0 引言

摆式潮汐观测仪是记录由天体相互作用力引起的地倾斜固体潮变化的地震前兆观测设备。VP型宽频带潮汐观测仪具有频带宽、易操作、采样率高的特点(冯琼松等，2016)。徐州地震台VP型宽频带倾斜仪工作状态优良，可以清晰记录固体潮，产出资料连续可靠。在日常观测中，除可记录到地球物理事件外，还会受到各种因素(如降雨、气压、水位、电源故障等)干扰，具体表现多为，日变曲线大幅畸变，在干扰时间内出现突跳、短时间的突起、台阶或长时间的毛刺、曲线不规则等变化，这些均不利于地震前兆异常识别。正确认识和排除观测资料中的各种干扰因素，是准确捕捉地震异常信息的前提(郝冉等，2018)。因此，对典型干扰进行整理、分析、分类，有助于更加快速、准确地甄别可能存在的地震前驱波异常现象，同时能够尽快找到畸变原因，迅速排除干扰，提高观测质量。

1 观测背景 1.1 台址构造

徐州地震台是国家形变基本台，始建于1975年，位于江苏省徐州市南郊云龙山第八节东坡，海拔60 m。台站所处地质构造属徐州弧形构造的一部分，主要断裂有东部的NNE向郯庐断裂带，西部的NNE向聊考断裂带，北部的NWW向丰沛断裂带和南部的NWW向符离集断裂带。废黄河断裂穿过徐州市区，是一条NWW向张性断裂。台站周边出露大面积基岩，节理发育，岩石产状约80°，属寒武系中统原层灰岩。

1.2 观测环境

VP型宽频带倾斜仪于2013年10月25日由武汉地震科学仪器研究院安装，2014年1月1日投入正常运行。仪器安装在徐州地震台观测山洞内，洞深300 m，安装方位角为EW向90.0°、NS向0.0°。仪器采样率为1 Hz，观测值单位为10^-3″，输出单位为mV。仪器记录的应变固体潮汐曲线清晰规则，能清晰记录到全球大地震。

2 观测资料

徐州地震台VP型宽频带倾斜仪观测资料具有规律性年变特征(图 1)，通过2017年1月至2019年10月EW、NS分量月潮汐因子图(图 2)可以看出，5月至10月M₂波潮汐因子中误差易受降雨影响，此外各时段其变化较小，观测资料内在质量较高，表明观测仪器运行稳定(图 2)。

3 干扰分析

VP型宽频带倾斜仪观测时所受干扰因素较多，主要有自然环境干扰、场地环境干扰以及人类活动造成的人为干扰。有效甄别并剔除这些干扰是提高观测资料质量的关键，也是全面、准确展开异常核实工作的前提。因此，对徐州地震台VP型宽频带倾斜仪观测资料受到的干扰进行分析尤为重要。

3.1 自然环境干扰

VP型宽频带倾斜仪灵敏度较高，传感器分辨率达10^-3″，在日常观测中易受自然环境干扰如降雨、气压、雷电等影响。由于仪器安装于徐州地震台观测山洞进深约300 m的专用观测场内，仪器室内日温差极小，年温差小于0.3 ℃，湿度长年稳定，因此二者对观测数据造成的影响可以忽略。

3.1.1 降雨干扰分析

降雨是影响VP型宽频带倾斜仪观测的主要因素，影响幅度大、时间长，且降雨对观测的影响与降雨时间、降雨量及降雨过程等有密切关系，降雨形式的多样性决定了观测资料降雨响应的复杂性(李杰等，2003)。徐州市雨季为每年6—10月，雨季期间长时间的强降雨导致地表积水沿土层逐渐渗入岩石的裂隙，持续一段时间后山体岩石裂隙发生膨胀，空隙间的压力发生变化，岩石发生不均匀形变。在空隙压力与土层中渗透水的共同作用下，洞体覆盖层重量发生变化，倾斜仪即观测到发生的地倾斜变化。

2017年10月徐州出现连续强降雨天气，连续多日的短时强降雨对VP型宽频带倾斜仪造成较大干扰。10月10日16时至10月13日6时连续降雨63 h，降雨量为30.5 mm，10月11日0时8分至10月14日11时58分，倾斜观测数据呈缓慢下降趋势，NS向最大变化幅度为26.0×10^-3″，EW向最大变化幅度为56.8×10^-3″(图 3)。

