0 引言

在使用形变观测资料进行地震地球物理识别和地震科学研究时，对各种干扰的识别和排除是准确判断异常的重要前提。在日常观测中，形变观测资料容易受到气温、气压、降雨、载荷、湖泊、抽排地下水等环境变化影响（裴晓峰，1995；刘权威，1996；中国地震局监测预报司，2005）。气象因素对形变观测的影响较为复杂，干扰形态多样；水库冲沙、水库蓄水、土石开挖等环境荷载变化会使观测曲线产生明显阶跃、抖动等畸变；进出观测山洞、施工、仪器标定、仪器检修等人为活动对形变观测产生的影响较易识别，异常形态表现为突跳、台阶、固体潮振幅加大或减小以及缓慢阶变等（孙伶俐等，2013）。由于监测坏境存在差别，不同形变监测台监测数据干扰具有一定特殊性，因此，有必要对各台主要干扰源进行具体分析与研究。

永胜地震台（下文简称永胜台）是云南省地震局重要的形变监测台站之一，具有洞体应变、水管倾斜、垂直摆倾斜、分量钻孔应变等多种形变监测手段。其中：倾斜仪（水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪）记录的是地面发生的垂直变化，应变仪（洞体应变仪、分量应变仪）记录的是地面水平方向的应变量变化（云南省地震局，2012）。在形变观测曲线趋势变化中，年变形态是识别地震地球物理异常的方法之一（杨玲英等，2012）。永胜台洞体应变、水管倾斜观测资料具有相对规律的年变形态；垂直摆倾斜、分量钻孔应变观测年变形态规律不明显。

永胜台位于羊坪水库附近，水库每年的蓄放水对区域地壳产生加载和卸载作用，可能引起周围地壳发生变形。结合羊坪水库蓄放水资料，综合分析永胜台形变观测资料年变形态及成因，对当地防震减灾工作具有重要意义。利用2013年1月1日至2017年12月31日永胜地震台的形变观测数据，结合同时段水库水文资料，对比分析水库蓄、放水对形变观测的影响，为利用永胜台形变观测资料进行地震预测及异常识别提供科学支持。

1 永胜台形变观测与羊坪水库概况 1.1 形变观测仪器

永胜台1981年人工开挖观测专用山洞，洞深210 m，宽2 m，高2.5 m，覆盖层厚度40—80 m。1985年投入洞体应变仪、水管倾斜仪进行形变观测，其中：水管倾斜仪NS分量基线长42.44 m、EW分量基线长38.87 m；洞体应变仪NS分量基线长41.85 m，EW分量基线长38.15 m；2套仪器布设方位一致，均为：NS分量方位角0°，EW分量方位角90°。2007年投入垂直摆倾斜仪，2008年投入分量钻孔应变仪，仪器布局见图 1。多种观测手段并行观测多年，为进行数据对比分析与研究提供了条件。

1.2 羊坪水库概况

永胜县羊坪水库于1957年11月兴建，1976年竣工。该水库坝基海拔2 520 m，设计坝高50 m，长168 m，正常最高水位47 m，库容3.540×10⁷ m³，死水位17.3 m，库容2.925×10⁶ m³，水库设计灌溉面积为40 km²，为永胜县中型骨干水库（资料由羊坪水库水文站提供）。该水库成正南北向分布，位于永胜台东北方向，长3.4 km，最大宽度0.75 km（图 2）。水库近端距永胜台3.7 km，远端距永胜地震台6.1 km，满足湖泊岸距地震台站地倾斜、地应变观测点的最小距离不小于2.5 km的条件（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）。

2 形变观测资料可靠性分析

检验形变观测资料是否准确可靠的重要指标之一是资料内精度的高低（杨玲英等，2012）。据中国地震局（2012）相关规范，地倾斜观测数据中固体潮汐参数M₂波潮幅因子月中误差不大于0.02，年度噪声水平不大于0.02″；应变观测资料中固体潮汐参数M₂波潮幅因子月中误差不大于0.05，年度相对噪声水平不大于0.05×10^-6。根据中国地震局形变台网中心每月数据质量通报结果统计，永胜台2013—2017年垂直摆、水管倾斜仪、洞体应变仪、分量应变仪各分量数据内精度统计结果见图 3。由图 3可知：垂直摆NS分量有7个月内精度超标，11个月缺记，EW分量无内精度超标情况，8个月缺记，说明EW分量资料可靠性较好，NS分量资料可靠性稍差；水管倾斜仪NS、EW分量各有1个月精度超标，洞体应变仪无内精度超标情况，且观测精度较高，说明水管倾斜仪、洞体应变仪数据可靠性较高，观测质量较好；分量应变仪NS、EW分量各有1个月精度超标，NE分量9个月精度超标，NW分量5个月超标，说明NS、EW分量数据观测质量优于NE、NW分量，总体而言，分量应变仪观测资料准确、可靠。

