0 引言

定点地壳形变观测旨在监测地壳岩石在垂直、水平方向上的相对运动。观测信息包含固体潮汐随时间的动态变化、地壳构造活动、仪器漂移以及观测环境变化所致干扰等。定点形变观测结果反映了地壳岩石受拉张、挤压的运动状态，揭示了地壳运动状态。在地震孕育阶段，地壳岩石在区域应力场作用下产生拉张、挤压形变，一旦作用力超出岩石弹性形变极限，将使得岩石发生断裂并释放能量，进而引发地震。然而，诸多干扰因素对形变观测产生显著影响。为此，大量研究针对形变观测质量进行深入分析，如：罗词建等（2010）对陕西省“十五”形变台网2008—2009年数据质量进行了评价；冯建琴等（2011）分析了山西数字化水管倾斜仪观测资料质量；孙伶俐等（2011）对十堰台数字化水管倾斜仪潮汐观测质量进行了评定；刘春国等（2017）对数字化地震前兆台网观测数据质量评价方法进行研究，反映了台网数据实际情况；吕琳等（2019）对武汉及周边地区数字化形变观测资料质量分析；陈贵美等（2022）对广东数字化形变观测资料质量进行了评价。

通过对观测资料质量评价，探讨影响观测资料精度的主要干扰因素，为地震分析预报提供可靠的资料。张家口市外环路建设对张家口地震台（下文简称张家口台）观测环境造成严重干扰，河北省地震局与张家口市政府共同制定“外环路规划方案不宜调整，保留张家口台观测山洞与部分观测测项，实行部分观测测项搬迁”原则，以妥善解决道路规划建设与地震观测环境保护之间的矛盾。为此，将定点形变观测迁移至崇礼地震台（下文简称崇礼台）形变观测山洞，目前形变观测系统已运行4年以上，各仪器工作状态逐渐趋于稳定。为检验形变观测数据质量，本文对崇礼形变观测山洞地倾斜、洞体应变、钻孔应变等测项观测数据质量进行综合评价，以便为地震预测预报、地震科学研究提供基础数据与丰富的信息资源，充分发挥其监测效能。

1 形变观测概况

崇礼台位于张家口市区NE方向约53.4 km处，崇礼区驿马图乡圪料沟村，所在区域为燕山山脉西段与坝上高原衔接地带，属洋河盆地北部中山区，山体岩性为天山期花岗岩侵入体（γ₄），区内该岩体出露，局部为第四系残坡积层覆盖。地质构造不发育，台站以南分布有尚义—平泉断裂，以北分布有康保—赤峰断裂、闪电河断裂、大满—前黑土断裂，以东最近断裂为赤城—上黄旗断裂（图 1）。

崇礼形变观测山洞洞体岩石完整，以大块体出露地表，山体披覆黄土，覆盖层厚约45 m，山洞所处海拔高度1 489 m。山洞进深303 m，含7个独立支洞室、3个正式观测使用的长条型（35 m）三分量观测洞室、2个用于对比观测实验的小条型（15 m）两分量观测洞室（图 2）。洞室内温度日变化幅度约0.02 ℃，年变化幅度约0.05 ℃，符合洞温日变化≤0.1 ℃和年变化≤0.5 ℃的技术要求。

2019年7月初，崇礼台陆续安装“十五”数字化定点形变观测仪器5套，即SS-Y型铟瓦棒伸缩仪、DSQ型水管倾斜仪、VP型宽频带倾斜仪、SQ-70DSI型水平摆倾斜仪、TJ-2型体应变观测仪，另配备1套RTP-2型气象辅助观测仪器。2020年1—5月，进入试运行考核阶段。2020年7月，通过中国地震台网中心验收并正式入网观测。目前，仪器运行稳定，观测数据连续、可靠，观测数据质量精度指标均达到学科观测规范技术Ⅰ类台的优秀水平，部分测项处于领先水平。

2 观测资料质量评价 2.1 一般评定指标

观测资料质量一般评定内容包括资料完整率、年零漂、年变幅。选取崇礼台2020年1月—2024年3月观测数据，逐年计算各形变观测仪器记录完整率、年零漂、年变幅。统计结果见表 1。

