泰安地震臺(tái)地傾斜觀測(cè)一致性及干擾因素分析①

郭春生， 劉海剛， 朱治國

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2.山東省地震局，山東 濟(jì)南 250000)

中國開展地震地球物理觀測(cè)以來，積累了海量觀測(cè)數(shù)據(jù)，震例研究表明[1-5]，中強(qiáng)地震發(fā)生前，地傾斜可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的異常變化。但同一觀測(cè)環(huán)境下，不同儀器，同物理量觀測(cè)不一致[6]、觀測(cè)數(shù)據(jù)間缺少整體性的協(xié)調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]，仍是地震預(yù)報(bào)難題之一。另外，建立在地球表層的形變臺(tái)站會(huì)受到各種因素影響，會(huì)激勵(lì)、調(diào)制出相應(yīng)的周期性變化，并為觀測(cè)儀器所記錄，觀測(cè)值序列必然蘊(yùn)含多種物理數(shù)學(xué)信息[8]。地球內(nèi)部的應(yīng)力一直存在，地震發(fā)生并不需要太大的應(yīng)力增量；同時(shí)，地震的“效果”也決不是把積累起來的應(yīng)力徹底“釋放掉”，而這就意味著地震前兆信息的強(qiáng)度，比原來所認(rèn)為的要小得多[9]，因此研究觀測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾因素并剔除，將對(duì)異常的識(shí)別與提取具有現(xiàn)實(shí)意義。同一觀測(cè)環(huán)境下，不同儀器相同物理量觀測(cè)一致性問題的研究較少，趙慧琴[6]運(yùn)用形態(tài)對(duì)比法、Venedikov調(diào)和分析法討論了易縣地震臺(tái)形變資料的一致性。王梅[10]對(duì)泰安基準(zhǔn)臺(tái)固體潮形變觀測(cè)各分量的曲線形態(tài)、潮汐參數(shù)等進(jìn)行了對(duì)比分析。形變會(huì)商技術(shù)方法列裝的主要異常分類中包含趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、破年變、潮汐畸變等異常類型。因此本文中選取泰安地震臺(tái)3套地傾斜資料為研究對(duì)象，將數(shù)據(jù)分離出日波、半日波、月波、年波和趨勢(shì)變化等頻段，并利用相關(guān)性分析探究不同頻段地傾斜觀測(cè)資料的一致性及相應(yīng)頻段的干擾因素。

1 臺(tái)站及觀測(cè)儀器介紹

泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)始建于1967年2月，處于魯中隆起，萊蕪弧形斷裂帶北側(cè)，辛莊至垛莊NW向斷裂帶西側(cè)(36.21°N,117.12°E)。臺(tái)基為太古代泰山群(Art)花崗片麻巖體，臺(tái)址巖體完整致密均勻，波導(dǎo)性良好，測(cè)量信噪比高，可靠性好[10-12]。儀器洞室主洞進(jìn)深76 m，最大覆蓋厚度29 m，室溫年變幅約0.06 ℃。DSQ水管傾斜儀于1998年2月開始觀測(cè)，同室還架有SSQ水平擺傾斜儀(2000年5月投入觀測(cè))，數(shù)字化VS 垂直擺傾斜儀(1998年8月投入觀測(cè))，2套儀器相距僅2 m。泰安臺(tái)地傾斜觀測(cè)環(huán)境達(dá)到規(guī)范要求，干擾少，但是觀測(cè)儀器的調(diào)試和維修帶來的相互干擾嚴(yán)重，尤其是水管傾斜儀標(biāo)定經(jīng)常超限，影響觀測(cè)質(zhì)量[13]。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 資料基本情況

