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，因此傾斜觀測和應(yīng)變觀測是地震前定點形變觀測的重要手段。前人針對形變觀測進(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、楊曉東等人分別對寧波臺和韓城臺的傾斜模擬觀測和數(shù)字化觀測進(jìn)行了對比研究[3-5]；王梅、曹建玲等人論述了氣壓、雷電、地表溫度和環(huán)境載荷等干擾對觀測記錄的影響及其機理[6-7]。當(dāng)累積降雨量超過20 mm，對地傾斜的影響較為明顯，降水對地傾斜的影響的滯后時間一般在2天以上，降雨對傾斜資料影響的實質(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數(shù)據(jù)受到氣象因素的干擾影響較多[9]。

五指山形變臺目前運行兩套地傾斜觀測儀器(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。氣象三要素綜合觀測儀則于2017年9月26日架設(shè)。上述所有儀器總體上運行正常，由于儀器維護和更換，資料連續(xù)性及質(zhì)量日漸有所提升，部分測項由于環(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)致觀測資料存在缺數(shù)、突變，出現(xiàn)顯著的異常變化。本文通過對五指山形變臺三套形變儀器觀測資料與氣壓、溫度、降雨三種氣象要素展開相關(guān)性研究，深入分析觀測數(shù)據(jù)的物理意義及產(chǎn)生不同趨勢變化的原因，為數(shù)字化傾斜對比觀測資料的干擾快速識別提供基礎(chǔ)資料及參考依據(jù)。

1 臺站基本情況

五指山形變臺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]。臺站周圍基巖裸露，觀測硐室的臺基為角閃黑云二長花崗巖，厚度較大，約40 m?；鶐r性堅硬完整、致密均勻，測點周邊觀測環(huán)境也較為穩(wěn)定。距五指山形變臺10 km處有一條隱伏平移斷層，而尖峰—吊羅深大斷裂帶距臺站約25 km。五指山形變臺觀測山洞周邊無居民區(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。臺站為無人值守臺站，觀測山洞由部隊防空洞改建。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儀架設(shè)于距臺站2.4 km處五指山市地震局，觀測環(huán)境穩(wěn)定。

圖1 五指山臺站構(gòu)造位置及儀器布設(shè)情況

2 觀測資料特征分析

2.1 應(yīng)變資料分析

五指山形變臺洞體應(yīng)變(SS-Y銦瓦棒伸縮儀)連續(xù)性較好，主要受到觀測洞室潮濕影響，北南向的前置盒容易故障會導(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)變觀測曲線(圖2)來看，該儀器北南向原始觀測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，總體變化趨勢向北，持續(xù)至今；東西向原始觀測曲線與北南向類似，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，總體變化趨勢向東，持續(xù)至今。

圖2 五指山形變臺伸縮儀觀測曲線

2.2 傾斜資料分析

五指山形變臺水管傾斜儀觀測曲線連續(xù)性較好，穩(wěn)定性較差。從觀測曲線圖(圖3)來看，2017年長期處于緩降的狀態(tài)。此變化現(xiàn)象已多次邀請專家到現(xiàn)場排查，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 五指山形變臺水管傾斜儀觀測曲線

五指山形變臺寬頻帶傾斜儀觀測曲線線連續(xù)性較好，穩(wěn)定性較差。從觀測曲線(圖4)來看，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VP寬頻帶傾斜儀觀測曲線

3 氣象三要素對比分析

兩種傾斜儀觀測資料與溫度和氣壓的相關(guān)性存在差異[10]。選擇五指山臺的三套儀器對比觀測資料進(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月的觀測資料，對不同尺度的觀測資料先進(jìn)行去趨勢分析，然后通過月尺度和年尺度的相關(guān)分析結(jié)果對比三套儀器受溫度、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)計分析軟件，其中相關(guān)分析考察的是兩個連續(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。一般來說，如果兩個變量的變化趨勢同向，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對不同尺度的觀測資料與溫度、氣壓、降雨做相關(guān)性分析。以溫度、氣壓、降雨為變量x，以觀測值為變量y，計算Perason相關(guān)系數(shù)r，其取值范圍r為-1～1，r的絕對值表示兩變量之間線性相關(guān)的密切程度，r的絕對值越接近于1，說明密切程度越高；r的絕對值越接近于0，說明密切程度越低。Perason積矩相關(guān)系數(shù)的計算公式為：

(1)

式中，n為樣本數(shù)。根據(jù)以上計算公式，得到五指山臺2019年和2019年2月觀測資料與溫度、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相關(guān)關(guān)系。

三套儀器在月尺度上均與降雨無相關(guān)關(guān)系，可能是與選擇觀測資料時間段有關(guān)。2019年2月份降雨量僅為19.6 mm。

在年尺度上水管傾斜儀北南和東西兩個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分量與溫度存在很強的負(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分量均與溫度無相關(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，東西分量與降雨無相關(guān)關(guān)系。垂直擺傾斜儀北南和東西兩個分量與溫度存在中等強度的負(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，東西分量與降雨無相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

通過對海南五指山地震臺硐室形變觀測系統(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)果對于準(zhǔn)確排除干擾，更好地提取地震前兆異常具有現(xiàn)實意義，對于傾斜儀器可以建議增加濕度計，分析洞室濕度變化對觀測數(shù)據(jù)的影響，盡可能排除干擾；當(dāng)三套儀器觀測曲線趨勢改變時，在異常核實過程中要首先核實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。