降雨干扰表现为固体潮日变曲线拉伸，呈压性下降趋势，分析认为，观测数据曲线受降雨干扰产生的变化主要与观测场地的地质构造和环境荷载有关。徐州地震台观测山洞位于徐州市云龙山第八节东坡，因地势原因雨水流向南侧与东侧，从而造成VP型宽频带倾斜仪NS分量南倾、EW分量东倾的缓性变化。根据VP型宽频带倾斜仪降雨响应表(表 1)分析，NS分量平均滞后降雨时间为11.885 h、EW分量平均滞后降雨时间为10.155 h。降雨滞后时间与降雨强度呈负相关，即降雨总量越大，降雨时间越短，降雨滞后时间越短，NS分量的最小降雨滞后时间为1.95 h、EW分量的最小降雨滞后时间为1 h。总体来说，EW分量对降雨响应更为灵敏。

根据表 1所列统计数据，对VP型宽频带倾斜仪进行降雨干扰定量分析，根据实际观测结果计算降雨系数β =Δa/W，降雨效率η = β/Δt，结果表明，2017—2019年VP型宽频带倾斜仪NS分量平均降雨效率为0.056，EW分量平均降雨效率为0.087；NS向平均降雨系数为0.536，最小趋动降雨量为28.1 mm；EW向平均降雨系数为1.703，最小趋动降雨量为28.1mm，表明EW分量的降雨效率更高，观测到的降雨变化更为显著。

3.1.2 气压干扰分析

气压是干扰倾斜仪器观测的因素之一，短时间内气压的非周期变化会使VP型宽频带倾斜仪出现固体潮畸变现象。根据徐州地震台体应变数据分析得出，2017年8月1日17时10分到17时40分气压出现短时抬升回落，持续时间30 min，其中NS向最大幅度为4.932×10^-3″，EW向最大幅度为2.148×10^-3″。同时辅助气压观测显示，8月1日17时10分到17时40分气压变化明显，变化幅度2.52 hPa，之后回升至正常日变状态。VP型宽频带倾斜仪受气压干扰波动明显，固体潮曲线随气压升降而产生相应变化(图 4)。

VP型宽频带倾斜仪受气压干扰持续时间一般较短。在气压出现短时剧烈波动时，观测曲线会出现同步变化，其中NS向受气压影响较为明显，EW向相关性相对较弱。但气压干扰不会影响观测数据的趋势性变化。

3.1.3 雷电干扰

雷电对观测仪器具有极大危害，雷暴产生的瞬时高压电流及电磁脉冲可能导致仪器运行失常、中断，严重时甚至造成仪器设备损坏。强雷暴天气同样会对VP型宽频带倾斜仪观测产生干扰。

2017年6月3日徐州地区出现雷电天气，雷电时间段为2时13分到3时46分，期间VP型宽频带倾斜仪固体潮出现大幅度扰动变化，表现为不规则的剧烈变化以及较大幅度的突跳、台阶(图 5)，这主要是因为，强雷电产生的电磁干扰造成仪器传感器或前置放大器出现失常。面对强雷暴天气的破坏，雷雨季节来临前应做好仪器备用电源UPS的检查和充放电工作，雷雨天气前切换仪器供电线路，避免雷害事件发生，同时应储备备用部件，最大限度减少雷暴危害。

3.2 场地环境干扰

场地环境对形变观测的主要干扰包括载荷变化、振动、水文地质环境变化。徐州地震台形变观测中的场地环境干扰主要源于观测场地附近基建活动或山洞施工带来的载荷变化。

3.2.1 载荷变化干扰分析

2016年3月19日徐州地震台VP型宽频带倾斜仪出现“V”字型变化，见图 6。由图 6可见，2016年3月19日4时NS分量呈加速下降变化趋势、EW分量呈加速上升变化趋势，至24日13时，NS分量上升约90×10^-3″，EW分量上升约70×10^-3″，此后稳步回落。经调查，排除仪器自身问题，且异常发生时段无人员进洞干扰。考虑到干扰持续7天以上，进行环境排查，发现无外部电路干扰，无强降雨。经调查，位于观测山洞东南方向500 m左右的学校进行基建施工，工地面积约1 000 m²。该工程于2016年3月19日起进行地基浇筑，至23日约灌注300 m³混凝土，质量约8×10⁵ kg。

