木拉提江·阿不来提 金花 滕海涛 毛玉剑

摘要：应用小波分析和相关性分析方法，研究气象要素（地温、气温、气压）、水位对榆树沟4套倾斜仪器的影响方式及特征。通过回归分析对部分仪器的影响因素进行定量剔除，得到相应的回归方程，进一步对长期观测的倾斜仪器测向使用R值评分方法进行映震效能检验，并总结其异常特征。结果表明：（1） 气压对榆树沟倾斜观测各分量的优势周期均为4 069～8 192 min，在该频段主要表现为线性关系；（2） 地温是榆树沟倾斜观测（除水平摆EW向、钻孔倾斜NS向）年变信息的主要影响因素，与观测值之间呈线性关系；（3） 水位是水平摆NS向与水管仪EW向年变信息的主要影响因素，与观测值之间呈线性关系；（4） 回归分析在一定程度上能够有效消除气象因素及水位的影响，对地震异常的识别具有放大作用；（5） R 值检验结果显示，水平摆EW分量最佳预报窗为270 d，最优R=0.54，R₀=0.41，水管仪NS分量最佳预报期为340 d，最优R=0.44，R₀=0.40，均通过预报效能检验，说明均具有较高的异常信度。

关键词：小波分析；榆树沟倾斜观测；相关系数；回归分析；映震效能检验

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.01.009

地倾斜监测是捕捉地震地球物理场异常的一种常见观测手段。由于倾斜观测只能在地球表面或近地表开展，不可避免地会受到各种因素的干扰，因此地球物理场变化和自然环境干扰等信息的有效识别与剔除是地震前兆异常分析的关键^［1-2］。

在现有观测条件下，干扰与地震前兆的变化形态有时难以区分，给数据跟踪分析和地震异常的识别造成了极大的困扰^［3］。气象因素对倾斜观测的干扰和识别前人做过大量的研究，如：屈曼等^［4］在研究河北省地倾斜资料干扰因素时，对降雨、气压等因素造成的干扰进行了具体分析；曹建玲等^［5］分析了地表温度对地倾斜观测的影响并进行了估算；狄樑等^［6］分析了气压、气温、降雨、洞温对常熟台水管仪与垂直摆倾斜仪数据的影响并总结了其干扰特征；邢喜民^［7-9］利用辅助观测数据对新疆多套定点形变观测仪器进行定量分析，研究其影响特征及机制。在异常判定方面，吕品姬等^［10］通过梳理全国定点倾斜观测近 30 年来已发表的观测成果，总结出了常见的一些倾斜数据处理方法，并进一步研究了倾斜异常幅度与震中距、震级间的关系；薄万举^［11］选取7次巨幅形变异常事件进行深入研究，对形变异常与干扰关系有了新的认识；王在华、韩桂红等^［12-14］利用形态分析法对天山中段多套倾斜观测进行典型震例剖析并总结了部分异常特征。但是目前对于倾斜观测数据在定量计算和有效剔除气象、水位影响的基础上，尝试归纳总结单台多套倾斜观测仪器地震前兆异常的研究相对较少。本文中以榆树沟4套倾斜观测为研究对象，应用小波分析、相关分析和回归分析方法定量研究气象要素、水位对榆树沟倾斜观测的影响，得到回归残差序列并与原始曲线作对比，总结其影响方式及特征；另一方面，选取2008～2021年榆树沟观测站周边区域250 km范围内的M_S5.0以上中强地震，进一步研究榆树沟倾斜观测资料震前异常情况，总结异常特征并使用R值评分方法进行映震效能检验，对全疆典型山洞综合形变观测建立异常指标体系及仪器效能评估具有重要意义。

1 观测站及仪器概况

1.1 台站概况

榆树沟综合观测山洞位于乌鲁木齐市以东的山前断裂附近，构造上属于西山断裂和博格达北缘断裂转换部位，观测点表面地层以三叠系泥岩、灰质砂岩形成的较为开阔浅山丘陵地貌为主。山洞开凿在二叠系地层构成的中高山区，地层倾向325°，倾角约70°，二叠系地层主要由黑灰色的页岩、板岩和灰质砂岩层排列构成。由于岩性的抗风化差异，页岩被侵蚀成低地和沟壑，形成突兀的岩墙和陡崖地貌。山洞上覆岩层厚度在20～100 m之间。自2008年观测以来，中强地震主要发生在准噶尔南缘断裂带以北及乌鲁木齐以东的山前塌陷内（图1）。

1.2 仪器资料概况

榆树沟观测站现有4套倾斜仪器：SQ-70D石英水平摆倾斜仪、DSQ水管倾斜仪、CZB-2A钻孔倾斜仪、VP宽频带倾斜仪，2008～2020年4套仪器相继运行，仪器架设位置分布如图2。自正式观测以来，测点无变动，观测基本连续正常。此外，观测中影响曲线形态变化的主要干扰有每年春季因融雪造成曲线出现短期畸变现象；受刮大风影响，观测资料存在短期高频毛刺小幅突跳现象。倾斜观测仪器综合对比情况见表1。

