库尔勒地震台地倾斜数据一致性及气象因素分析①

郭春生， 斯 琴， 关冬晓， 张嘉敏， 朱治国

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

形变是地震孕育的动力学背景、是地震预报直接可靠的力学型前兆，震例总结表明，中强地震发生前，地倾斜会存在不同程度的异常现象[1-3]。但同一观测环境下，不同仪器，同物理量观测结果不一致[4]、观测数据间缺少整体性的协调对应关系[5]，仍是困惑地震预报的一个问题。另一方面，形变台站受到各种因素的影响，会激励、调制出相应的周期性变化，并为观测仪器所记录，因此观测值序列必然蕴含了多种物理数学信息[6]。因此，若观测数据完全或最大限度地反映的是地球物理场信息或同源干扰信息，那么同台站不同的地倾斜观测仪器对同一测项的观测结果在变化形态、变幅等方面应具有较强的一致性；若观测数据明显受到观测仪器自身性能的影响，以至于记录到的地球物理场信息严重失真，则该数据应用于地震预报，是没有意义的。因此研究多种观测手段下观测数据的一致性问题，以及干扰因素及干扰特征，将有助于认识观测数据所包含信息物理意义的认识，而这些认识将有助于我们判断提取的观测数据的异常信息是来自于地球内部的应力积累还是外界的某种因素干扰，这对震情的跟踪分析具有积极的意义。

同一观测环境下，不同仪器相同物理量观测一致性问题及形变观测影响因素分析，已有专家进行探讨，例如：王长江[8]利用形态对比法、潮汐因子幅度、潮汐因子精度等方面分析了观测不一致的现象；赵慧琴[4]运用形态对比法、Venedikov调和分析法讨论了易县地震台形变资料的一致性，结果表明，同一观测环境下，不同仪器相同物理量观测不一致，同物理量观测的潮汐因子幅度、精度不一致；王梅[9]对泰安基准台固体潮形变观测各分量的曲线形态、潮汐参数等进行了对比分析；孙伶俐[10]运用聚类及PCA方法对湖北省7个台站洞体应变观测记录进行相关性分析，归纳总结了潮汐参数变化特征差异，并针对观测中自然环境影响进行定量分析，自然环境因素(气压、降水、雷雨、温度)对湖北地区洞体应变观测影响较为显著。许璐以温泉体应变为例，利用小波分析和相关性分析等方法，分析了温泉体应变观测各周期变化的影响因素及特征，且不同影响因素对观测仪器的影响的周期特征不同[11]。本文中选取库尔勒地震台3套地倾斜数据为研究对象，首次尝试将数据分解为日波、半日波、月波、年波等频段，研究不同频段信息的一致性及气温、气压的干扰。

1 台站及观测系统介绍

库尔勒地倾斜观测台站位于库尔勒市北霍拉山南缘的山洞内，地理位置为41.82°N,86.19°E,海拔高程1 100 m。附近较大的断裂主要有北轮台—辛格尔断裂和兴地断裂。山洞长约400 m，呈“U”形，观测室进深200 m，通道呈“L”形，观测室上岩石覆盖厚度近200 m，台基岩性为元古界老变质岩，观测洞室日温差≤0.1 ℃,年温差≤0.5 ℃[12]。山洞架有SQ-70D型石英水平摆倾斜仪、MD跨断层仪、SS-Y型伸缩仪、DSQ型长水管倾斜仪、GS-15型重力仪、VP宽频带垂直摆倾斜仪、断层氢及辅助观测气象三要素仪(图1)。

图1 库尔勒地倾斜布设方位及平面示意图Fig.1 Orientation and Schematic diagram of Korla crustal inclination

库尔勒水平摆2001年起正式观测。仪器型号为SQ-70D，最初为“九五”数字化观测模式，2006年底改造为“十五”模式。2012年6月水平摆更换CCD传感器，对资料影响较大。库尔勒水平摆固体潮汐清晰、规则、资料连续可靠。垂直摆仪器型号为VP宽频带倾斜仪，2014年初开始正式观测。仪器架设以来，工作状态稳定，资料连续率、完整率、精度较高。水管仪于2000年11月架设，2009年2月“十五”数字化改造，2013年11月比测(更换不锈钢钵体、标定器、前置放大盒、液体)；2014年12月重新架设水管仪并换液。

2 数据分析方法介绍

2.1 别尔采夫滤波

别尔采夫滤波可以把定点形变观测数据分解成由日月引力作用形成的潮汐部分和仪器的零漂及其他因素引起的低频趋势变化两部分。其滤波公式为[13]，

(1)

式中，Ym=yn-y-n。

yp为中心时刻的滤波值，中心时刻可选在任何一个时刻，y0为中心时刻的观测值，yn和y-n分别为以中心时刻做时间起算点前n小时和后n小时的观测值。

2.2 多项式分段曲线拟合

分段曲线拟合方法主要针对在自然科学领域中测量的数据而使用的拟合方法，是在工程实践与科学实验中从一组带噪声的实验观测数据(xi,yi)i=1,2,3,…n中找出自变量x与因变量y之间隐含的函数关系的一种常用方法[14]，但是在数据点较多时，若多项式拟合的阶数低，则拟合精度和效果就不理想，要提高拟合精度和效果就要提高曲线阶数，而阶数太高会给计算带来麻烦，为了有效的解决该问题，一般采用分段曲线拟合,在每段区间上进行局部最小二乘拟合[15]。