同时段地震波形资料显示，数据受到有较强背景噪声干扰，结合倾斜测项EW、NS分量移动斜率可知，干扰源频率较高，受干扰时观测曲线形态表现为短时间的趋势性变化，分析认为，施工造成载体发生变化，作为短基线设备，垂直摆对此类干扰响应较为明显，宽频带垂直摆尤为灵敏，3月24日—29日观测数据处于恢复阶段，之后仪器恢复正常观测。出现此类干扰时，应根据数据干扰形态大致判断干扰源方位，在台站周边5 km范围内排查干扰源，争取采取措施降低施工干扰，最大限度地提高观测资料的利用价值。

在对载荷影响定量分析时，将测点与建筑工地视为在一个水平面内，将测点周边假定为半无限空间。根据弹性理论可知，当在边界上有一个垂直于边界的集中作用力P时，其相应位移解(卢双苓等，2010)为

$\left\{\begin{array}{l} \mu_r=\frac{P(1+\gamma) r}{2 \pi E R^2}\left[\frac{z}{R}-\frac{(1-2 \gamma) R}{R+z}\right] \\ \mu_\theta=0 \\ \mu_z=\frac{P(1+\gamma)}{2 \pi E R}\left[2(1-\gamma)+\frac{z^2}{R^2}\right] \end{array}\right.$

(1)

式中，P为集中在一点的作用力，E为介质弹性模量，γ为介质泊松比，R为测点与压力施加点间的距离，R² = z² + r² = z² + x² + y²。当测点位于地表时，z = 0，考虑到μ_z和z在方向上的关系，将垂向位移在水平向x和y引起的地倾斜分别简化为

$\begin{aligned} \varphi_x=\frac{\partial \mu_z}{\partial x}=\frac{P(1+\gamma)(1-\gamma)}{\pi E\left(x^2+y^2\right)} \cdot \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}} \end{aligned}$

(2)

$\varphi_y=\frac{\partial \mu_z}{\partial y}=\frac{P(1+\gamma)(1-\gamma)}{\pi E\left(x^2+y^2\right)} \cdot \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}$

(3)

因当地介质为中统原层灰岩，取介质弹性模量E = 3.8，泊松比γ = 0.35，P = 8.0×10⁵ kg·m/s²，x = 500 m，y = 500 m。代入公式(2)—(3)计算，EW向、NS向引起的地倾斜幅度均为0.083″，与实际观测数据较为吻合。

3.2.2 振动干扰分析

在实际观测中，山洞内的施工改造活动，难免会对置于山洞的观测仪器造成振动干扰，对其正常观测影响较大。2018年7月4日徐州地震台山洞施工产生强冲击振动，对仪器造成严重的振动干扰，观测数据曲线出现大幅阶变和高频波动，此为短时影响，观测项较快恢复为正常状态(图 7)。

3.3 观测系统干扰

前置放大器故障、主机故障、UPS供电输出故障以及数采故障对徐州地震台VP型宽频带倾斜仪的正常观测影响较大。以上观测系统干扰期间，往往产出许多无效数据(图 8)。

VP型宽频带倾斜仪NS向在日常观测中前置放大器故障较多，强雷电天气多次导致前置放大器损坏，造成观测系统连续产出突跳、台阶等无效数据。这类干扰在更换前置放大器后仍需漂零一段时间才能恢复正常。因此，VP型宽频带倾斜仪的防雷保护工作是减少仪器元部件故障、确保运行连续稳定的关键。

4 讨论与认识

VP型宽频带倾斜仪不仅能记录清晰固体潮，还能记录到周期为数分钟到数秒钟的较高频地动信号，观测精度较高，能记录到临近小震，且地震记录幅度明显。徐州地震台VP型宽频带倾斜仪受干扰类型包括自然环境干扰、场地环境干扰和观测系统干扰，此3类干扰对仪器的正常观测干扰较大。

(1) 降雨和气压波动是徐州地震台VP型宽频带倾斜仪的主要干扰源，曲线干扰形态易识别，其中降雨干扰表现为固体潮日变曲线出现拉伸，呈压性下降趋势变化。总体上EW分量的降雨滞后时间更短，对降雨响应更为灵敏。当气压出现短时剧烈波动时，观测曲线会出现同步变化。

(2) 雷电干扰对于VP型宽频带倾斜仪危害极大，雷电期间固体潮出现大幅度扰动变化，表现为不规则的剧烈变化以及较大幅度的突跳、台阶。在雷雨多发季节，雷暴干扰不容忽视，前置放大器故障多由雷电所致。

(3) VP型宽频带倾斜仪是短基线设备，对于场地环境干扰响应较为灵敏，载荷变化、振动等施工干扰均会造成观测曲线出现大幅畸变，因此及时查明干扰源是排除此类干扰的关键。