（1）完整率。观测数据连续、完整是地球物理观测对数据质量的基本要求，也是检验观测仪器运行质量的重要条件。按照地壳形变学科的评价标准，数据完整率≥99.5%为优秀。完整率以百分数表示，计算公式为

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

(1)

（2）年零漂。其用于衡量观测仪器及其墩基稳定程度或地壳继承性新构造运动，能体现仪器的稳定性及所测方向的微小形变。计算方法是，该年度12月31日的日均值减去当年1月1日的日均值，即为该年度年零漂值。

根据《地震及前兆数字观测技术规范地壳形变观测》（中国地震局，2001）要求，地倾斜观测年零漂≤2″，地应变观测年零漂≤4×10^-6。目前，年零漂可采用日均值和潮汐值算法进行计算，文中使用日均值算法。由表 1实测结果可知，各项观测数据质量评价指标达到设计要求和技术规定，且倾斜类仪器以及应变类部分仪器年零漂优于技术规定一个数量级。

（3）年变幅。其用于检测地下硐室地形条件下，热弹形变大小的倾斜、应变的变化值。计算方法是，取各测向分量全年观测数据或数据产品序列中的最大值与最小值的差值即为该年度年变幅。通常情况下，台站形变观测仪器工作状态稳定，1年内无故障与维修现象，观测环境和场地环境无变化，且未出现地球物理异常等信息，则仪器年变幅往往相对稳定。

由表 1可知，2020年1月—2024年3月，崇礼形变观测仪器运行状态稳定，除水平摆外，其他仪器平均完整率均在99.5%以上。水平摆完整率偏低，主要由仪器光源灯、摆体透光片及反光镜等部件故障频繁所致。鉴于洞室内外温差显著，仪器安装前需置于洞室内一段时间，避免透光片与反光镜因温差产生雾气，进而影响仪器性能。

2.2 固体潮实测值与理论值一致性对比

截取崇礼台2024年2月10日—20日地倾斜、地应变部分测项分钟值观测曲线，与理论值进行对比，结果见图 3。鉴于图 3(a)、图 3(c)中观测值与理论值存在显著差异，在同一个坐标系中绘制会掩盖曲线的细节变化。为此引入转换系数，转换系数分别为1.6、0.063。

由图 3可见，崇礼台地倾斜、线应变观测仪器可清晰记录地球固体潮汐变化，且固体潮汐规则，曲线平滑，变化形态与理论值同步且具有一致性。然而，信噪比越低，局部细节部分（小潮期间）越能清晰显示干扰。倾斜类仪器记录波形较清晰，应变类仪器记录波形则不够清晰，造成此现象的主要原因是，气压干扰导致观测数据曲线出现高频波动。

2.3 内在质量评定

评价定点地壳形变观测资料内在质量的3个主要指标是M₂波潮汐因子（γ、α）、潮汐因子均方差、相对噪声水平M₁。其中倾斜观测潮汐因子值用γ表示、均方差用m_γ表示，应变观测潮汐因子值用α表示、均方差用m_α表示。

2.3.1 噪声水平

相对噪声水平M₁是衡量形变潮汐观测资料长期稳定性的一项定量指标，文中采用日均值取均方连差方法计算得到相对噪声水平M₁，计算公式如下

$ \Delta y=y_2-y_1, y_3-y_2, \cdots, y_i-y_{i-1}, \cdots, y_N-y_{N-1} $

(2)

统计检验得日均值一阶差分序列y_i+1－y_i，近似服从N(0，1)。其中$\sigma \sqrt{2}$为差分序列均方差。定义均方连差为差分序列均方差的估值：

$ q^2=\frac{1}{N-1} \sum\nolimits_{i=1}^{N-1}\left(y_{i+1}-y_i\right)^2 $

(3)

由式（3）可求出不受系统误差干扰的日均值观测精度，即日均值相对噪声水平，公式如下

$ M_1^2=\frac{q^2}{2}=\frac{1}{2(N-1)} \sum\nolimits_{i=1}^{N-1}\left(y_{i+1}-y_i\right)^2 $

(4)

式中，q为均方连差，N为计算天数（≥90天，即3个月），y_i为日均值序列。

基于以上公式，计算得到崇礼形变观测仪器相对噪声水平，结果见图 4。可知：自仪器安装以来，随着观测时间的不断累积，各测项仪器噪声水平M₁逐渐降低，并趋于稳定；观测资料拟合结果显著优于定点形变Ⅰ类台规范标准所要求的0.05×10^-6（应变）、0.02×10^-3″（倾斜）的指标。