检验分量应变仪资料可靠性的另一个方法是，将仪器1、3分量相加的值与2、4分量相加的值做比较（邱泽华等，2013），查看数据相关性。永胜台分量应变资料可靠性检验结果见图 4，发现2组数据相关系数为0.820 4，属高度线性相关，进一步检查发现，2013年1月、2月、4月相关系数较小，几乎不相关，由此认为，分量应变资料2013年5月以后数据可信度较高。

调查发现，羊坪水库水文站工作人员每日8时定时观测水位、降雨数据作为当日数据，并根据相关参数计算得到库容（水库相关资料由羊坪水库水文站提供），可有效保障观测数据的可靠性及准确性。

综上所述，认为永胜台2013—2017年形变观测资料可信度较高，观测数据质量较好。羊坪水库水文站工作人员以较为科学的观测方式积累的水文资料，为本研究的对比分析提供了有力保障。

3 水库蓄放水对形变观测的干扰

形变观测的干扰因素较多，如固体潮、气温、气压、降雨、载荷、地下水位等。其中，气温、气压的变化具有季节往复性，且变化规律性较强；载荷干扰具有较强时效性，其变化（如水库蓄水、放水）可较快反应到观测记录中，体现为变化速率加快，趋势转折等。

统计永胜台垂直摆、水管倾斜仪、分量应变仪、洞体应变仪日均差值与羊坪水库蓄水量的关系，结果见图 5（图中圈码数字为羊坪水库不同阶段的库容变化）。由图 5可知：羊坪水库蓄水、放水对永胜台洞室观测（水管倾斜仪、洞体应变仪、垂直摆倾斜仪）有一定程度的干扰，各测项分量与水库蓄水量的相关系数为：洞体应变NS分量0.302 2、EW分量-0.447 8；水管倾斜NS分量0.192 9、EW分量0.599 1；垂直摆NS分量-0.055 1、EW分量0.332 3；分量应变NS分量-0.000 5、EW分量-0.000 05、NE分量0.052 9、NW分量0.089 7。由相关系数可知，水库蓄水量与洞体应变、水管倾斜、垂直摆EW分量存在一定相关性，与垂直摆NS分量、分量应变无明显相关性。从日均差值曲线与蓄水量曲线也直观可见，水库蓄水对洞体应变、水管倾斜、垂直摆EW分量有较为明显的影响。从曲线形态看，蓄水过程影响更为明显。主要表现为，在蓄水过程中，垂直摆NS分量、分量应变各分量日均差值曲线均有“毛刺”增大现象，但无明显趋势性。当水库蓄水时：洞体应变EW分量受压应变影响，NS分量由压应变转为张应变影响，形态与水库日蓄水量变化一致，时间上有一定滞后性；水管仪EW分量向西倾斜，NS分量先向北倾斜再转为向南倾斜，与水库日蓄水量形态一致，时间上有一定滞后性；垂直摆倾斜NS分量向北倾斜，趋势不明显，EW分量向西倾斜，趋势与水库蓄水量变化一致；分量应变各分量无明显变化。当水库放水时，各套仪器各分量均无明显变化。由此可见，不同型号的仪器抗干扰能力不同，由于钻孔观测一般比洞室观测深入地下，按弹性理论与波动理论，负荷的影响随深度呈立方衰减，故在环境干扰方面，总体而言，洞室形变观测所受干扰大于钻孔应变观测（杨军，1988）。羊坪水库对永胜台钻孔分量应变观测理论上的最小“安静”距离（邱泽华，2004）约3 km，而二者的最小距离为3.7 km，满足最小“安静”距离要求。

根据台站与水库的位置关系，由于水库呈近NS向展布，且NS向长度是EW向近4.5倍，因此，应变及倾斜观测受NS向控制较多。从力学角度分析，当水库蓄水时，水库整体重力增加，台站应变记录应该是，NS分量为张应变，EW分量为压应变，而水库放水时，观测记录变化与蓄水时相反；台站倾斜记录应该是，在水库蓄水时，NS分量向北倾斜，EW分量向西倾斜，放水时变化相反。在岩石的应变中，除了可恢复的弹性部分，还有不可恢复的永久变形部分（陈颙，1988）。根据岩石的本构关系，当施加于物体上的应力撤除后，可能存在2种情况：①物体的变形恢复到加应力以前；②物体因发生破裂或塑性变化而产生了永久变形，导致物体的变形不能完全恢复。

4 形变观测与水库蓄放水的相关性分析

相关系数r是用来衡量2个变量之间线性相关关系的量，当r＞0时，表示2变量正相关，r＜0时，2变量为负相关。当|r| = 1时，表示2变量为完全线性相关，即为函数关系。当r = 0时，表示2变量间无线性相关关系。当0＜|r|＜1时，表示2变量存在一定程度的线性相关。|r|越接近1，2变量间线性关系越密切；|r|越接近于0，表示2变量的线性关系越弱。一般可按3级划分：|r|＜0.4为低度线性相关；0.4≤ |r|＜0.7为显著性相关；0.7≤ |r|＜1为高度线性相关。

