2019年海南五指山臺(tái)硐室形變與氣象三要素?cái)?shù)據(jù)相關(guān)性分析

郭昱琴，周雯，胡久常，蘇維剛

(1.海南省地震局，海南 ?？?570100；2.青海省地震局，青海 西寧 810000)

0 引 言

形變觀測(cè)信息中包含固體潮汐和非固體潮汐信息。固體潮汐是由于日、月和近地行星對(duì)地球的引力變化所導(dǎo)致的地球內(nèi)部和表面的周期性形[1]，非固體潮汐信息則反應(yīng)的是地表傾斜和應(yīng)變的變化，因此傾斜觀測(cè)和應(yīng)變觀測(cè)是地震前定點(diǎn)形變觀測(cè)的重要手段。前人針對(duì)形變觀測(cè)進(jìn)行了大量研究，陳德福在搜集整理了大量的傾斜異常圖像后對(duì)傾斜異常形態(tài)進(jìn)行了分類和特征分析[2]；夏超德、楊曉東等人分別對(duì)寧波臺(tái)和韓城臺(tái)的傾斜模擬觀測(cè)和數(shù)字化觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比研究[3-5]；王梅、曹建玲等人論述了氣壓、雷電、地表溫度和環(huán)境載荷等干擾對(duì)觀測(cè)記錄的影響及其機(jī)理[6-7]。當(dāng)累積降雨量超過20 mm，對(duì)地傾斜的影響較為明顯，降水對(duì)地傾斜的影響的滯后時(shí)間一般在2天以上，降雨對(duì)傾斜資料影響的實(shí)質(zhì)主要在于降雨造成重力負(fù)荷發(fā)生變化、雨水滲入巖石后引起不均勻膨脹[8]，研究表明潮汐形變觀測(cè)數(shù)據(jù)受到氣象因素的干擾影響較多[9]。

五指山形變臺(tái)目前運(yùn)行兩套地傾斜觀測(cè)儀器(分別為DSQ水管傾斜儀和VP寬頻帶傾斜儀)，此外還有一套地應(yīng)變儀器(SS-Y銦瓦棒伸縮儀)，三套儀器于2014年3月安裝調(diào)試完畢并投入觀測(cè)。氣象三要素綜合觀測(cè)儀則于2017年9月26日架設(shè)。上述所有儀器總體上運(yùn)行正常，由于儀器維護(hù)和更換，資料連續(xù)性及質(zhì)量日漸有所提升，部分測(cè)項(xiàng)由于環(huán)境、人為、氣象等因素的干擾和儀器故障、儀器性能不佳等導(dǎo)致觀測(cè)資料存在缺數(shù)、突變，出現(xiàn)顯著的異常變化。本文通過對(duì)五指山形變臺(tái)三套形變儀器觀測(cè)資料與氣壓、溫度、降雨三種氣象要素展開相關(guān)性研究，深入分析觀測(cè)數(shù)據(jù)的物理意義及產(chǎn)生不同趨勢(shì)變化的原因，為數(shù)字化傾斜對(duì)比觀測(cè)資料的干擾快速識(shí)別提供基礎(chǔ)資料及參考依據(jù)。

1 臺(tái)站基本情況

五指山形變臺(tái)位于海南省五指山市沖山鎮(zhèn)太平山山麓半山腰，該區(qū)域廣泛出露二疊系花崗巖和三疊系花崗巖[10]。臺(tái)站周圍基巖裸露，觀測(cè)硐室的臺(tái)基為角閃黑云二長(zhǎng)花崗巖，厚度較大，約40 m?；鶐r性堅(jiān)硬完整、致密均勻，測(cè)點(diǎn)周邊觀測(cè)環(huán)境也較為穩(wěn)定。距五指山形變臺(tái)10 km處有一條隱伏平移斷層，而尖峰—吊羅深大斷裂帶距臺(tái)站約25 km。五指山形變臺(tái)觀測(cè)山洞周邊無(wú)居民區(qū)，年平均氣溫22.4 ℃，年平均氣壓977.9 hPa，年平均降雨量1 690 mm。臺(tái)站為無(wú)人值守臺(tái)站，觀測(cè)山洞由部隊(duì)防空洞改建。其中DSQ水管傾斜儀和SSY銦瓦棒伸縮儀布設(shè)在主洞室內(nèi)，兩者相同分量的儀器部件平行布設(shè)且共用同一槽體，而VP垂直擺則布設(shè)在主洞室南側(cè)的側(cè)洞室(圖1)。氣象三要素綜合觀測(cè)儀架設(shè)于距臺(tái)站2.4 km處五指山市地震局，觀測(cè)環(huán)境穩(wěn)定。

