0 引言

VP宽频带垂直摆倾斜仪（以下简称宽频带倾斜仪）由武汉地震科学仪器研究院研制，是2012年进入国家地震前兆台网进行观测的新型地形变观测仪器。相比传统形变仪器，VP宽频带倾斜仪在采样率、频带宽度方面有显著提升，仪器调零方式有显著改进（马武刚等，2010）。至2016年中国50多个固体潮汐台站安装VP宽频带倾斜仪并投入运行，取得大量倾斜固体潮汐资料。

山西省代县地震台及灵丘地震台2012年底安装VP宽频带倾斜仪，2013年1月投入运行，采样率为1次/s。本文通过对2套倾斜仪观测记录进行分析，根据工作日志及前兆观测数据跟踪分析软件的进一步筛选，确认观测资料存在的主要干扰。文中列举宽频带倾斜仪在实际观测中产生的干扰图像，并作简要的物理机制说明，为识别干扰异常、提高日常观测资料质量以及了解倾斜仪在不同应变过程中的异常变化特征提供参考。

1 台站参数

山西省代县地震台位于太行山隆起区，北距五台山北缘断裂带2 km。台站场地出露地层为太古界五台群，岩性为斜长角闪片麻岩、绿泥片岩。观测山洞基岩为花岗片麻岩，洞深128 m，洞体覆盖层厚约45 m，洞室温度约13℃，日温差小于0.01℃，年温差小于0.1℃，观测基墩为完整基岩，稳定可靠。灵丘地震台位于灵丘县城西约20 km的东河南镇韩淤地村，前震旦期石英闪长岩出露。观测山洞岩石覆盖层厚度大于30 m，洞深47 m，洞室温度15℃，日温差小于1℃，年温差小于3℃，观测基墩建在基岩上，由水泥浇筑而成。

2 正常动态

代县及灵丘地震台宽频带倾斜仪正常记录的固体潮曲线均匀光滑、清晰连续，日变周期明显，波形呈2峰2谷形态；能记录到全球大的地震，记震幅度比其他同类形变仪器大，且能够记录到观测仪器附近地区的爆破、塌陷及其他形变仪器记录不到的周边小震（图 1，图 2）（李惠玲，2017）。对于周边较小地震，观测曲线表现出明显的阶跃现象，映震能力较好。

3 干扰分析

通过2013—2016年的观测曲线进行分析，发现受到雷电、气压、降雨、气旋、风扰、仪器标定、调零、检修等干扰，影响观测数据的正常使用。

3.1 自然环境干扰

雷电、降水、气压等均属于自然环境干扰。在形变观测中，自然环境影响因各测点地质条件、山洞覆盖层厚度、洞室的密封条件不同而各不相同，气候干扰具有长周期、大幅度和突发性特点，相同型号的仪器受同样干扰时出现的异常形态具有相似性。

（1）雷电干扰。夏季是雷雨多发季节，雷击容易造成仪器损坏，影响观测数据使用。雷电形成感应电场，可在地面金属网络中产生感应电荷，进而形成强大的瞬间高压电场，从而对用电设备的高压弧光放电，最终导致弱电设备，如主机、传感器、前置放大器等失灵甚至损毁。雷电对形变观测数据会造成一定影响，主要表现为观测曲线突发畸变、突跳、台阶或记录中断等。目前各台站均采取防雷措施，可有效避免雷电干扰。图 3给出灵丘台宽频带倾斜仪受雷电干扰曲线，由于雷电对仪器供电系统的干扰，传感器的定片电压发生变化，导致传感器动片在新的平衡位置开始记录，表现为数据大幅突跳及台阶；雷电过后，NS分量观测曲线恢复正常形态，EW分量曲线产生台阶变化。

（2）气压干扰。气压直接作用在地面上，成为一种大面积荷载，气压变化会导致地面负荷的增减，造成岩体孔隙压力的变化，影响观测数据正常记录；气压作用于仪器的某些部件，可直接导致观测数据发生变化。代县台宽频带倾斜仪放置在封闭性较好的山洞内，运行环境较为稳定，气压变化缓慢，观测数据受影响较小。短时气压的剧烈变化会引起洞腔内气体压强发生变化，仪器基墩及仪器本体承受的压力发生改变，产出的数据随之发生变化。从图 4可见，气压短时剧烈波动，代县宽频带倾斜仪观测曲线同步出现短周期剧烈波动，气压急剧下降或上升，宽频带倾斜仪对应出现固体潮抖动畸变（张凯等，2013）。通过系统整理历史观测资料，发现代县台宽频带倾斜观测资料与气压存在较强的相关性，气压干扰具有同步效应（李颖等，2017），以短周期突变导致固体潮畸变为主。统计分析显示，气压短时变化量达1 Pa以上时，会引起宽频带倾斜仪观测数据的同步变化。

