庫爾勒地震臺地傾斜數(shù)據(jù)一致性及氣象因素分析①

郭春生， 斯 琴， 關(guān)冬曉， 張嘉敏， 朱治國

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

形變是地震孕育的動力學背景、是地震預(yù)報直接可靠的力學型前兆，震例總結(jié)表明，中強地震發(fā)生前，地傾斜會存在不同程度的異常現(xiàn)象[1-3]。但同一觀測環(huán)境下，不同儀器，同物理量觀測結(jié)果不一致[4]、觀測數(shù)據(jù)間缺少整體性的協(xié)調(diào)對應(yīng)關(guān)系[5]，仍是困惑地震預(yù)報的一個問題。另一方面，形變臺站受到各種因素的影響，會激勵、調(diào)制出相應(yīng)的周期性變化，并為觀測儀器所記錄，因此觀測值序列必然蘊含了多種物理數(shù)學信息[6]。因此，若觀測數(shù)據(jù)完全或最大限度地反映的是地球物理場信息或同源干擾信息，那么同臺站不同的地傾斜觀測儀器對同一測項的觀測結(jié)果在變化形態(tài)、變幅等方面應(yīng)具有較強的一致性；若觀測數(shù)據(jù)明顯受到觀測儀器自身性能的影響，以至于記錄到的地球物理場信息嚴重失真，則該數(shù)據(jù)應(yīng)用于地震預(yù)報，是沒有意義的。因此研究多種觀測手段下觀測數(shù)據(jù)的一致性問題，以及干擾因素及干擾特征，將有助于認識觀測數(shù)據(jù)所包含信息物理意義的認識，而這些認識將有助于我們判斷提取的觀測數(shù)據(jù)的異常信息是來自于地球內(nèi)部的應(yīng)力積累還是外界的某種因素干擾，這對震情的跟蹤分析具有積極的意義。

同一觀測環(huán)境下，不同儀器相同物理量觀測一致性問題及形變觀測影響因素分析，已有專家進行探討，例如：王長江[8]利用形態(tài)對比法、潮汐因子幅度、潮汐因子精度等方面分析了觀測不一致的現(xiàn)象；趙慧琴[4]運用形態(tài)對比法、Venedikov調(diào)和分析法討論了易縣地震臺形變資料的一致性，結(jié)果表明，同一觀測環(huán)境下，不同儀器相同物理量觀測不一致，同物理量觀測的潮汐因子幅度、精度不一致；王梅[9]對泰安基準臺固體潮形變觀測各分量的曲線形態(tài)、潮汐參數(shù)等進行了對比分析；孫伶俐[10]運用聚類及PCA方法對湖北省7個臺站洞體應(yīng)變觀測記錄進行相關(guān)性分析，歸納總結(jié)了潮汐參數(shù)變化特征差異，并針對觀測中自然環(huán)境影響進行定量分析，自然環(huán)境因素(氣壓、降水、雷雨、溫度)對湖北地區(qū)洞體應(yīng)變觀測影響較為顯著。許璐以溫泉體應(yīng)變?yōu)槔眯〔ǚ治龊拖嚓P(guān)性分析等方法，分析了溫泉體應(yīng)變觀測各周期變化的影響因素及特征，且不同影響因素對觀測儀器的影響的周期特征不同[11]。本文中選取庫爾勒地震臺3套地傾斜數(shù)據(jù)為研究對象，首次嘗試將數(shù)據(jù)分解為日波、半日波、月波、年波等頻段，研究不同頻段信息的一致性及氣溫、氣壓的干擾。

1 臺站及觀測系統(tǒng)介紹

庫爾勒地傾斜觀測臺站位于庫爾勒市北霍拉山南緣的山洞內(nèi)，地理位置為41.82°N,86.19°E,海拔高程1 100 m。附近較大的斷裂主要有北輪臺—辛格爾斷裂和興地斷裂。山洞長約400 m，呈“U”形，觀測室進深200 m，通道呈“L”形，觀測室上巖石覆蓋厚度近200 m，臺基巖性為元古界老變質(zhì)巖，觀測洞室日溫差≤0.1 ℃,年溫差≤0.5 ℃[12]。山洞架有SQ-70D型石英水平擺傾斜儀、MD跨斷層儀、SS-Y型伸縮儀、DSQ型長水管傾斜儀、GS-15型重力儀、VP寬頻帶垂直擺傾斜儀、斷層氫及輔助觀測氣象三要素儀(圖1)。

