0 引言

垂直摆和水平摆倾斜仪用于测量地球内部运动引起的地面倾斜变化，是进行地震前兆观测的重要手段之一（郑永通等，2015），测量灵敏度高达千分之一角秒，用于测量倾斜固体潮。泰安基准地震台（下文简称泰安台）1998年安装SSQ-2型石英水平摆倾斜仪和VS型垂直摆倾斜仪，2011年进行“十五”升级改造，且垂直摆于2011年1月、水平摆于2011年6月重新开始观测。泰安台VS型垂直摆和SSQ型石英水平摆倾斜仪在多年运行过程中，经常受到一些自然环境和人为因素干扰，导致观测曲线正常形态发生变化，且同一干扰源对2套仪器的影响也不相同。本文以泰安台垂直摆和水平摆观测数据跟踪分析为基础，针对近年的日常观测记录干扰事件，分析垂直摆和水平摆倾斜仪的抗干扰能力。

1 台站概况

泰安台地处莱芜弧形断裂带北侧，台址附近断裂称为泰山山前断裂，台基为太古代泰山群（Art）花岗片麻岩体，岩体完整、致密、均匀，地脉动水平低，波导性良好，测量仪器信噪比高，观测资料可靠性好，为全国一类形变基准台。观测山洞洞室最大覆盖层厚度29 m，洞体岩性为太古界泰山群花岗片麻岩，岩体较完整。观测山洞总进深130 m，洞室年温差小于0.06℃，日温差小于0.004℃，相对湿度小于90%，观测环境良好。观测山洞布设水平摆、垂直摆、伸缩仪、水管仪和重力仪，垂直摆和水平摆安装在不同观测室内，观测环境相同。

2 抗干扰能力

自2011年升级改造后，垂直摆和水平摆倾斜仪观测数据的连续率和完整率均在99%以上，仪器稳定性较高，观测系统运转正常。垂直摆和水平摆的年零漂小于2" ，M₂波潮幅因子均方差小于0.02，相对噪声水平M₁小于0.02" ，均满足地倾斜观测技术规范要求。在观测过程中存在自然环境、观测环境、人为因素等干扰，2套仪器对于同一干扰源的敏感程度和抗干扰能力不同，在观测资料上的体现形态也不同。

2.1 降水干扰

地下水的补给主要依赖于大气降水（李飞等，2004），降水量变化对地下水埋深具有直接影响，降雨的入渗补给是地下水的重要补给来源（张林等，2016）。泰安市属暖温带温润性季风气候，年平均降水量为700—800 mm，受季风气候影响，年际降水变幅大，年内降水分布不均衡，夏季降水多，冬季少。2016年7月20日泰安市出现暴雨，降雨量达60 mm，一部分雨水由地表流走，一部分经土层或岩缝渗透到地层，地下水位迅速上升。由图 1可见，2016年泰安台地下水位与年度降水量相关。

雨水渗入引起岩石膨胀，使地表局部产生形变，在地倾斜仪器上会得到不同程度的体现（孙伶俐等，2010）。雨季初期地下介质干燥松软，雨水渗入改变介质密度，引起局部介质加速变形（汪翠枝等，2010）。形变观测对强降雨响应灵敏，当连续降雨量超过趋动降雨量时，形变观测受降雨干扰的变化同步表现出来，并体现在固体潮观测曲线上。降雨影响主要取决于降雨强度和洞室基岩条件，雨水渗入山体岩石裂缝或土层，并加载到山体中，使地面发生倾斜（郑永通等，2015），且同一测项每次由降雨引起的异常形态相似（赵小贺等，2009）。泰安台地处泰山脚下，地势北高南低，山体西高东低，降雨后北侧和西侧山体较重，观测曲线表现为向北倾和向西倾（图 2）。因此，泰安台垂直摆和水平摆倾斜仪观测曲线在强降雨后主要表现为EW分量加速西倾，NS分量加速北倾。

由图 1可知，泰安台地下水位2016年7—9月处于高值，且垂直摆和水平摆与地下水位的相关系数均在0.9以上（表 1），降雨后的加载使地面发生倾斜，在垂直摆和水平摆观测曲线上得到不同程度的体现（图 2），其中：垂直摆NS和EW向观测数据序列一阶差分变化率|v|_max分别为40.60×10^-3″/d和35.93×10^-3″/d，水平摆NS和EW向观测数据序列一阶差分变化率分别为30.62×10^-3″/d和26.87×10^-3″/d，说明垂直摆对降水后地下水位的变化感应更灵敏。

2.2 气压干扰

气压对垂直摆和水平摆倾斜仪的干扰主要来自大气负载作用于地表的变化，气压对洞室形变的短时微动态影响类似于强震前驱波异常图像，通过与当地气压的对比分析，比较容易判断是否为气压短时微动态影响（陈德福，2006）。气压变化对洞室形变观测的影响比较普遍，当气压出现短周期骤变时，才会出现比较明显的固体潮畸变（赵小贺等，2009；李希亮等，2014）。

