0 引言

地壳形变是地震孕育、发生过程中突出的伴生现象，与地震具有直接关系。形变观测以获取地壳形变的几何和物理信息为目的，能直观显示地壳深部震源区的变化。基于连通管原理，DSQ型水管倾斜仪可用于测定缓慢倾斜变化、固体潮以及地球动力学与精密工程等(金克俭等，1986; 牛安福等，2002; 张雁滨等，2002; 陈敏等，2007; 周云耀等，2010)。

武艳强等(2018)指出，定点形变观测结果易受元器件工作性质不稳定的影响，为了剔除此类异常信息，需建立同台同类仪器的常规对比观测，以增强地壳形变异常信息的甄别能力。以往对同类地倾斜仪器(如DSQ型水管仪和垂直摆倾斜仪)观测对比研究较多(赵爱平等，2012; 崔庆谷等，2014; 胡玮等2017;袁曲等，2019; 吕琳等，2019)，但相同或相近测点架设2套同类仪器进行对比观测的研究相对较少。

西安基准地震台(下文简称西安台)新建形变山洞与原山洞直线距离约200 m，各架设一套DSQ型水管倾斜仪(下文简称DSQ水管仪)进行形变观测。2个山洞的引洞进深、覆盖层厚度、观测基线长度等存在差异。利用2套DSQ水管仪2020年观测数据进行对比分析，以便为地震监测预报、异常核实等提供翔实的基础数据，同时对利用工程措施提升同类仪器观测质量提供借鉴。

1 新建与原形变山洞概况 1.1 原形变山洞概况

西安台位于长安区子午镇天子口村，距西安市约30 km，海拔高度630 m，构造上位于汾渭地震带秦岭山前大断裂南缘。一条近NS向小河流经台站东南侧，暴雨时有洪水，河道平时流量较小，河面低于台基约10 m。

西安台形变观测始于1971年，形变山洞呈“十”字形，岩性为花岗岩，岩石较破碎，植被稀少，洞深17 m，覆盖层厚约20 m，洞内年温差超过1℃。洞口与仪器室之间设有4道门，其中3道船仓门，1道铝合金门。该形变观测山洞存在进深较浅、长度不足、覆盖层较薄等问题，形变仪受大风、降雨等影响较大，观测精度不高。DSQ水管仪于2006年架设，布设2个测向: NS向基线长30.02 m，EW向基线长11.07 m。仪器采用泡沫板密封，墩基为大理石墩。观测数据经预处理报送陕西省地震局台网中心。

1.2 新建山洞概况

为进一步加强地震监测工作，解决西安台形变观测场地干扰问题，2019年西安台建成一个总长244延米的综合观测山洞。按观测业务区、比测实验区、宣传展示区3大功能分区进行布局，其中观测业务区位于山洞深处。形变山洞洞顶覆盖层较厚，引洞1覆盖层厚约66 m，引洞2覆盖层厚约76 m，观测洞位于山洞最深处，覆盖层厚100 m以上，洞内温度年变小于0.2 ℃，日变小于0.03 ℃，符合形变观测山洞规范要求。

该形变山洞海拔约660 m，位于秦岭山前，EW向大断裂南盘上，距秦岭北缘大断裂破碎带约700 m，台基为片麻状花岗岩，岩性坚硬，岩石较完整，距原形变山洞直线距离约200 m。

2019年9月架设DSQ水管仪并投入试运行。该水管仪设NS、EW、NW三个测向，呈三角形分布，其中NS向基线长度为26.48 m，EW向基线长度为26.59 m，NW向基线长度为31.13 m。仪器用泡沫板密封，墩基为大理石墩。

2 观测资料对比

将西安台新建形变山洞水管仪记为DSQ_新，原形变山洞水管仪记为DSQ_原。选取2套DSQ水管仪2020年观测数据，就数据完整率、固体潮波形记录、自然环境干扰、强远震同震响应、数据内在质量等进行对比分析。

2.1 数据完整率、连续率

数据完整性是数据质量评价的一项基础指标。完整率为仪器产出有用数据量与仪器应产出数据量之比，反映了仪器运行状态及产出数据的可用性。连续率统计对象是原始观测数据，即由观测仪器产出的未经处理的数据。这种连续记录对获取地壳形变特点和规律、识别地震地壳形变或前兆异常意义重大，是检验仪器工作性能的主要指标之一。

统计西安台2套水管仪2020年观测数据完整率与连续率，结果见表 1，可见DSQ_新数据完整率和连续率＜99.5%。这是因为，新建山洞参观活动较多，人为干扰引起数据阶变、突跳等，在数据预处理时被删除处理，而且6月对仪器标定及断电检修，造成缺数较多，故对数据完整率和连续率造成影响。

2.2 观测波形对比

西安台2套DSQ水管仪2020年整点值对比曲线见图 1，11月分钟值曲线对比曲线见图 2。

由图 1可见，2020年观测数据无明显年变形态。由图 2可见: DSQ_新、DSQ_原均记录到清晰固体潮汐波形; DSQ_新稳定性较好，而DSQ_原稳定性较差，尤其是其EW测向波形，易出现趋势转变、波形畸变等现象，可能与EW向基线长度较NS向短有关。调查发现，DSQ_原需每月进洞调零1—2次，易出现噪声变大、突跳等现象; DSQ_新试运行期间，基本2—3个月进洞调零1次，说明该仪器稳定性较好。

2.3 自然环境影响

通常，降雨、大风、气压和雷电干扰等自然环境因素对形变观测的干扰，主要表现为观测曲线急剧上升或下降、拐折性突变形态、高频扰动、噪声增大等。据统计，西安台原形变山洞DSQ水管仪形变观测受降雨和大风影响较明显。