圖1 庫爾勒地傾斜布設(shè)方位及平面示意圖Fig.1 Orientation and Schematic diagram of Korla crustal inclination

庫爾勒水平擺2001年起正式觀測。儀器型號為SQ-70D，最初為“九五”數(shù)字化觀測模式，2006年底改造為“十五”模式。2012年6月水平擺更換CCD傳感器，對資料影響較大。庫爾勒水平擺固體潮汐清晰、規(guī)則、資料連續(xù)可靠。垂直擺儀器型號為VP寬頻帶傾斜儀，2014年初開始正式觀測。儀器架設(shè)以來，工作狀態(tài)穩(wěn)定，資料連續(xù)率、完整率、精度較高。水管儀于2000年11月架設(shè)，2009年2月“十五”數(shù)字化改造，2013年11月比測(更換不銹鋼缽體、標定器、前置放大盒、液體)；2014年12月重新架設(shè)水管儀并換液。

2 數(shù)據(jù)分析方法介紹

2.1 別爾采夫濾波

別爾采夫濾波可以把定點形變觀測數(shù)據(jù)分解成由日月引力作用形成的潮汐部分和儀器的零漂及其他因素引起的低頻趨勢變化兩部分。其濾波公式為[13]，

(1)

式中，Ym=yn-y-n。

yp為中心時刻的濾波值，中心時刻可選在任何一個時刻，y0為中心時刻的觀測值，yn和y-n分別為以中心時刻做時間起算點前n小時和后n小時的觀測值。

2.2 多項式分段曲線擬合

分段曲線擬合方法主要針對在自然科學領(lǐng)域中測量的數(shù)據(jù)而使用的擬合方法，是在工程實踐與科學實驗中從一組帶噪聲的實驗觀測數(shù)據(jù)(xi,yi)i=1,2,3,…n中找出自變量x與因變量y之間隱含的函數(shù)關(guān)系的一種常用方法[14]，但是在數(shù)據(jù)點較多時，若多項式擬合的階數(shù)低，則擬合精度和效果就不理想，要提高擬合精度和效果就要提高曲線階數(shù)，而階數(shù)太高會給計算帶來麻煩，為了有效的解決該問題，一般采用分段曲線擬合,在每段區(qū)間上進行局部最小二乘擬合[15]。

3 數(shù)據(jù)分析

本文中選取庫爾勒地震臺地傾斜及氣象資料2016～2020年小時值數(shù)據(jù)為研究對象。 2016年以來，水管儀、水平擺NS分量趨勢N傾，垂直擺S傾， 2018年后水管儀N傾速率增加，水平擺N傾速率減緩；水管儀EW分量E傾，水平擺和垂直擺W傾，庫爾勒各類地傾斜資料趨勢性變化存在矛盾。從年變形態(tài)來說(圖2)，水管儀、水平擺和垂直擺均呈現(xiàn)“夏低冬高”的形態(tài)，水管和水平擺的年變形態(tài)較垂直擺年變形態(tài)清晰。氣溫、氣壓年變形態(tài)清晰且趨勢變化不明顯。

圖2 庫爾勒地震臺地傾斜、氣壓、氣溫日均值曲線圖(a) 水管儀NS (b) 水管儀EW (c) 水平擺NS (d) 水平擺EW(e) 垂直擺NS (f) 垂直擺EW (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.2 Curves of ground tilt, air pressure and air temperature at Korla Seismic Station

3.1 庫爾勒地傾斜日波、半日波一致性及干擾分析

首先利用別爾采夫濾波將庫爾勒地傾斜各分量、氣溫、氣壓分解出日波、半日波(圖3)。

圖3 庫爾勒地傾斜、氣溫、氣壓的日波、半日波曲線圖(a) 水管儀NS (b) 水管儀EW (c) 水平擺NS (d) 水平擺EW(e) 垂直擺NS (f) 垂直擺EW (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.3 Curves of daily waves, half-day waves of ground tilt, temperature and pressure of korla

計算庫爾勒地傾斜各分量日波、半日波與氣溫、氣壓日波、半日波(潮汐頻段)及理論固體潮的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。不失一般性，繪制水平擺與垂直擺NS分量，水管儀與垂直擺EW向散點圖(圖4)。