選取泰安地震臺(tái)地傾斜及氣象資料2015～2019年小時(shí)值數(shù)據(jù)為研究對(duì)象。由圖1，泰安地傾斜趨勢(shì)性變化存在矛盾，NS分量、垂直擺和水平擺趨勢(shì)N傾，而水管儀則為趨勢(shì)S傾；EW分量，水管儀、垂直擺趨勢(shì)E傾，而水平擺由趨勢(shì)W傾，2016年起轉(zhuǎn)平。從年變形態(tài)來看，水管儀NS分量存在故障，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，基本無年變形態(tài)，其他分量年變形態(tài)清晰。氣溫、氣壓年變形態(tài)清晰且趨勢(shì)變化不明顯。本文中擬利用濾波技術(shù)將數(shù)據(jù)分解為日波、半日波、月波、年波及趨勢(shì)等頻段，進(jìn)一步研究不同頻段信息的一致性及干擾因素。

圖1 泰安地震臺(tái)地傾斜、氣壓、氣溫曲線圖(a) 水管儀NS分量 (b) 水管儀EW分量 (c) 水平擺NS分量 (d) 水平擺EW分量 (e) 垂直擺NS分量(f) 垂直擺EW 分量 (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.1 Curves of ground tilt, air pressure and air temperature at Taian Seismic Station

2.2 別爾采夫?yàn)V波

利用別爾采夫?yàn)V波可以將地球物理場(chǎng)觀測(cè)量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它因素引起的低頻趨勢(shì)變化。利用別爾采夫?yàn)V波分離出泰安地傾斜各分量、氣溫、氣壓的日波、半日波(圖2)。

計(jì)算泰安地傾斜各分量、氣溫、氣壓的日波、半日波及理論固體潮間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。以水平擺與垂直擺NS向和水管與水平擺EW向?yàn)槔L散點(diǎn)圖(圖3)。泰安地傾斜日波、半日波頻段觀測(cè)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。

圖2 泰安地傾斜、氣壓日波及半日波、氣溫曲線圖(a) 水管儀NS分量 (b) 水管儀EW分量 (c) 水平擺NS分量 (d) 水平擺EW分量 (e) 垂直擺NS分量(f) 垂直擺EW 分量 (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.2 Taian ground tilt, diurnal and semidiurnal wave of atmospheric pressure and temperature curves

圖3 泰安地傾斜不同分量間的散點(diǎn)圖(a) 水平擺與垂直擺NS分量 (b) 水管儀與水平擺EW向散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot between different components of Taian ground tilt

2.3 多項(xiàng)式分段曲線擬合

利用一般多項(xiàng)式分段曲線擬合法[14]將濾除日波、半日波剩余的低頻成分中濾除周期在1～2個(gè)月內(nèi)的月波(圖4)、年波(圖5)和殘差趨勢(shì)變化(圖6)。計(jì)算泰安地傾斜各分量、氣溫、氣壓月波之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表2。

表1 泰安地傾斜與氣溫、氣壓、固體潮相關(guān)系數(shù)表(日波、半日波)

圖4 泰安地傾斜、氣溫、氣壓月波圖(a) 水管儀NS分量 (b) 水管儀EW分量 (c) 水平擺NS分量 (d) 水平擺EW分量(e) 垂直擺NS分量 (f) 垂直擺EW分量 (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.4 Monthly wave curves of Taian ground tilt, temperature and pressure

結(jié)合圖4及表2可知，泰安地傾斜在月波頻段的一致性較差，與氣溫、氣壓也基本無線性關(guān)系。統(tǒng)計(jì)泰安地傾斜年波滯后氣溫的相位，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。由圖5及表3，除水管儀NS分量年變形態(tài)較差外，泰安地傾斜的年波相位平移之后，均與氣溫具有較高的線性相關(guān)性。水平擺、垂直擺EW向與氣壓也具有一定相關(guān)性。

表2 泰安地傾斜各分量與氣溫、氣壓相關(guān)系數(shù)表(2016-01～2020-04)

表3 泰安地傾斜滯后溫度相位及與氣溫、氣壓相關(guān)系數(shù)

圖5 泰安地傾斜、氣溫、氣壓年波圖(a) 水管儀NS分量 (b) 水管儀EW分量 (c) 水平擺NS分量 (d) 水平擺EW分量 (e) 垂直擺NS分量 (f) 垂直擺EW 分量 (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.5 Annual wave curves of Taian ground tilt, temperature and pressure