圖1 五指山臺(tái)站構(gòu)造位置及儀器布設(shè)情況

2 觀測(cè)資料特征分析

2.1 應(yīng)變資料分析

五指山形變臺(tái)洞體應(yīng)變(SS-Y銦瓦棒伸縮儀)連續(xù)性較好，主要受到觀測(cè)洞室潮濕影響，北南向的前置盒容易故障會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，東西向數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。從應(yīng)變觀測(cè)曲線(圖2)來(lái)看，該儀器北南向原始觀測(cè)曲線記錄到的固體潮形態(tài)較好，日均值年變規(guī)律不太清晰，總體變化趨勢(shì)向北，持續(xù)至今；東西向原始觀測(cè)曲線與北南向類似，日均值年變規(guī)律同樣不明顯，記錄到的固體潮形態(tài)較好，總體變化趨勢(shì)向東，持續(xù)至今。

圖2 五指山形變臺(tái)伸縮儀觀測(cè)曲線

2.2 傾斜資料分析

五指山形變臺(tái)水管傾斜儀觀測(cè)曲線連續(xù)性較好，穩(wěn)定性較差。從觀測(cè)曲線圖(圖3)來(lái)看，2017年長(zhǎng)期處于緩降的狀態(tài)。此變化現(xiàn)象已多次邀請(qǐng)專家到現(xiàn)場(chǎng)排查，但未找出下降原因。最后經(jīng)多方排除，認(rèn)為2017年5月出現(xiàn)的破年變異常真實(shí)存在，截止至今的持續(xù)下降變化可能與儀器的耦合特性及儀器本身性能有關(guān)。東西向數(shù)據(jù)穩(wěn)定，日均值年變規(guī)律同樣不明顯，固體潮日變形態(tài)清晰。

圖3 五指山形變臺(tái)水管傾斜儀觀測(cè)曲線

五指山形變臺(tái)寬頻帶傾斜儀觀測(cè)曲線線連續(xù)性較好，穩(wěn)定性較差。從觀測(cè)曲線(圖4)來(lái)看，該儀器北南向常年受到零漂影響多次造成超量程故障，缺記數(shù)據(jù)較多，曲線不穩(wěn)定，未出現(xiàn)趨勢(shì)改變或者轉(zhuǎn)折異常。東西向較北南向數(shù)據(jù)穩(wěn)定，日均值年變規(guī)律同樣不明顯，固體潮日變形態(tài)清晰。

圖4 五指山形變臺(tái)VP寬頻帶傾斜儀觀測(cè)曲線

3 氣象三要素對(duì)比分析

兩種傾斜儀觀測(cè)資料與溫度和氣壓的相關(guān)性存在差異[10]。選擇五指山臺(tái)的三套儀器對(duì)比觀測(cè)資料進(jìn)行溫度、氣壓和降雨的相關(guān)性分析，選擇數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的2019年和2019年2月的觀測(cè)資料，對(duì)不同尺度的觀測(cè)資料先進(jìn)行去趨勢(shì)分析，然后通過月尺度和年尺度的相關(guān)分析結(jié)果對(duì)比三套儀器受溫度、氣壓和降雨的影響程度。

聚類分析軟件SPASS是世界上最早的統(tǒng)計(jì)分析軟件，其中相關(guān)分析考察的是兩個(gè)連續(xù)變量的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)能夠數(shù)字的方式準(zhǔn)確描述變量間的線性相關(guān)程度。一般來(lái)說，如果兩個(gè)變量的變化趨勢(shì)同向，則它們之間的關(guān)系稱為正線性相關(guān)；反之，稱為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