表1 庫爾勒地傾斜與氣溫、氣壓、固體潮相關(guān)系數(shù)(日波、半日波頻段)

由表1及圖4可知，庫爾勒地傾斜日波、半日波頻段觀測結(jié)果一致性較好，且均與理論固體潮具有較高的線性相關(guān)性，而與氣溫、氣壓的相關(guān)性較差。

圖4 庫爾勒地傾斜不同分量間的散點圖(a) 水平擺與垂直擺NS分量 (b) 水管儀與垂直擺EW向Fig.4 Scatter plot between different components of Korla ground tilt

3.2 庫爾勒地傾斜月波、年波頻段的一致性及干擾分析

利用一般多項式分段曲線擬合法[16]將剩余的低頻成分濾出周期在1～2個月內(nèi)的月波(圖5)、年波(圖6)。計算2016年1月至2020年4月庫爾勒地傾斜各分量、氣溫、氣壓月波之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

圖5 庫爾勒地傾斜、氣溫、氣壓月波(2018-01-01～2018-02-28)(a) 水管儀NS (b) 水管儀EW (c) 水平擺NS (d) 水平擺EW(e) 垂直擺NS (f) 垂直擺EW (g) 氣溫 (h)氣壓Fig.5 Moon wave of crustal inclination, temperature and pressure of korla

圖6 庫爾勒地傾斜、氣溫、氣壓年波(a) 水管儀NS (b) 水管儀EW (c) 水平擺NS (d) 水平擺EW(e) 垂直擺NS (f) 垂直擺EW (g)氣溫 (h) 氣壓Fig.6 Year wave of ground tilt, temperature and pressure of korla

由圖5、表2可知，垂直擺EW分量與氣壓月波具有一定的相關(guān)性，其他相應(yīng)觀測基本不一致。統(tǒng)計庫爾勒地傾斜年波滯后氣溫相位，并計算它們之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。

表2 庫爾勒地傾斜各分量月波之間及與氣溫、氣壓月波相關(guān)系數(shù)

表3 庫爾勒地傾斜滯后溫度相位及與氣溫、氣壓相關(guān)系數(shù)(年頻段)

由圖6及表3，庫爾勒地傾斜的年波雖具有一定差異性，經(jīng)相位平移之后，均與氣溫具有較高的線性相關(guān)性。

4 結(jié)論與討論

庫爾勒地傾斜在日波、半日波頻段一致性較好，均與固體潮具有較高的線性相關(guān)性，這也充分說明庫爾勒地傾斜固體潮記錄清晰可靠，日波、半日波頻段能較好地反映出固體潮的變化。

楊紹富[17]認為氣壓對庫爾勒水管儀的影響既有對測點載荷的影響，也有通過觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，氣體流動會在水管儀兩端的缽體產(chǎn)生氣壓差，從而影響到液面高度，對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，氣壓的影響始終存在。而本文中的研究結(jié)果表明庫爾勒地傾斜月波頻段的一致性較差，水管儀雖然與氣壓具有一定的相關(guān)性，但相關(guān)程度較低，僅垂直擺EW分量與氣壓月波具有一定的相關(guān)性。

復(fù)雜地形條件下地傾斜的年變化幅度受到溫度的影響更為顯著，山坡所受影響比近山腳的平地大1個數(shù)量級[18]，在假定半無限空間介質(zhì)模型下，地表溫度作周期變化時，地下深度y處溫度與地表溫度波動的相位差為[19]

(2)

其中，φ為相位差，ω為周年變化角頻率，k為熱擴散系數(shù)。上式表明，溫度波動相位差與深度成正比。由圖1，垂直擺距洞口較近，水平擺與水管儀距洞口較遠；根據(jù)山體特征，水平擺、水管儀上層覆蓋較厚，垂直擺上層覆蓋相對較薄。因此垂直擺相位滯后天數(shù)較水平擺與水管儀相位滯后天數(shù)少。庫爾勒地傾斜年波頻段經(jīng)相位平移之后，均與氣溫具有較高的線性相關(guān)性，這說明庫爾勒地傾斜年周期變化可能受溫度的影響較大。

綜合上述分析可知，在庫爾勒地傾斜的數(shù)據(jù)跟蹤分析過程中，若提取到日波、半日波頻段的異常信息需要考慮剔除固體潮汐的影響，若提取到年變幅度及相位的異常變化時，需要考慮剔除溫度變化的影響。