为了进一步了解永胜台形变观测资料日均值与羊坪水库蓄放水之间的相关性，利用一元线性回归方法，按月计算形变测项分量与水库库容变化的相关系数，相关性分析结果见图 6。

由图 6可见，在水库蓄水过程中，洞体应变、水管倾斜曲线变化速率较快；在水库放水过程中，曲线变化相对缓慢。水库蓄水时间较短、速度较快，放水时间较长且相对平稳，造成应力加载与卸载过程不一致，进而解释了蓄水时受影响较为明显，放水时影响不明显的现象。岩石的弹性变形存在一定延时性，也解释了水管倾斜、洞体应变NS分量的变化与水库蓄水存在延时的现象。

分析发现，洞体应变EW分量、水管倾斜EW分量与水库蓄水量存在高度负线性相关，水管倾斜观测更为明显，在统计的60个月中，有44个月的相关系数在-0.7— -1.0，洞体应变观测有27个月的相关系数在-0.7— -1.0；洞体应变NS分量、水管倾斜NS分量与水库蓄水存在高度正线性相关，且洞体应变观测更为明显，在统计的60个月中，有39个月的相关系数在0.7—1.0，水管倾斜观测有30个月的相关系数在0.7—1.0；垂直摆EW分量与水库蓄水量变化存在高度负线性相关，在统计数据中有30个月的相关系数在-0.7— -1.0；垂直摆NS分量、分量应变各分量无明显相关性，相关系数在各区域均有不同分布。为了排除仪器本身原因引起的数据变化，更好地体现形变观测数据日均值与水库蓄水量变化的相关性，利用最小二乘法，对存在倾斜趋势的观测数据（水管倾斜NS分量、垂直摆倾斜2个分量、分量应变4个分量）做去趋势处理，对整体数据做相关性分析（图 6），发现水管倾斜仪EW分量相关系数为-0.807 98，属于高度负线性相关；洞体应变NS分量相关系数为0.820 67，属于高度正线性相关；垂直摆EW分量相关系数为-0.666 66，伸缩仪EW分量相关系数为-0.682 61，分量应变NW分量相关系数为-0.425 42，均属于显著性负线性相关，其他测向均为低度线性相关，与一元线性回归相关性计算结果基本一致。水管倾斜NS分量由于逐月计算中高度负相关月份占比较大，因此，在再次拟合计算中冲抵了部分正相关系数，造成相关系数较低，相关系数为0.252 02。但将观测曲线向后推移2个月重新进行计算，得到相关系数为0.576 3，存在显著正线性相关，进一步说明，水库蓄放水对NS分量的影响存在一定滞后性。因此，认为水管倾斜NS分量与水库蓄水量变化存在显著正相关。此外，在水库蓄水、放水交替时，洞体应变、水管倾斜、垂直摆观测数据与水库库容变化的相关系数均有较明显的正负交替现象，如果剔除这些交替点，曲线的相关性将更加明显。

通过形变观测与水库库容变化的相关性分析，进一步说明，永胜台洞体应变、水管倾斜、垂直摆倾斜EW分量年变形态受羊坪水库蓄放水控制，分量应变、垂直摆倾斜NS分量受羊坪水库蓄放水变化影响较小。

5 结论与讨论

通过对以上形变资料的处理分析，得出以下结论，可供数据跟踪分析、资料异常落实、地震科研、分析预报等工作参考使用。

（1）永胜台形变观测资料，洞体应变NS分量、水管倾斜NS分量与羊坪水库蓄放水变化存在显著正线性相关；垂直摆倾斜EW分量、洞体应变EW分量、水管倾斜EW分量与水库蓄放水存在显著负线性相关；垂直摆NS分量、分量应变各分量与水库蓄放水相关性不明显，说明洞体应变、水管倾斜、垂直摆EW分量曲线变化形态基本受水库蓄水控制，垂直摆NS分量、分量应变曲线变化形态受水库蓄水影响较小。

（2）水库放水对永胜台形变观测资料日变化量无明显干扰。水库蓄水时，洞体应变EW分量受压应变影响，水管仪EW分量向西倾斜，垂直摆倾斜仪EW分量向西倾斜；洞体应变NS分量表现为压应变转为张应变，形态与水库日蓄水量形态一致，时间上有一定滞后性；水管倾斜NS分量向北倾斜转为向南倾斜，形态与水库日蓄水量形态一致，时间上有一定滞后性；垂直摆倾斜NS分量向北倾斜，趋势不明显，可能由岩石的弹性与塑性作用与水库和台站的位置关系所造成；分量应变各分量无明显变化，说明分量应变仪受水库蓄放水干扰较小，钻孔观测的抗干扰能力大于洞室观测。

（3）水管倾斜观测与洞体应变观测日变化量形态一致，趋势一致，垂直摆EW分量与水管倾斜EW分量趋势一致，说明三者记录的是真实的地面变化，进一步验证了永胜台形变观测资料的可靠性、准确性，而垂直摆NS分量的可靠性相对较差。