0 引言

VP型宽频带垂直摆是用于测量地球固体潮运动引起的地面倾斜变化、监测地壳变化的重要仪器，其测量灵敏度高达1‰×10^-3″，故可测量太阳与月亮位置变化引起的铅垂线方向变化，用于测量倾斜固体潮。

VP型宽频带垂直摆较VS型垂直摆有许多改进，精度提高，增加IP数据采集器，采样密度加大，由分钟采样变为秒采样，频带宽度提高20倍以上。承德地震台（下文简称承德台）VP型宽频带垂直摆是在河北省地震局安装的第2套“十五”摆式仪器，以前未对其运行状况及映震能力进行分析，在此对承德台VP型宽频带垂直摆运行效能进行分析，具有较高的理论研究意义。本文从VP型宽频带垂直摆与VS型垂直摆的仪器参数、观测资料、前兆异常等进行对比分析，并对VP型宽频带垂直摆进行R值评分，分析其运行效能。

1 VP型宽频带垂直摆参数

VS垂直摆采用高精度的电容式位移传感器进行测量，使得位移测量精度足够高，而VP型宽频带垂直摆是在VS型垂直摆基础上改进而成，采用甚长型基线设计，增加了仪器稳定性。

承德台VP型宽频带垂直摆于2013年12月12日正式运行，VS型垂直摆2002年1月1日运行，2015年7月1日停测，2套仪器安装于同一观测山洞的2个相邻洞室，安装条件相同，二者基本参数见表 1。

2 观测资料对比分析

选取2014年承德台VP、VS垂直摆并行期间的观测数据，从正常记录、有震记录、观测精度、连续率、完整率进行对比，分析VP型垂直摆运行效能。

2.1 资料对比

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。对比分析VS、VP型垂直摆日波记录，对分析二者记录地球固体潮的效能具有重要意义。

2.1.1 正常记录

以2014年12月4日VS型垂直摆及VP型宽频带垂直摆日变曲线（图 1）为例，分析二者正常记录特点。由于VS型垂直摆底座基线较短，底座相对不稳，因此在仪器状态及周边环境良好条件下，能够记录到光滑的日变曲线（VS型垂直摆EW向曲线），而在仪器状态不佳时，更容易产生畸变，如台阶、曲线畸变等（张常慧等，2007），见图 1(a)。VP型宽频带垂直摆因底座基线较长，稳定性更高，因此宽频带垂直摆EW、NS分量具有良好的稳定性，记录曲线光滑[图 1(b)]，且因其为秒采样仪器，更容易记录到地震前断层微动态，震前记录曲线往往出现明显变粗现象，对地震前兆异常分析具有重要意义。

2.1.2 有震记录

2014年11月22日16时55分四川省甘孜藏族自治州康定县（30.3°N，101.7°E）发生M 6.3地震，震源深度18 km，21时8分日本本州岛（36.6°N，137.9°E）发生M 6.4地震，震源深度10 km。选取承德台记录的此2次地震数据，绘制震扰曲线（图 2），对VS型垂直摆与VP型宽频带垂直摆的运行效能进行对比分析。

由于VS型垂直摆为分钟采样，采样率低，NS向记录的震扰曲线由震荡变为2次震阶，EW向未记录到地震，见图 2(a)。VP型宽频带垂直摆为秒采样，记录到良好的同震变化曲线，见图 2(b)。此外，VS型垂直摆由于基线较短，记录曲线有不规则畸变出现，而同等条件、同一时间，具有较长基线的VP型宽频带垂直摆则无不规则曲线畸变产生，说明VP型宽频带垂直摆稳定性更好。

2.2 观测精度

固体潮观测的基本任务是，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。使用调和分析计算固体潮偏离值，求解潮汐因子及相位滞后、相对误差与绝对误差。设地壳形变固体潮观测值由不同成分的潮汐波叠加而成，即

$ Y\left( {{t_j}} \right) = \sum\limits_i {{H_i}\cos \left( {{\omega _i}{t_i} + {\varphi _i}\left( {{T_j}} \right)} \right) + } \varphi \left( {{T_j}} \right) $

式中，H_i为某一潮汐分波的振幅，ω_i为该潮汐分波角频率，φ_i为该分波初始相位，T_j为观测序列中央时刻的时间间隔，φ为T_j时的零漂移。设观测值由不同成分的潮汐波叠加而成，对观测序列进行数字滤波，分离各主要潮波的观测振幅和相位，与相应理论振幅之比反映介质弹性参量的潮汐因子，与理论相位之差反映介质粘滞性的相位滞后，计算相对误差及绝对误差（赵小贺等，2007）。

选取2014年5月—10月承德台VS型垂直摆与VP型宽频带垂直摆记录数据进行调和分析，计算结果见表 2、表 3。

从表 2、表 3可见：①潮汐因子：VP型宽频带垂直摆明显优于VS型垂直摆；②绝对误差：对于NS向数据，VP型宽频带垂直摆优于VS型垂直摆一个数量级，对于EW向数据，二者相当；③相对误差：VP型宽频带垂直摆整体优于VS型垂直摆。因2014年6月、10月VP型宽频带垂直摆调零操作，EW向次于VS型垂直摆；④相位误差：VP型宽频带垂直摆具有较大优势。

相对于VS型垂直摆，VP型宽频带垂直摆受环境干扰较小，绝对误差小，精度高，稳定性好，且更易受到调零干扰。因此，2014年6月、10月VP型宽频带垂直摆EW向因调零操作，观测数据绝对误差、相位误差相对较差。