（3）降雨干扰。雨水会引起地面负载发生变化，岩石的不规则裂隙经雨水渗透，体积膨胀，孔隙压力改变，使岩石产生不均匀变形。降雨通常导致固体潮汐曲线的趋势性连续变化及突变性转折变化，此变化是地下介质密度和重力均发生改变的双重效应（吕芳，2017）。

降雨的影响与降雨时间、降雨量等密切相关。降雨时干扰不明显，因地质环境及雨水渗入条件，干扰具有滞后性；另外，对于某些特殊地质条件的台站，长时间持续性降雨（连续强降雨）易引起突发性转折变化；降雨量较小，降水造成的倾斜量相对于固体潮变化较小，引起的变化有时不明显。以代县、灵丘台2016年日降雨总量为基本分析单位，采用日降雨总量大于10 mm的大气降水为研究样本，研究降雨对2套宽频带倾斜仪观测的影响。

研究表明，宽频带倾斜仪受降雨干扰存在一个趋动值，当降雨量未达到趋动值时，雨水未渗入岩隙便流失、蒸发，不会对地倾斜产生影响；当降雨量增大，达到趋动值时，2套宽频带倾斜观测数据均出现明显的长周期趋势性升降变化；降水结束后，干扰将持续几天甚至几十天。

统计2016年代县、灵丘台部分降雨时段宽频带倾斜观测资料的响应幅度及趋动降雨量的概值，见表 1。趋动降雨量随地下介质的含水饱和度或降雨的缓急不同而发生变化。从表 1可知，代县、灵丘台宽频带倾斜观测资料对暴雨影响灵敏，当连续降雨量超过趋动降雨量时，降雨干扰就会表现出来。

图 5给出2016年6月—7月代县台宽频带倾斜观测及降雨量分钟值对比曲线。代县台辅助降雨量统计结果显示，2016年7月19日—21日发生1次较大的持续降雨过程，7月19日代县台降雨量64 mm，20日降雨量15.9 mm，21日降雨量2.4 mm，引起的倾斜变化存在一定滞后，连续3天降雨导致代县宽频带倾斜仪NS分量22日在南倾基础上转折北倾，EW分量23日起小幅西倾（图 5）；7月24日—25日代县再次出现短时大雨，降水时段主要集中在24日22:00—25日7:00，降雨量26 mm，受2次短时强降雨及雷电的双重影响，宽频带倾斜仪观测曲线变化趋势发生较大改变，持续十几天仍不能完全恢复正常。

灵丘台无辅助三要素观测，据灵丘国家基本气象站统计资料，2016年7月19日降雨量达66 mm，20日降雨量54.7 mm，21日降雨量9.8 mm，3天降雨总量达130.5 mm。同样受连续强降雨影响，灵丘台宽频带倾斜仪NS分量7月20日在持平基础上发生倾斜突变，快速北倾，EW分量20日18时后快速西倾，至23日，NS、EW分量逐步转折恢复（图 6）。

由图 6的2次降雨特点可知，第1次降雨相对分散，雨水入渗充分，地表变形缓慢；第2次降雨集中在24日22时—25日1时，大雨迅速形成地表径流，加载引起快速变形。因此，降雨对倾斜观测的影响与降雨时间、降雨量及降雨过程等密切相关。由于代县、灵丘均地处干旱、半干旱地区，且洞体被覆较厚，当降雨量小或降雨持续时间较短时，对宽频带倾斜观测数据几乎无影响。当出现短时强降雨时，如：2016年7月19日—25日的大面积强降雨，持续降雨量超过趋动降雨量概值（表 1），2套宽频带倾斜观测资料均受到一定影响，具体表现为快速趋势转折。初期以雨水渗入覆盖层影响为主，之后雨水渗入山体基岩裂缝并加载到山体中，基岩密度与体积发生变化，并发生微小变形，因仪器墩与基岩相连，基岩的微小倾变必然使垂直摆倾斜仪观测值发生变化。

因代县台山洞北南高差明显，东西相对平缓，故降雨后主要表现为NS分量北倾、EW分量西倾但变化幅度较小（图 5）。从图 6可见，灵丘台宽频带倾斜观测受强降雨影响，NS分量北倾、EW分量西倾，与灵丘台山洞地势东南方向低、北西方向高一致，大量雨水快速向东南方向集中，造成该方向岩石压力和应变增强，表现为观测曲线的大幅突变性转折。

