对较小，泾源台的北南向、东西向绝对误差均较大，观测精度较低。炭山在极端天气干扰的情况下，数据稳定性高，泾源在极端恶劣的天气下(降雨、刮风)数据跳跃极大，经常出现超出量程的情况。
3.4. 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 [15]。相关系数按积差方法算，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。相关系数是研究两
变量之间相关程度的量，一般用字母r表示
。其中，
表示x、y数列之间的相关系数；
，
；
、
分别是x、y的标准差；N为成对量数的次数 [16]。
采用2021年炭山台、泾源台的日均值数据，通过mapsis基于GIS的地震分析预报系统，分别计算泾源台、炭山台NS、EW向VP宽频带垂直摆最大相关系数(图4，图5)。
Figure 4. Maximum correlation coefficient in NS direction between Jingyuan station and Tanshan station
图4. 泾源台与炭山台NS向最大相关系数
Figure 5. Maximum correlation coefficient in EW direction between Jingyuan station and Tanshan station
图5. 泾源台与炭山台EW向最大相关系数
从图中可以看出，两个台NS向的相关性好于EW向的相关性。NS向的最大相关系数在0.9左右，而EW向的相关系数整体低于0.7。NS向相关系数的低值主要集中在1~4月，西北地区1~4月的天气为全年最恶劣时段，狂风呼啸，黄沙漫天，为一年中风扰最为严重的时候，故而观测数据将会受到风扰的影响；而EW向的低值主要集中在1~4月、8~10月，受到风扰的同时受到水库蓄放水的影响，5~7月水库处于蓄水状态，而且蓄水情况稳定，从某种程度来讲，水库所蓄水的体积无限扩大了仪器的观测场地，使观测场地达到一个对称的状态，观测曲线固体潮形态会比较清晰。这也从另一个方面论证了泾源台所记录的曲线确实受到风扰、水库蓄水的影响。
3.5. 同震相应特征分析
炭山台VP型垂直摆2021年共记录4~5级地震19次，5~6级地震45次，6~7级地震42次，7级以上地震16次。泾源台VP型垂直摆2021年共记录4~5级地震18次，5~6级地震36次，6~7级地震37次，7级以上地震16次。两套垂直摆记录的地震次数差不多(表3)。
Table 3. VP broadband vertical pendulum seismic event records at Tanshan and Jingyuan stations
表3. 炭山台、泾源台VP宽频带垂直摆地震事件记录情况
2021年8月5日棉兰老岛6.9级地震为例，从图中可以看出，炭山台VP宽频带垂直摆对地震的响应幅度大于泾源台VP型垂直摆，响应时间快于泾源台VP型垂直摆，响应时间也更快(图6)。
(a)
(b)
Figure 6. VP broadband vertical pendulum observation curve of Mindanao M6.9 earthquake on August 5, 2021
图6. 2021年8月5日棉兰老岛6.9级地震VP宽频带垂直摆观测曲线
4. 认识和结语
通过对比炭山台、泾源台VP宽频带垂直摆观测资料，得到以下结论：
1) 炭山台记录的曲线固体潮相对明显，泾源台观测曲线固体潮不明显；
2) 两套仪器观测连续率均达到99.90%，炭山台、泾源台北南向(NS)完整率均达到99.50%以上，而泾源台东西向(EW)完整率为98.53%，这与泾源台EW向经常做超量程数据预处理有关；
3) 两个台NS向的相关性好于EW向的相关性。NS向的最大相关系数在0.9左右，而EW向的相关系数整体低于0.7。NS向的相关系数主要受到风扰的影响，而EW主要受到风扰和水库蓄水的影响，其中风扰的影响集中在1~4月，水库蓄放水的影响集中在8~10月；
4) 从整体观测曲线看，炭山观测数据受到的干扰小，泾源观测曲线受到的干扰大些。
致谢
感谢宁夏回族自治区地震局中卫地震监测中心站师海阔副站长对本文的研究提供技术指导。
基金项目
宁夏自然科学基金资助项目(2020AAC03441)。