2 小波分析

短周期气压波对定点形变观测的影响普遍存在且具有特定的影响频段，用小波分析将原始曲线中的短期信号分离出来，气压的影响会变得更为清晰^［15-17］。选取榆树沟4套倾斜观测及辅助观测气压2021年4月1～30日观测数据分钟值为研究对象，利用小波分析方法研究氣压对榆树沟倾斜观测的影响频段。

按周期2～4 min，4～8 min，8～16 min，16～32 min，32～64 min，64～128 min，128～256 min，256～512 min，512～1 024 min，1 024～2 048 min，2 048～4 096 min，4 096～8 192 min划分，选用db6小波将数据分解至12阶，得到各频段倾斜观测数据和气压的相关系数（表2）。

由表2及图3可以看出，气压对榆树沟4套倾斜观测各分量的优势周期均为4 096～8 192 min（68.3～136.5 h），该频段内气压对水管仪NE分量影响最大。

3 相关、回归分析

2020年榆树沟4套倾斜观测同时运行，受2019年仪器更新升级影响，水管仪、宽频带倾斜仪运行不稳定。因暖冬现象未出现融雪干扰，与2020年相比，2021年各套仪器数据精度高、受人为干扰更少。为了更准确地定量分析榆树沟倾斜观测与气象要素及水位之间的关系，选取2021年榆树沟4套倾斜各测项数据和辅助观测数据，选用R语言编写程序代码，通过计算得到气象要素、水位与榆树沟倾斜观测数据间的相关系数（表3）。

根据皮尔森相关系数的分化，相关系数在0～0.2为极弱相关，0.2～0.4为弱相关，0.4～0.6为中等相关，0.6～0.8为显著相关，0.8～1.0为高度相关。从表中可以得出如下结论：（1） 石英水平摆、水管仪、宽频带倾斜NS分量与地温均呈高度负相关；（2） 水管仪EW、NE分量及宽频带倾斜仪EW分量与地温均呈高度正相关，钻孔倾斜EW向与地温显著正相关；（3） 水平摆NS、钻孔倾斜EW、水管仪三分量、宽频带倾斜两分量与气温、气压基本线性无关；（4） 水平摆NS分量与水位呈高度正相关，水管仪NS分量与水位呈显著正相关，水管仪EW向与水位呈高度负相关；（5） 水管仪NE、钻孔倾斜NS、宽频带倾斜两分量与水位也具有一定的显著相关性。

为了进一步定量剔除气象因素、水位对榆树沟倾斜观测的影响，以便选择合适的回归模型，重点选择水平摆NS向与水管仪三分量观测数据来研究地温及水位对它们的影响。

表3显示，4套倾斜观测与气温、气压基本线性无关，水平摆NS、水管仪NS、水管仪EW向观测值均与地温、水位高度线性相关，水管仪NE向仅与地温高度线性相关。因此，选用线性回归模型来剔除地温、水位对它们的影响。在计算时，记倾斜观测数据为 y，地温为x₁，水位为x₂。水平摆与水管仪回归分析结果见表4。地温、水位与水平摆NS向及水管仪三分量之间的散点图见图4。

通过回归分析，各测向回归方程中变量X₁和X₂的t统计量的估计值所对应的P值均小于显著水平0.05，表4中可决系数说明拟合方程的拟合效果好。原观测曲线与回归残差曲线如图5。

4 映震效能检验

榆树沟钻孔倾斜仪及宽频带倾斜仪运行时间较短，自呼图壁M_S6.2地震后，观测点周边未发生过M_S≥5.0中强地震，所以本文中重点分析水平摆倾斜与水管倾斜仪震例。

4.1 水平摆倾斜仪EW分量

水平摆倾斜仪自2009年起观测资料连续、可靠，固体潮年变形态清晰。由表3可知，水平摆NS分量受地温、水位影响较大，EW分量影响较小；图6表明，2013～2019年每年2～4月融雪干扰对NS分量影响显著，EW分量影响很小，因此EW分量抗干扰性更强。

由图6可知， 2011～2016年以EW分量趋势W倾的地震活跃期和2017～2021年EW分量W倾停滞的地震平静期。地震活跃期有地震异常也包含干扰，如：2011年8月5～7日观测点山前挖沟施工，水平摆两分量数据同时出现畸變；2012年6月5～9日EW分量加速西倾是水平摆观测室架设测震摆产生的短期变化，而非地震异常；2013年8月对山洞改造，11月20日至12月24日山洞内部对分量应变、钻孔倾斜钻井施工对数据产生一定影响；2014年观测点西北面2 km处小区施工建设，正南方向700 m处修建绕城高速。但从观测曲线来看，NS分量年变形态完整受影响较小，因EW向抗干扰性优于NS向，我们认为，上述场地环境干扰事件同样不会引起EW分量数据长期巨幅变化，因此，2014年6月3日至11月6日EW分量年变畸变应当作为地震异常看待。