泰安地傾斜的趨勢(shì)變化是矛盾的，且與氣溫、氣壓相關(guān)性不大(圖6)。地傾斜NS分量中，水平擺、垂直擺2015年以來N傾，2018年后逐漸由N傾轉(zhuǎn)為S傾；水管儀2016年以來基本為S傾。地傾斜EW分量中，水管儀、垂直擺2015年以來E傾，與水平擺的變化趨勢(shì)不一致。

圖6 泰安地傾斜、氣溫、氣壓趨勢(shì)圖(a) 水管儀NS分量 (b) 水管儀EW分量 (c) 水平擺NS分量 (d) 水平擺EW分量(e) 垂直擺NS分量 (f) 垂直擺EW 分量 (g) 氣溫 (h) 氣壓Fig.6 Trend curves of ground tilt, air temperature and air pressure in Taian

3 分析與討論

利用別爾采夫?yàn)V波及多項(xiàng)式分段線性擬合等方法，將泰安地震臺(tái)地傾斜、氣溫、氣壓分解為日波、半日波、月波、年波等頻段。通過研究表明，泰安地傾斜在日波、半日波頻段一致性較好，均與固體潮有較高的線性相關(guān)性，這也充分說明泰安地傾斜固體潮記錄清晰可靠，日波、半日波頻段的主要影響因素為固體潮，僅水管儀NS分量可能由于儀器故障原因，與固體潮相關(guān)性較差。

泰安地傾斜月波頻段的一致性較差，與氣溫、氣壓基本無關(guān)，泰安地傾斜月波頻段基本受氣象因素的影響較小。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(gè)數(shù)量級(jí)[15]，泰安地傾斜年波雖有差異，但基本一致，經(jīng)相位平移之后，均與氣溫具有較高的線性相關(guān)性，這說明泰安地傾斜年周期變化可能受溫度的影響較大。溫度對(duì)體應(yīng)變的影響存在一個(gè)熱傳導(dǎo)的過程[16-17]，泰安地傾斜的年波與氣溫存在相位滯后說明溫度對(duì)地傾斜的影響也存在一個(gè)熱傳導(dǎo)過程，泰安垂直擺、水平擺相距僅2 m，2套觀測(cè)儀器兩分量滯后溫度的相位差基本一致，與水管儀的相位滯后有一定差異，說明滯后溫度的相位可能與儀器架設(shè)的位置有關(guān)。泰安地傾斜不同測(cè)項(xiàng)的趨勢(shì)變化存在一定的矛盾，究竟哪一個(gè)分量的變化反應(yīng)的是真實(shí)的區(qū)域應(yīng)力變化難以確定，所以如何利用資料的趨勢(shì)變化研究區(qū)域應(yīng)力變化仍然是一個(gè)需要深入研究的問題。

4 結(jié) 語

形變是地震孕育的動(dòng)力學(xué)背景、是地震預(yù)報(bào)直接可靠的力學(xué)型前兆。形變臺(tái)站測(cè)得的信息反映的是地球物理場(chǎng)的信息，那么同臺(tái)不同儀器相同的物理測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)結(jié)果應(yīng)具有一致性；如果測(cè)得的信息僅反映儀器測(cè)點(diǎn)或儀器本身屬性信息，那么利用所測(cè)結(jié)果預(yù)測(cè)場(chǎng)上地震的發(fā)生情況則是錯(cuò)誤的，或者說是沒有意義的。本文中對(duì)泰安地傾斜一致性及干擾因素的研究，有助于了解觀測(cè)值序列所包含的信息及其物理意義，加深對(duì)其物理意義的理解，且能夠在一定程度上判定儀器差異性對(duì)觀測(cè)帶來的觀測(cè)系統(tǒng)誤差。尤其是在地震的分析預(yù)報(bào)中，對(duì)提取異常的可靠性分析具有一定的指導(dǎo)意義。