（4）台风及气旋扰动干扰。大风和气旋扰动易使形变观测数据曲线出现短时抖动加粗、高频成分叠加等干扰现象。据张燕(2003, 2014)、吕品姬（2011）等对高频宽频带倾斜观测资料分析，认为：在中国固体潮台站，宽频带倾斜仪能记录到由西太平洋热带气旋(热带风暴、台风)或近海海面大风引起的高频震颤波。而形成高频震颤波的主要原因为热带气旋运动过程中与浅海区大陆架及陆地表面的摩擦、气压载荷变化以及由此产生的海浪对地壳板块的冲击进而产生的地脉动，以及板块边界断层对气旋扰动的响应。台风或热带气旋易在1 Hz以及更高频率的采样仪器中引起响应。

采用小波分解与短时傅里叶变换(STFT)相结合的方法（吕品姬，2011），对台风期间相应时段记录的观测数据进行时频分析，通过小波变换将信号分离成趋势、细节2部分，再对细节进行短时傅里叶变换，得到高频信号时频图，丰富、直观地表现记录的扰动信息。

为了表述宽频带倾斜仪对这种扰动记录的普遍性和一致性，选取云南勐腊地震台宽频带倾斜数据，与山西省代县、灵丘台宽频带倾斜数据均做时频分析，图 7给出3个地震台2014年7月30日—8月3日宽频带倾斜观测数据的小波分解与短时傅里叶变换(STFT)时频分析结果。

结果显示：①除同震效应较明显外，在2014年12号台风娜基莉(Nakri)发生期间，代县、灵丘台宽频带倾斜仪8月1日17时—3日10时固体潮小波细节出现明显高频扰动，勐腊台宽频带倾斜仪固体潮小波细节同期呈现脉动加粗形态；②3套宽频带倾斜仪均能清晰记录到台风（娜基莉）引起的较强震颤波，形态、持续时间均一致；③时频分析结果显示，代县、灵丘台宽频带倾斜仪在0.15—0.28 Hz、勐腊台在0.15—0.3 Hz频段内，存在能量较强的扰动信号，在频谱图上显示较为清楚。据张雁滨（2013）教授对热带气旋（热带风暴、台风）的研究表明，扰动信号的强度与热带气旋的强度、运动路径以及气旋中心到地震观测台站的距离直接相关；扰动信号的持续时间与热带气旋的生命过程基本相符，扰动信号的扰动周期集中在3—7 s（代县、灵丘台卓越周期在4—7 s、勐腊台卓越周期在3—7 s），强信号出现时间为1—3天，其包络线呈明显的纺锤状叠加在观测背景信号上，过程清晰。代县、灵丘与勐腊台虽然相距2 000多千米，但3套宽频带倾斜仪出现变化的时间同步，均为1—3日记录到强震颤信号，滤波后可清楚显现台风引起的高频扰动。

3.2 人为干扰

工作人员进入观测山洞进行仪器调零、标定、检修、调试等操作，容易形成人为干扰，因有详细的日志记录，通常容易识别。2016年3月25日对灵丘台宽频带倾斜仪NS分量进行标定，由于标定重复记录读数，形成阶跃曲线，见图 8(a)。为了保证地震前兆观测数据精度及准确性，在观测仪器不能达到日常工作所要求的技术指标范围时，台站工作人员需多次进入山洞调节、检修仪器，在此过程中会对观测数据产生较大干扰，导致固体潮曲线畸变，见图 8中(b)、(c)图。

4 结束语

通过对山西省2套宽频带倾斜仪受自然环境及人为干扰事件进行分析，得到以下认识：①代县台、灵丘台宽频带倾斜观测主要受雷电、气压、降雨、气旋、风扰及一些人为因素影响，观测曲线出现不同程度的固体潮畸变；②雷电干扰会导致观测曲线突变或直接造成仪器损坏。因此，有条件的台站可对现有供电方式进行改造，如：改交流为直流，采用太阳能供电或直流电源方式，减少仪器供电干扰，降低供电功耗，并可减少仪器雷击风险，降低雷电危害；③气压、降雨及风扰无法避免。在日常观测中，宽频带倾斜仪受气压和风扰影响较多，观测曲线表现为固体潮抖动畸变、毛刺或增粗，但对固体潮日变形态及年变化趋势无明显影响；连续强降雨会对曲线变化趋势造成影响，持续几天甚至十几天；④人为干扰应尽可能避免，检修仪器时可以减少操作人员数量、缩短操作时间等。

本研究得到马武刚老师的悉心指导与帮助，在此深表谢意！