2.3 连续率、完整率对比

选用VS型垂直摆、VP型宽频带垂直摆2014年5月—10月的观测资料，计算数据连续率和完整率，统计结果见表 4、表 5。

（1）连续率。由表 4可知，承德台VP型宽频带垂直摆数据连续率总体优于VS型垂直摆，应与VS型垂直摆“九五”转“十五”仪器改造连接协议转换器有关，而VP型宽频带垂直摆具有更宽频带记录范围，观测数据采集连通数据库，因此数据连续率较高。

（2）完整率。由表 5可知，承德台VS型垂直摆NS向缺数较多，由于仪器稳定性较差，频繁调零以及仪器自身因素引起数据突跳、台阶等，做了较多缺数处理。VP型垂直摆仪器精度更高，通过网页调零，避免人为进入观测山洞操作，缺数相对较少。

3 映震能力分析

为验证承德台VP型宽频带垂直摆映震效能，以张家口2014年9月6日M_S 4.3地震为例，对比分析VP型宽频带垂直摆与VS型垂直摆的映震能力。

3.1 震前日变化异常

选取张家口M_S 4.3震前2014年9月1日—6日VP型宽频带垂直摆与VS型垂直摆的分钟值记录，绘制日变化曲线，见图 3。

从图 3可见，在此次张家口地震发生前，承德台VP型宽频带垂直摆记录到断层震前微动态，表现为记录曲线变粗，而VS型垂直摆未记录到断层震前微动态。因安装时间所限，无法对承德台VP型宽频带垂直摆观测记录进行震前趋势性分析，需要积累数据，深入研究其年变趋势与地震之间的关系。

3.2 加卸载响应比分析

应用加卸载响应比原理，以相应的倾斜固体潮理论值φ、发震断层面上的潮汐有效剪切应力增量Δ，最大构造方向的潮汐剪切应力τ等3种不同加载方式，对孕震系统施以载荷，对倾斜固体潮的整点值观测数据进行加卸载响应比计算，求取加卸载振幅因子（潮汐因子）比及时间滞后比（焦成丽等，2011）。

根据异常指标体系，偏离背景的突跳、趋势突变、振幅增大等作为异常判定依据，形变异常有效时限为半年（关华等，2010）。因此，选取2014年2月—12月VP型宽频带垂直摆与VS型垂直摆观测数据，计算二者的振幅因子（实际振幅与理论振幅之比）、时间滞后（潮汐加载时间与潮汐卸载时间之比），并进行R值评分，对比分析2套垂直摆的映震能力。

（1）振幅因子。2014年2月—12月2套垂直摆记录的振幅因子拟合曲线见图 4，可见，承德台2套垂直摆NS向震前出现异常，VP型宽频带垂直摆EW向同样在震前表现为异常，但VS型垂直摆EW向震前异常效果不明显。

（2）时间滞后。2014年2月—12月2套垂直摆记录的时间滞后拟合曲线见图 5，可见VS垂直摆仅NS向时间滞后拟合曲线存在异常，且幅度不大，而VP型宽频带垂直摆NS、EW向均出现较大幅度的异常。

通过加卸载响应比拟合分析，可知VS型垂直摆NS向记录在震前出现异常，EW向异常不明显，由于VS型垂直摆NS向不稳定，数据精度较差，因此震前异常可能存在偶然性，也不可靠。VP型宽频带垂直摆数据记录精度高，NS向、EW向震前出现异常，且具有一定同步性，更具有科学研究价值。因此，承德台VP型宽频带垂直摆相对于VS型垂直摆具有更好的映震能力。

（3）R值评分。R值评分是反映仪器映震能力的重要指标（杨林章，2003），R值计算公式为

$ R = \frac{{报对地震次数}}{{应预报地震总次数}} - \frac{{预报占用时间}}{{预报研究总时间}} $

采用承德台2014年1月1日—2017年12月31日记录的VP型宽频带垂直摆整点值数据，选取该台周边5个M_L 4.0以上地震及2018年2月12日廊坊永清县4.3级地震数据，使用振幅因子、时间滞后2项指标，对该台VP型宽频带垂直摆（VS型垂直摆停测，未做对比分析）映震能力进行R值评分。统计结果见表 6、表 7，可知采用振幅因子及时间滞后进行拟合分析，对M_L 4.0以上地震的R值评分较高，反映VP型宽频带垂直摆具有良好的映震能力。

4 结论

对比分析承德台VP型宽频带垂直摆与VS型垂直摆的仪器参数及并行期间的观测资料和映震能力，并采用R值评分验证VP型宽频带垂直摆的映震能力，得到以下结论。

（1）通过对2套垂直摆日波曲线的对比分析，发现VP型宽频带垂直摆记录固体潮能力更好，震扰图像更贴合实际。调和分析发现，VP型宽频带垂直摆在潮汐因子、绝对误差方面具有绝对优势，相对误差、相位滞后、相位误差等则表现相当。

（2）VP型宽频带垂直摆记录数据连续率、完整率更高。

（3）对比2套垂直摆映震能力分钟值曲线，可见VP型宽频带垂直摆震前曲线加粗，带毛刺，更好记录了震前微破裂；加卸载响应比拟合分析发现，VP型宽频带垂直摆震前异常表现突出，NS、EW向异常同步性较好，数据记录精度高，具有更高可信度。

（4）采用振幅因子、时间滞后拟合，发现VP型宽频带垂直摆对M_L 4.0以上地震具有较高的R值评分。

因承德台VP型宽频带垂直摆运行时间较短，R值评分需进一步研究，以更好应用于地震监测。