3 数据分析

本文中选取库尔勒地震台地倾斜及气象资料2016～2020年小时值数据为研究对象。 2016年以来，水管仪、水平摆NS分量趋势N倾，垂直摆S倾， 2018年后水管仪N倾速率增加，水平摆N倾速率减缓；水管仪EW分量E倾，水平摆和垂直摆W倾，库尔勒各类地倾斜资料趋势性变化存在矛盾。从年变形态来说(图2)，水管仪、水平摆和垂直摆均呈现“夏低冬高”的形态，水管和水平摆的年变形态较垂直摆年变形态清晰。气温、气压年变形态清晰且趋势变化不明显。

图2 库尔勒地震台地倾斜、气压、气温日均值曲线图(a) 水管仪NS (b) 水管仪EW (c) 水平摆NS (d) 水平摆EW(e) 垂直摆NS (f) 垂直摆EW (g) 气温 (h) 气压Fig.2 Curves of ground tilt, air pressure and air temperature at Korla Seismic Station

3.1 库尔勒地倾斜日波、半日波一致性及干扰分析

首先利用别尔采夫滤波将库尔勒地倾斜各分量、气温、气压分解出日波、半日波(图3)。

图3 库尔勒地倾斜、气温、气压的日波、半日波曲线图(a) 水管仪NS (b) 水管仪EW (c) 水平摆NS (d) 水平摆EW(e) 垂直摆NS (f) 垂直摆EW (g) 气温 (h) 气压Fig.3 Curves of daily waves, half-day waves of ground tilt, temperature and pressure of korla

计算库尔勒地倾斜各分量日波、半日波与气温、气压日波、半日波(潮汐频段)及理论固体潮的相关系数，结果见表1。不失一般性，绘制水平摆与垂直摆NS分量，水管仪与垂直摆EW向散点图(图4)。

表1 库尔勒地倾斜与气温、气压、固体潮相关系数(日波、半日波频段)

由表1及图4可知，库尔勒地倾斜日波、半日波频段观测结果一致性较好，且均与理论固体潮具有较高的线性相关性，而与气温、气压的相关性较差。

图4 库尔勒地倾斜不同分量间的散点图(a) 水平摆与垂直摆NS分量 (b) 水管仪与垂直摆EW向Fig.4 Scatter plot between different components of Korla ground tilt

3.2 库尔勒地倾斜月波、年波频段的一致性及干扰分析

利用一般多项式分段曲线拟合法[16]将剩余的低频成分滤出周期在1～2个月内的月波(图5)、年波(图6)。计算2016年1月至2020年4月库尔勒地倾斜各分量、气温、气压月波之间的相关系数，结果见表2。

图5 库尔勒地倾斜、气温、气压月波(2018-01-01～2018-02-28)(a) 水管仪NS (b) 水管仪EW (c) 水平摆NS (d) 水平摆EW(e) 垂直摆NS (f) 垂直摆EW (g) 气温 (h)气压Fig.5 Moon wave of crustal inclination, temperature and pressure of korla

图6 库尔勒地倾斜、气温、气压年波(a) 水管仪NS (b) 水管仪EW (c) 水平摆NS (d) 水平摆EW(e) 垂直摆NS (f) 垂直摆EW (g)气温 (h) 气压Fig.6 Year wave of ground tilt, temperature and pressure of korla

由图5、表2可知，垂直摆EW分量与气压月波具有一定的相关性，其他相应观测基本不一致。统计库尔勒地倾斜年波滞后气温相位，并计算它们之间的相关系数，结果见表3。

表2 库尔勒地倾斜各分量月波之间及与气温、气压月波相关系数

表3 库尔勒地倾斜滞后温度相位及与气温、气压相关系数(年频段)

由图6及表3，库尔勒地倾斜的年波虽具有一定差异性，经相位平移之后，均与气温具有较高的线性相关性。

4 结论与讨论

库尔勒地倾斜在日波、半日波频段一致性较好，均与固体潮具有较高的线性相关性，这也充分说明库尔勒地倾斜固体潮记录清晰可靠，日波、半日波频段能较好地反映出固体潮的变化。

杨绍富[17]认为气压对库尔勒水管仪的影响既有对测点载荷的影响，也有通过观测系统产生的影响，气体流动会在水管仪两端的钵体产生气压差，从而影响到液面高度，对观测数据产生影响，气压的影响始终存在。而本文中的研究结果表明库尔勒地倾斜月波频段的一致性较差，水管仪虽然与气压具有一定的相关性，但相关程度较低，仅垂直摆EW分量与气压月波具有一定的相关性。

复杂地形条件下地倾斜的年变化幅度受到温度的影响更为显著，山坡所受影响比近山脚的平地大1个数量级[18]，在假定半无限空间介质模型下，地表温度作周期变化时，地下深度y处温度与地表温度波动的相位差为[19]

(2)

其中，φ为相位差，ω为周年变化角频率，k为热扩散系数。上式表明，温度波动相位差与深度成正比。由图1，垂直摆距洞口较近，水平摆与水管仪距洞口较远；根据山体特征，水平摆、水管仪上层覆盖较厚，垂直摆上层覆盖相对较薄。因此垂直摆相位滞后天数较水平摆与水管仪相位滞后天数少。库尔勒地倾斜年波频段经相位平移之后，均与气温具有较高的线性相关性，这说明库尔勒地倾斜年周期变化可能受温度的影响较大。

综合上述分析可知，在库尔勒地倾斜的数据跟踪分析过程中，若提取到日波、半日波频段的异常信息需要考虑剔除固体潮汐的影响，若提取到年变幅度及相位的异常变化时，需要考虑剔除温度变化的影响。