2015年6月11日16时泰安台气压骤变，垂直摆和水平摆气压干扰曲线见图 3，可见：16时25分气压观测值为979.2 hPa，之后加速上升，16时48分达最大值，982.1 hPa，上升2.9 hPa，垂直摆和水平摆分别出现不同程度的固体潮畸变，其中：垂直摆NS分量上升0.43×10^-3″，EW分量上升3.88×10^-3″；水平摆EW分量上升1.81×10^-3″，NS分量下降1.13×10^-3″（图 3）。分析可知：①垂直摆NS、EW分量与气压变化呈正相关，水平摆EW分量与气压变化呈正相关，NS分量与气压变化呈负相关（垂直摆和水平摆倾斜仪安装方向一致，仪器的常年偏零位工作状态是造成水平摆NS分量与气压变化呈负相关的主要原因）；②在相同条件下，受到气压干扰时，垂直摆EW分量受干扰明显。

2.3 雷电干扰

雷电是带电云对地面某一点或在雷云之间放电，该过程称为直接雷击，放电过程引起电磁感应和静电感应，称为感应雷击（熊峰等，2014）。雷电从配电线路入侵是地震前兆观测设备遭雷击的常见途径，直击雷可以瞬间击坏观测设备。感应雷产生强大的瞬间电磁场，在地面金属网络中产生感应电荷，形成强大的瞬间高压电场，电流通过电源线和信号线等金属导线进入观测系统，使观测曲线发生畸变或波动等，严重时可导致弱电设备，如传感器、前置放大器等失灵甚至损毁。

泰安台注重防雷，遇有雷雨天气，及时将地震前兆观测仪器的交流供电改为直流供电，有效避免雷电对观测仪器造成严重损坏，但雷电对观测数据仍有一定影响，主要表现为观测曲线发生小的波动、畸变或测值漂移，雷雨过后数据恢复正常。雷电发生时，通常伴随气压波动，雷电和气压干扰同时叠加到观测数据中。2017年4月13日泰安台垂直摆和水平摆受雷电和气压干扰，分钟值曲线见图 4，可见：19时47分至21时40分强雷电干扰，气压变化幅度不大，垂直摆NS、EW分量和水平摆NS分量观测曲线出现小的畸变（同一洞室的伸缩仪EW向19时50分因打雷造成数值掉格，此处不做分析），而水平摆EW分量曲线毛刺较多，波动不明显。分析认为，泰安台的防雷措施降低了雷电对观测数据的干扰，而雷电对每套仪器的干扰程度可能与仪器自身电路及防雷设计有关。

2.4 人为干扰

泰安台垂直摆和水平摆与LCR—PET型重力仪安装在同一洞室，观测墩间距小，在仪器调试和维修过程中，人员进洞引起空气流动，导致温度发生小幅变化，有时引起观测墩周围荷载发生变化，对其他观测仪器造成干扰，产生不同程度的固体潮畸变。由于观测仪器的工作原理不同，灵敏度存在差异，干扰因素在观测资料上的体现也就存在差异。2015年8月26日LCR—PET型重力仪数采发生故障，8月30日16时44分至18时31分与31日9时11分至10时3分工作人员进入山洞进行维修，垂直摆分钟值观测曲线出现干扰变化，见图 5。由图 5可见，垂直摆NS分量在2个时段出现明显固体潮畸变，EW分量在第2个时段出现固体潮畸变；水平摆EW、NS分量在2个时段均未受到明显干扰。因此，对于人为干扰，水平摆抗干扰能力较强。

3 结论

在日常观测中，泰安台垂直摆和水平摆倾斜仪主要受到降雨、气压、雷电等气象因素和人员进洞调修仪器等人为因素的干扰。分析认为：①降水对垂直摆的干扰更明显。强降雨后山体荷载发生变化，泰安台垂直摆和水平摆倾斜仪主要表现为加速西倾和加速北倾，垂直摆观测数据序列一阶差分变化率比水平摆大；②垂直摆和水平摆在受到同等气压干扰时，垂直摆EW分量受干扰明显。垂直摆NS、EW分量与气压呈正相关，水平摆EW分量与之呈正相关，水平摆NS分量与之呈负相关，仪器的常年偏零位工作状态是造成水平摆NS分量与之呈负相关的主要原因；③强雷电干扰时，垂直摆NS、EW分量和水平摆NS分量多出现小的固体潮畸变，因泰安台防雷措施到位，干扰不明显；④人员进洞调修仪器时，垂直摆容易出现固体潮畸变，而水平摆未受到明显干扰。综上所述，在相同的观测环境中，泰安台水平摆的抗干扰能力强于垂直摆。