以2021年1月10日—11日2套DSQ水管仪观测数据为例，对比分析大风干扰对观测曲线的影响，结果见图 3，可见DSQ_原观测波形噪声明显变大，而DSQ_新观测波形未受影响。2020年7月10日—12日受降雨影响，DSQ_原波形趋势发生转变，NS向由北倾变为南倾，EW向开始缓慢下降，而DSQ_新观测波形则未出现明显变化(图 4)，应与新建形变山洞覆盖层较厚有关。

2.4 强远震同震响应

以2020年7月23日04:07:20西藏那曲市尼玛县M_S 6.6地震(33.19°N，86.81°E)为例，分析2套水管仪强远震同震响应能力。

此次地震震源深度10 km，震中距2 048 km，引起DSQ_新、DSQ_原观测波形出现突跳、震荡，其中DSQ_原NS分量最大变化幅度约13.62×10^-3″，EW分量最大变化幅度约52.29×10^-3″，DSQ_新NS分量最大变化幅度约12×10^-3″，EW分量最大变化幅度约11×10^-3″，NW分量最大变化幅度约8×10^-3″(图 5)。由图 5可见，DSQ_原观测波形异常幅度更大。据赵爱平等(2012)的研究，水管仪观测基线越长，仪器稳定性越高，而灵敏度则不需太高，反之基线越短，为达到观测精度则需调高仪器灵敏度，从而使得仪器记录噪声越大。据此，DSQ_新记录同震响应突跳幅度较小，可能与仪器安装的基线长度有关，2套水管仪NS向基线长度相差小(DSQ_新、DSQ_原NS向基线长分别为26.48 m、30.02 m)，故同震响应幅度相差小，而EW向基线长度相差较大(DSQ_新、DSQ_原EW向基线长分别为26.59 m、11.07 m)，故同震响应幅度相差较大。

2.5 数据内在质量分析

固体潮汐参数指标主要用来评价具有固体潮汐变化的重力、地倾斜、地应变、地下水位等测项数据的内在观测质量。根据形变学科评比办法(刘春国等，2017)，选取M₂波潮汐因子及其中误差、相对噪声水平3个指标进行2套水管仪观测数据内在质量、稳定性评价。M₂波潮汐因子及其中误差指标采用Venedikob调和分析方法计算得到，M₂波潮汐因子中误差越小，数据观测精度越高。相对噪声水平指标利用日均值消除潮汐变化后的均方连差法计算，该指标与观测环境、观测系统噪声水平等直接关联，主要反映数据动态变化的稳定性水平。

对2套DSQ仪2020年各分量观测数据整点值进行长系列调和分析，得到M₂波潮汐因子及其中误差，结果见表 2、图 6。理论上，同一地点或相近地点的DSQ水管倾斜仪，应观测到同样幅值和相位的潮汐倾斜值，因此2套水管仪观测数据潮汐因子应相同或相近。由图 6、表 2可知: 2020年1—6月DSQ_新EW、NS分量潮汐因子幅值较大，是DSQ_原2倍以上，可能与形变山洞建成初期，周围岩体尚未完全稳定、洞内湿度较大等有关，而6月进行仪器标定时发现DSQ_新标定电极生锈并卡死，检修后恢复正常，潮汐因子开始接近DSQ_原; 7—12月，DSQ_原、DSQ_新观测数据潮汐因子基本相同，说明DSQ_新日趋稳定，证明了2套DSQ仪观测数据的可靠性; DSQ_新NW分量M₂潮汐因子趋于1。

以地倾斜观测Ⅰ类台精度指标0.02作为最大值进行检验，可知DSQ_新潮汐因子中误差在2020年中有9个月优于DSQ_原。新建山洞DSQ_新于6月进行标定、8月检修，人为干扰较大，随着观测环境逐步稳定，观测精度具有稳中向优的趋势。

利用均方连差法，对比分析2套DSQ水管仪2020年度非潮汐部分噪声水平，结果见表 3。对比发现，利用2套DSQ水管仪日均值计算，DSQ_新相对噪声结果比DSQ_原略差，而利用五日均值计算，DSQ_新相对噪声结果优于DSQ_原。可能原因是，2020年新建山洞参观活动较多，造成人为干扰较大，故DSQ_新日均值相对噪声较大，而五日均值对干扰的平滑作用更大，故DSQ_新相对噪声较小。

3 结论与讨论

西安台新建山洞覆盖层较厚、观测环境优越，洞内日温差和年温差均符合形变观测环境要求，而原形变山洞覆盖层较薄、进深较浅，年温差超过1 ℃，观测环境较差。对2套DSQ水管仪2020年观测数据进行对比分析，得出以下结论: ①2020年1—6月DSQ_新观测数据潮汐因子幅值较大，7—12月2套DSQ水管仪观测数据潮汐因子基本相同。总体上，2套DSQ水管仪记录潮汐波形清晰，DSQ_新数据的稳定性、内在质量较优，随着新建山洞观测环境的逐渐稳定，其各项指标具有稳中向优的趋势; ②新建形变山洞覆盖层较厚，DSQ_新基本不受大风、降雨等自然环境干扰影响; ③受参观活动较多影响，DSQ_新数据完整率低于DSQ_原，且日均值相对噪声水平较高; ④2套DSQ水管仪基线长度不同，同震响应幅度不同。2套水管仪NS向基线长度相差较小，对2020年7月23日西藏那曲市尼玛县M_S 6.6地震同震响应幅度差别较小，而EW向基线长度相差较大，记录的此次地震的同震响应差别较大。但是，2套DSQ水管仪观测数据均采用分钟值入库(DSQ_新为秒采样)，最大幅度可能并非准确记录，同震响应幅值只能作为参考。