宽城地震台地倾斜观测的气压响应分析及排除_张肖.pdf

收稿日期：2022-05-23基金项目：河北省地震局地震科技星火计划（DZ20190419023、DZ2021121600008）联合资助作者简介：张肖（1986-），女，工程师，从事地震前兆监测及分析预报工作。E-mail:第43卷 第1期2023年03月华南地震SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGYVol.43，NO.1Mar.，2023张肖，云萌，刘思宇，等.宽城地震台地倾斜观测的气压响应分析及排除J.华南地震2023，43（1）：70-79.ZHANG Xiao，YUN Meng，LIU Siyu，etal.Analysis and Elimination of Air Pressure Influence on Ground Tilt Observation at Kuancheng Seismic StationJ.South China journal of seismology，2023，43（1）：70-79宽城地震台地倾斜观测的气压响应分析及排除张肖1，2，云萌1，刘思宇1，王虹宇1，韩静3（1.雄安新区震灾预防中心，河北 雄安 071700；2.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，昆明 650500；3.河北省地震局流动测量队，河北 保定 071000）摘要：将宽城地震台地倾斜观测和气压观测数据，通过小波变换分析提取气压对地倾斜观测的干扰时段，再对气压干扰时段观测数据进行线性拟合去趋势、别尔采夫滤波获得观测数据的日漂移信息，最终获得地倾斜观测和气压观测的相关系数，通过线性拟合进行气压干扰的排除研究。结果表明：宽城台地倾斜观测与气压观测具有正相关性，通过此方案对地倾斜观测受气压干扰的观测数据进行干扰排除，可以取得较好的效果，提高观测数据可靠程度。关键词：地倾斜观测；气压干扰；线性相关；回归模型中图分类号：P315.73文献标识码：A文章编号：1001-8662（2023）01-0070-10DOI：10.13512/j.hndz.2023.01.09Analysis and Elimination of Air Pressure Influence onGround Tilt Observation at Kuancheng Seismic StationZHANG Xiao1，2，YUN Meng1，LIU Siyu1，WANG Hongyu1，HAN Jing3（1.Xiong an Earthquake Disaster Prevention Center，Xiong an 071700，China；2.Faculty of Public Securityand Emergency Management，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；3.Mobile Survey Team of Hebei Earthquake Agency，Baoding 071000，China）Abstract:Based on the data of ground tilt observation and air pressure observation at Kuancheng Seismic Station，this paper analyzes and extracts the interference period of air pressure to ground tilt observation by using wavelettransform method.Then，the daily drift information of the observation data is obtained by linear fitting detrendingand Perstev s filtering during the air pressure interference period.Finally，the correlation coefficient betweenground tilt observation and air pressure observation is obtained，and the air pressure interference is eliminated bylinear fitting.The results show that there is a positive correlation between the ground tilt observation and airpressure at Kuancheng Station.By using this scheme to eliminate the interference of the observation data of theground tilt observation interfered by the air pressure，a better effect can be obtained and the reliability of theobservation data can be improved.Keywords:Ground tilt observation;Air pressure disturbance;Linear correlation;Regression model第1期张肖等：宽城地震台地倾斜观测的气压响应分析及排除0 引言我国目前广泛应用的地倾斜观测仪器灵敏度可达到10-9rad1，足以探测到固体潮引起的微小变化，以期捕捉到地壳介质破裂前的力学变化信息2。地倾斜观测仪器一般安装于山洞内，由多道密封门隔绝与外界空气的流通，但仍不可避免受温度、气压、降水、大风及人类活动等影响。