以下通過SPASS對(duì)不同尺度的觀測(cè)資料與溫度、氣壓、降雨做相關(guān)性分析。以溫度、氣壓、降雨為變量x，以觀測(cè)值為變量y，計(jì)算Perason相關(guān)系數(shù)r，其取值范圍r為-1～1，r的絕對(duì)值表示兩變量之間線性相關(guān)的密切程度，r的絕對(duì)值越接近于1，說明密切程度越高；r的絕對(duì)值越接近于0，說明密切程度越低。Perason積矩相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

式中，n為樣本數(shù)。根據(jù)以上計(jì)算公式，得到五指山臺(tái)2019年和2019年2月觀測(cè)資料與溫度、氣壓、降雨的相關(guān)系數(shù)r，結(jié)果見表1。

表1 五指山臺(tái)三套儀器與氣溫、氣壓及降雨的相關(guān)關(guān)系

如表1所示，在月尺度上垂直擺傾斜儀及伸縮儀北南分量與溫度均無(wú)相關(guān)關(guān)系，水管傾斜儀與溫度存在偏弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，r值為-0.215。三套儀器東西分量均與溫度存在相關(guān)關(guān)系：水管傾斜儀東西分量與溫度存在中等偏弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，r值為-0.398；垂直擺傾斜儀東西分量與溫度存在很強(qiáng)的正相關(guān)，r值達(dá)到0.88，相關(guān)關(guān)系顯著；伸縮儀東西分量與溫度存在中等程度的正相關(guān)關(guān)系，r值為0.414。

水管傾斜儀僅北南分量與氣壓存在相關(guān)關(guān)系，r值為0.332。垂直擺傾斜儀兩分量與氣壓存在較弱相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均較低。伸縮儀北南和東西分量與氣壓均無(wú)相關(guān)關(guān)系。

三套儀器在月尺度上均與降雨無(wú)相關(guān)關(guān)系，可能是與選擇觀測(cè)資料時(shí)間段有關(guān)。2019年2月份降雨量?jī)H為19.6 mm。

在年尺度上水管傾斜儀北南和東西兩個(gè)分量與溫度存在中等程度偏弱的正相關(guān)關(guān)系r值分別達(dá)到0.247和0.359。垂直擺傾斜儀北南和東西兩個(gè)分量與溫度存在很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，r值分別達(dá)到-0.583和-0.794，相關(guān)關(guān)系顯著。伸縮儀北南和東西兩個(gè)分量均與溫度無(wú)相關(guān)關(guān)系。

在與氣壓的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)水管傾斜儀北南和東西分量與氣壓存在很弱的正相關(guān)，r值分別為僅為0.174和0.1；垂直擺傾斜儀北南和東西兩個(gè)分量與氣壓均存在較弱的相關(guān)關(guān)系，r值分別為為-0.153和-0.126。伸縮儀北南和東西分量與氣壓均無(wú)相關(guān)關(guān)系。

在與降雨的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)水管傾斜儀北南分量與降雨存在中等輕度的相關(guān)關(guān)系，r值為0.47，東西分量與降雨無(wú)相關(guān)關(guān)系。垂直擺傾斜儀北南和東西兩個(gè)分量與溫度存在中等強(qiáng)度的負(fù)相關(guān)，r值分別達(dá)到-0.53和-0.359。伸縮儀僅北南分量與降雨存在較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系，r值為-0.194，東西分量與降雨無(wú)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)海南五指山地震臺(tái)硐室形變觀測(cè)系統(tǒng)與溫度、氣壓、降雨的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀和伸縮儀與氣壓的相關(guān)性均較弱，傾斜儀器與溫度均存在較強(qiáng)的相關(guān)性，且垂直擺傾斜儀與溫度的r值遠(yuǎn)大于水管傾斜儀。

(2)垂直擺傾斜儀受降雨影響的r值最大，水管傾斜儀與伸縮儀北南分量次之，東西分量均不受降雨影響。

該研究結(jié)果對(duì)于準(zhǔn)確排除干擾，更好地提取地震前兆異常具有現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于傾斜儀器可以建議增加濕度計(jì)，分析洞室濕度變化對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，盡可能排除干擾；當(dāng)三套儀器觀測(cè)曲線趨勢(shì)改變時(shí)，在異常核實(shí)過程中要首先核實(shí)是否與氣象三要素同步變化，從而排除氣象因素干擾的可能性。