0 引言

SS-Y伸缩仪由武汉地震科学研究院研制，用于精密测量地壳岩体两点间水平距离的相对变化，适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化。通过对应变观测资料的研究，发现地壳浅部某点的应力状态与时间呈规律性变化。对区域内地壳应力—应变状态长期应变潮汐观测的背景变化特征进行总结，具有重要意义，并可为地球介质弹性研究提供数据（邓建刚等，2013；姜振海等，2010；李明等，2012；张英杰等，2018；狄樑等，2013）。

宽城地震台（下文简称宽城台）于2001年安装SS-Y型伸缩仪进行应变观测，由于仪器老化，应变记录曲线不光滑，于2015年12月进行系统改造，更换新的仪器、传感器、主机及数据采集器。观测系统改造后，仪器基线长度如下：L_EW = 23.83 m，L_NS = 28.50 m。宽城台伸缩仪观测系统改造至今运行正常，文中对系统更新改造前后的观测数据进行分析，全面评价观测资料质量。

1 宽城台概况

宽城台位于河北省宽城满族自治县宽城镇岔沟路，海拔310 m。观测山洞地处燕山构造带，宽城盆地边缘，受马兰峪大北斜控制。基岩岩性为震旦纪灰岩，产状完整，走向近EW，主洞进深约75 m，洞顶覆盖层厚20—40 m，披覆少量植被。宽城台为形变观测台，观测仪器有TJ-2型体应变、VP垂直摆、VS垂直摆，DSQ水管倾斜仪、SS-Y伸缩仪。各观测手段观测数据连续稳定，数据精度较高，有较好的映震能力（关华等，2010；张娜等，2015）。

2 资料质量评定

刘春国等（2017）指出，洞体应变观测质量指标包括连续率、完整率、M₂波潮汐因子相对中误差、相对噪声水平等。为科学合理地评价洞体应变观测资料质量水平，选取2012—2018年宽城台SS-Y型伸缩仪观测数据，分别就数据连续率、完整率、M₂波潮汐因子相对中误差、相对噪声水平等进行检验。

2.1 数据完整率、年零漂及年变幅

（1）数据完整率。数据完整率是检验仪器运行质量的根本条件，一般大于99.5%为优秀，计算公式如下

$ 数据完整率=\frac{已有数据样本数-无效测值样本数}{应有数据样本数-可扣除缺记数}\times 100\% $

(1)

按照式（1）计算得到宽城台伸缩仪数据完整率，见表 1。由表 1可见，更换仪器后数据完整率有较大提升，表明观测仪器稳定性更好。

（2）年零漂。年零漂用于衡量观测仪器及基墩稳定程度或地壳继承性新构造运动，在一定程度上反应了仪器的稳定性及所测方向的微小形变，可采用日均值法和潮汐值法进行计算。本文采用日均值法计算宽城台伸缩仪年零漂，即将一年内12月31日与1月1日日均值的差值作为该年度零漂值，计算结果见表 1。由表 1可见，年零漂在伸缩仪更新前逐年增加，更新后明显减小，可见系统更新后仪器稳定性有较大提升。

（3）年变幅。年变幅是将一年中观测数据的最大值减去最小值所得结果，统计结果见表 1。由表 1可见，宽城台伸缩仪更新后，NS分量年变幅变大，EW分量年变幅减小，且二者变化幅度接近，均在14 500×10^-10左右。

2.2 相对噪声水平

相对噪声水平是用来判断观测资料长期稳定性的一项定量指标（陈德福，1995）。用契比雪夫多项式与一个年度观测资料的73个五日均值作30阶拟合而得，计算公式为

$ f\left(x \right)=\frac{1}{2}{{C}_{0}}+\sum\limits_{n=1}^{m}{{{C}_{n}}{{T}_{n}}\left(x \right)} $

(2)

$ {{T}_{n}}\left(x \right)=\cos \left(n\ \arccos \ x \right) $

(3)

其中，T_n(x)称为契比雪夫多项式，x为五日均值，C₀为常数，C_n为拟合系数，n为系列号，m为提取的五日均值总个数（何应文等，2018）。

按式（2）、（3）计算宽城台2012—2018年伸缩仪观测数据相对噪声水平，结果见表 2。由表 2可见，2012—2015年NS分量平均相对噪声水平约为0.009 5，EW分量平均相对噪声水平约为0.011 5，2016—2018年NS分量平均相对噪声水平约为0.017 1，EW分量平均相对噪声水平约为0.013 3，可知系统更新后伸缩仪NS、EW分量相对噪声水平无明显提升。

2.3 潮汐因子相对中误差

M₂波潮汐因子相对中误差是衡量洞体应变观测资料精度的一项重要指标，与M₂波潮汐因子中误差的不同在于，潮汐因子相对中误差消除了潮汐因子值的大小对观测精度指标的影响。计算公式如下

$ \alpha =S/{{R}_{\alpha }} $

(4)

式中，S为M₂波潮汐因子中误差，R_α为M₂波潮汐因子。

采用Venedikov调和分析方法（卢双苓等，2011），利用EIS2000地震前兆信息处理与软件系统（蒋骏等，2000），对宽城台2012—2018年伸缩仪NS、EW分量整点值数据进行调和分析，得到各年M₂波潮汐因子相对中误差，结果见表 3。按照《地震及前兆数字观测技术规范》要求，M₂波潮汐因子相对中误差需小于0.02，测值越小，观测精度越高。由表 3可知，2014年宽城台伸缩仪观测数据质量最好，观测系统更新后M₂波潮汐因子相对中误差无明显提升。

3 干扰分析

统计2012—2018年宽城台伸缩仪观测数据，筛选受降雨量影响的典型事件。由于降雨量数据为离散值，故选取钻孔水位变化做相关性分析。选取伸缩仪观测资料受干扰较大的7月、8月整时值，与同时段钻孔水位资料进行一元线性回归分析，结果见表 4，表中r为相关系数，表示2个变量之间的线性相关性。r在1与-1之间，r＞0时2个变量呈正相关，r＜0时2个变量呈负相关。r的绝对值越接近1，2个变量的线性相关性越强；r的绝对值接近于0，表明2个变量几乎不存在线性相关性。由表 4可见，线性回归r值均在-0.65—-0.98，说明伸缩仪与水位存在负相关性；r的绝对值在观测系统更新后更高，说明更新后伸缩仪与水位的相关性升高。

4 结论与讨论

综上所述，对宽城台SS-Y型伸缩仪观测系统更新前后的观测数据质量水平进行分析，得到如下结论。

（1）通过对宽城台伸缩仪观测系统更新前后资料完整率、年零漂、年变幅等一般指标的检验，认为该台SS-Y型伸缩仪运行稳定，观测数据连续可靠，且自2016年起观测数据质量有一定程度提高，满足形变观测规范要求，但仍有一定提升空间。

（2）宽城台应变潮汐观测精度较低，相对噪声水平较高，基本满足形变观测要求，仪器更新后相对噪声水平无明显提升，应变潮汐精度略有下降，可能与观测环境、人员进出山洞有关，需要进一步讨论。

（3）通过一元线性回归分析可知，宽城台伸缩仪观测数据受降雨影响较大，且与降雨量具有较强的相关性，且伸缩仪观测系统更新后相关性加强，可能与2015年观测山洞覆盖层被破坏及山洞岩性有关。