由图 4可知，倾斜类和应变类仪器的NS分量噪声水平均相对较低，主要原因可能是，在岩体中开挖洞室，产生的空腔效应必然会破坏岩体内原有的相对平衡应力状态，进而形成卸荷性的弹性恢复变形，并在一定范围内引发岩体天然应力状态的重分布，导致洞室周围岩体向洞室空间松胀，即在半径方向上发生伸长变形。由于山洞的引洞、长条形观测洞室总体走向沿NS方向展布较长，因此其径向EW方向、NW方向（NS、EW方向的矢量合成）存在因围岩应力变化的重新调整与分布，在观测仪器记录上表现为曲线的漂移变化特征，从而影响了噪声水平的大小。

2.3.2 精度指标评价

M₂波应变潮汐因子γ值和倾斜潮汐因子α值的均方差m_γ和m_α用来评定观测资料内在质量的优劣。评价方法是，采用整点值数据，按月进行调和分析，计算得到潮汐因子值与潮汐因子均方差。崇礼台形变观测仪器2020年1月—2024年3月潮汐因子及均方差计算结果见表 2，观测曲线见图 5。

结果显示：该台形变观测数据潮汐因子均方差远超Ⅰ类地壳形变观测台技术指标要求，尤其是倾斜类的水管仪，在国内同类台站中处于领先水平；在固体潮汐调和分析计算中，选取的资料时间尺度越长，潮汐因子均方差越小，且越趋于稳定，其变化几乎呈现为一条平滑的直线，不仅能够真实反映观测数据的连续性与可靠性，还体现了仪器长期运行的稳定性。

3 干扰因素分析

崇礼台形变观测典型干扰事件有自然环境干扰和人为干扰2类。在自然环境干扰因素中，气象因素干扰尤为显著，具体表现为雷电和气压干扰。崇礼台严格按照形变台站相关规范选址建设，周边干扰源稀少，洞顶地貌平坦开阔，且覆盖层厚度一般在45 m以上，受降雨和大风干扰影响较小。人为干扰主要源于仪器调零、检修及校准等人员进洞引起的地面变形或洞室温度变化，干扰曲线特征主要表现为数据缺测、台阶变化、突跳等，文中不再赘述。下文就典型气象干扰实例进行深入分析。

3.1 雷电干扰

张家口地区每年6—9月为雷雨季节，强雷电产生的电磁场会直接干扰仪器传感器或前置放大器，导致观测信号不稳定，在观测曲线上表现为固体潮汐畸变。以2024年6月9日—12日雷电干扰事件为例，对比分析崇礼形变观测仪器受干扰程度，结果见图 6(a)。可见，在相同干扰条件下，水管仪受雷电干扰程度最小，其受干扰幅度小且时长最短。

3.2 气压干扰

气压骤变或突变会引起对地面负载的增减变化，导致岩体应力应变发生改变，从而被仪器所记录（狄樑等，2023）。气压影响呈周期性变化特征，其中：短周期影响可能直接破坏固体潮汐波形，导致记录曲线发生畸变；长周期的气压缓变则会影响观测曲线走向趋势，例如出现加速或转折，时间尺度有时可能长达数天，直观表现为记录曲线呈“V”字型特征[图 6(b)]。气压变化对倾斜类观测仪器影响较小，对应变类观测仪器影响较为明显，可能与其观测的物理量类型、观测山洞的地形地貌等因素有关，例如倾斜类仪器观测垂直方向的变化，应变类仪器观测水平方向的变化。

4 结束语

崇礼台地壳形变观测山洞自投入运行以来，干扰因素较少，观测仪器工作稳定，观测资料连续、可靠，数据质量各项评价指标均达到中国地震局形变观测I类台标准，在国内同行台站中处于先进水平。崇礼台的建设与投入使用，将有效提升区域地球物理观测站网的地震监测能力。

雷电和气压干扰对观测数据质量产生一定影响，是地震监测中无法避免的问题。然而，只要在数据处理过程中正确识别并剔除干扰信息，便能提取到真实有效的地球物理异常信息。