各类干扰因素的作用机制各异并相互影响，使前兆观测数据的质量和可靠程度降低。国内外学者对大气环境变化与形变观测的响应进行了大量研究。国内学者孙伶俐等利用小波分析对地形变观测资料分析，发现气压和温度对形变干扰的影响频段不同，气象因素对形变潮汐观测的影响复杂2-3；邢喜民、徐璐等通过小波分析将形变观测和气压观测数据进行相关性分析，提出二者为线性相关4-5；曹建玲等利用有限元方法，将气温变化对地应力和地倾斜的变化量进行估算，提出地形可造成温度变化，进而影响观测数据6；何方璇、周龙寿等学者认为，大气压强波动引起气体通过地表上下运移，造成地面负荷的增减变化，微观上造成岩体孔隙压力变化，从而影响地壳形变测值7-8；李峰等认为大风对地倾斜观测有很大影响，强劲、持续的大风可能对山体施加作用力，岩体受力改变也会影响观测资料9。尹继尧、狄樑等也对气象因素干扰特征进行研究10-11。通过专家学者对大气环境变化的干扰形态、频段及机理等研究，对干扰因素排除提供了丰富的基础工作。何应文、郑永通等通过降雨对垂直摆的影响分析，并探索采用一元线性回归进行降雨干扰排除12-13；徐甫坤等提出，前兆观测中干扰通常具有宽频带分布、不同因素交叉影响等特征，简单的高频滤波不适合干扰因素有效排除，并提出局域化的相关分析技术（Local-CC）用于温度对洞体应变观测的干扰排除研究14。综合前人研究发现，对干扰因素的特征分析较多，对如何有效排除干扰因素研究较少。而河北省形变台网多年观测表明，地倾斜观测受气象因素干扰较大，不同频段的影响特征及其排除方法也不尽相同，因此如何降低观测值中不同频段干扰水平，或消除各种干扰因素，成为学者们探究的方向。宽城地震台是河北省形变台站中一个形变综合台，其观测资料受气象因素干扰较大。因此，对干扰规律的识别并进行相应的排除，是合理数据分析和准确识别地震前兆异常的前提和基础。本文对宽城台地倾斜观测与气压观测数据进行定量分析，发现地倾斜观测与气压呈正相关，通过线性拟合去趋势、别尔采夫滤波、回归模型进行气压干扰排除，对干扰因素识别及干扰因素排除有较好的效果。1 台站简介河北省形变台网现有固定台站11个，宽城地震台为其中定点形变台（见图1、图2）。宽城地震台位于河北省承德市宽城县宽城镇岔沟路，海拔310 m，属燕山构造带，受马兰峪大背斜控制，位于宽城盆地边缘15-16。台基岩性为震旦系硅质灰岩，走向近EW，沿节理透水，地貌上为高山区。目前安装形变仪器共有5套，分别为DSQ型水管倾斜仪、SS-Y型伸缩仪、VS型垂直摆倾斜仪、VP型垂直摆倾斜仪、TJ-2型体应变仪，并且安装有辅助观测气象三要素仪；其中水管倾斜仪、伸缩仪、及两种型号垂直摆仪均安装于形变山洞内（见表1），体应变仪和气象三要素仪安装于距形变山洞100 m的台站院内。仪器所处山洞覆盖层厚度为2040 m，有少量植被覆盖，洞内年温差为0.5。自建台以来，各监测仪器观测资料质量较好，仪器观测精度高，但自然环境干扰对观测仪器影响较大。在对宽城台观测资料评价时发现，宽城台地倾斜观测资料干扰因素中，气压干扰出现频率较高。因此本文选取20132018年间，宽城台地倾斜观测资料受气压干扰较为明显的时段进行分析研究，通过小波分析找到气压干扰明显时段，通过线性拟合、别尔采夫滤波、回归分析方法进行干扰分析和排除研究，以期将观测资料中干扰因素排除，对观测数据分析、前兆异常识别、提高异常信度具有重要意义。2 研究方案根据时间序列分解理论提出，原始的时间序列中包含了仪器记录的固体潮汐变化、仪器零漂、年变趋势、季节变化影响、不规则干扰等信息14。本文基于地倾斜和气压的观测资料进行分析，选取的研究方法为：（1）判定数据异常频段。应用小波分析或观测资料对比法找到气压干扰时段，估计数据异常的特征频段；7143卷华南地震（2）定量扣除高频段影响。基于地倾斜、辅助测项观测资料的整点值数据，应用线性拟合方法对观测数据去趋势，将去趋势后的数据应用别尔采夫滤波进行潮汐分离，扣除高频段和潮汐成份的影响，以获得地倾斜和辅助测项观测曲线的日漂移信息；图2 宽城台仪器布设图Fig.2 Instrument layout of Kuancheng Station图1 河北形变台网地倾斜观测分布图Fig.1 Distribution of the ground tilt observation in Hebei deformation network72第1期张肖等：宽城地震台地倾斜观测的气压响应分析及排除表1 宽城台定点形变仪器基本信息Table 1 Basic information of fixed point deformation instruments of Kuancheng Station仪器型号DSQ水管倾斜仪SS-Y伸缩仪VS垂直摆倾斜仪VP垂直摆倾斜仪山洞进深/m75757575基线长度/mEW:23.69，NS:28.39EW:23.69，NS:28.39/分辨率0.000 5110-90.000 10.000 1（3）估计影响因子。计算地倾斜与辅助测项日漂移信息的相关系数，估计影响因子大小。一般认为当相关系数达到 0.5以上存在正相关关系17，可以使用回归分析定量扣除干扰因素的影响；（4）数学回归定量扣除干扰：在求解观测值与干扰间的响应系数后，应用相关系数作为权重因子的线性回归模型，从观测值中减去干扰影响，达到定量扣除干扰的目的。3 气压响应分析及定量排除由于在前兆观测中，某一干扰在不同时刻对前兆观测值的影响程度不同，因此气压对地倾斜观测的干扰是分时段的14。为有效排除干扰，相关性较高的时段会起到更为关键的作用。本文为定量化分析干扰在不同时间点上对观测值的影响，通过观测日志查询、绘图分析，选取气压与倾斜观测相关性较好的月份进行处理。通过局域化的相关性分析，评价时间序列在不同时间点的相关性，以找出时间序列相关性较高的时间点。3.1 气压高频干扰识别本文结合观测日志、绘图分析、数据跟踪分析等不同方式，选取 2017年 6月宽城台水管倾斜观测与气压观测曲线为研究对象，发现