由表5可知，2009～2021年，根据观测值年变规律识别出6次异常（图6b）。其中，5次异常均对应M_S≥5.0地震，其中1次地震在异常过程中发震，临震异常3次，短期异常3次，漏报2次，1次虚报。地震报准率为83.3%（地震报准率=有震异常组数/异常总组数）、虚报率为16.7%。

4.2 水管倾斜仪NS分量

2010年起仪器运行稳定，观测精度高，三分量出现清晰的年变形态。表2可知，气温、水位与水管仪三分量均呈高度线性相关，其中EW分量受干扰影响最大；由图7可知，每年2～4月融雪干扰对EW向影响最显著，其次是NE向，NS向受影响很小，因此NS分量抗干扰性更强。

由表6可知，2010～2021年，水管仪NS分量250 km范围内出现4次异常（图7a）。其中，3次异常对应6个M_S≥5.0地震，短期异常2次，中期异常2次，漏报2次，1次虚报。地震报准率为75%、虚报率为25%。

4.3 预报效能检验

利用R值评分方法对水平摆EW向与水管仪NS向进行预报效能检验。可以看出，水平摆EW向最佳预报期为270 d，最优R=0.54，R₀=0.41，通过检验；水管仪NS向最佳预报期为340 d，最优R=0.44，R₀=0.40，通过检验。说明水平摆EW、水管仪NS分量均具有较高的异常信度，地震对应效果好（图8）。

5 结论

通过分析得出以下结论：

（1） 小波分析结果表明，气压对水管仪NE向影响最大，且NS、NE分量与呈正相关，与EW分量呈负相关，结合榆树沟水管仪三分量方位角（NS向方位角为N12.9°E，EW向方位角为N108.4°E，NE向方位角为N47.9°E），在大气压力作用下，观测山洞所处的山体常年受东北向大气压力的作用，水管仪NS、NE分量均处于地理北东方向，基本与该力方向一致，因而与气压呈正相关，而山洞内的水管仪EW分量处于地理东南方向，因此与气压呈负相关。

（2） 地溫、水位是榆树沟倾斜观测年变信息的主要影响因素。

（3） 气象因素、水位对相同仪器不同分量的响应不一致，可能与仪器观测原理和架设的方位及周边环境有关。如：地温、水位对榆树沟水平摆NS分量影响显著，而对EW分量影响较小。

（4） 回归分析在一定程度上能够有效消除气象要素及水位的影响，对地震地形变异常提取和异常可靠性分析具有一定的参考意义。

（5） 映震效能检验结果表明，水平摆EW分量、水管仪NS分量的异常特征主要以年变畸变为主，中期异常占多数，水平摆EW分量映震能力高于水管仪NS分量。

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ANALYSIS OF WEATHER AND WATER LEVEL ON

URUMQI YUSHUGOU TILT OBSERVATION

AND ITS SEISMIC REFLECTION

EFFICIENCY TEST

Mulatijiang Abulaiti， JIN Hua， TENG Hai-tao， MAO Yu-jian

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： Application of wavelet analysis and correlation analysis method， the quantitative study of meteorological elements （temperature， air temperature， air pressure）， water level and the elm ditch 4 set of observations， the relationship between the oblique observation instrument and regression equations of each component were obtained by regression analysis， through the original curve and regression residual sequence contrast， summarizes the anomaly characteristics and earthquake cases， The R value scoring method is used to test the seismic reflection efficiency. The results show that： （1） The dominant period of each component of the barometric pressure on the Yushugou tilt observation is 4 069～8 192 min， which is mainly linear in this frequency band; （2） The ground temperature is the main influencing factor of the annual variation information of Yushugou tilt observation （except for the EW direction of horizontal pendulum and the NS direction of borehole tilt）， and has a linear relationship with the observation value; （3） Water level is the main influencing factor of the annual variation information of the horizontal pendulum in NS direction and the water pipe gauge in EW direction， and has a linear relationship with the observed value; （4） Regression analysis can effectively eliminate the influence of meteorological factors and water level to a certain extent， and has amplification effect on the identification of seismic anomalies; （5） The result of R-value test shows that the best prediction window of EW component of horizontal pendulum is 270 days， the best R=0.54， R₀=0.41， and the best prediction period of NS component of water meter is 340 days， the best R=0.44， R₀=0.40， all of which have passed the prediction efficiency test， indicating that they have high abnormal reliability.

Key words： Wavelet analysis；Oblique observation of Yushugou;  Correlation coefficient；Regression residual;  Test of seismic reflection efficiency