0 引言

地倾斜用于观测地壳形变相对运动和固体潮汐动态变化，可为研究地球固体潮汐、地壳岩石性质及动力学等提供科学实验数据（中国地震局监测预报司，2008），同时为地震预测提供基础数据。由于观测数据中包含各种信息和干扰成分，需使用不同分析方法来突出地震前兆信息。如：吕品姬等（2010）通过汇总地倾斜数据与地震关系的文献，将常用倾斜资料处理方法大致归纳为形态法、拟合预估法、滤波法和固体潮汐分析法等。这些方法在地震监测预报工作中被广泛应用（孙甲宁等，2009；吕品姬等，2014；狄樑等，2017；许璐等, 2017, 2019；乌日乐，2020；贾媛等，2020）。

阿尔泰山是亚洲中部较活跃的地震构造区，与欧亚板块的碰撞作用及蒙古—西伯利亚地区的动力学过程有关，区域内曾发生1931年富蕴8级地震、1957年戈壁阿尔泰8.3级地震、1991年斋桑7.3级地震以及多次5—6级地震（沈军等，2003）。2020年3月20日蒙古M_S 5.9地震是近十年来哈密市及周边区域发生的最大震级地震，震中位于阿尔泰山东南缘哈尔乌苏湖断裂带南段，该区域新构造运动与地震活动强烈（洪顺英等，2006）。自2010年哈密市区域内定点形变观测设备架设以来，观测到2012年2月10日巴里坤M_S 5.3和2014年4月30日哈密M_S 5.1地震，但均未对震前异常进行深入的总结分析。本文以此次蒙古M_S 5.9地震为主，结合哈密区域2次5级地震，分析震前地倾斜异常变化特征。

1 台站基础资料及分析方法 1.1 台站基础资料

以2020年3月20日11:03:15（UTC+8）蒙古M_S 5.9地震震中附近400 km范围内巴里坤（震中距260 km）、富蕴（震中距369 km）和芨芨台（震中距354 km）3个定点形变观测站的倾斜资料为研究对象（图 1），分析总结此次震前异常变化特征。为保证数据的可靠性，均选取仪器工作状态正常且运行稳定后的观测资料。

巴里坤观测站地处准噶尔盆地东缘，阿尔泰构造带富蕴—北塔山—纸房断裂东南端，巴里坤盆地东北缘断裂西北端，南侧为洛包泉—碱泉子断裂。观测室位于花岗岩山体的观测山洞内（山洞进深16 m，洞顶覆盖层厚度约11 m），2010年8月安装SQ-70D石英水平摆倾斜仪，2011年正式入网观测，2018年9月进行数采和光源灯升级。

富蕴观测站位于阿尔泰山西南麓，富蕴—库尔提、额尔齐斯和可可托海—二台等断裂带交汇处，地质构造复杂。2011年11月架设CZB-2A竖直摆钻孔倾斜仪，钻孔深度18 m，花岗岩基底，2012年试运行，2013年正式入网观测。因2014年3—7月数采故障，数据异常，选取该台站2015—2020年的数据进行分析。

芨芨台观测站位于天山褶皱带哈密盆地北缘断裂，台基岩性为花岗岩。2015年1月安装CZB-2A型竖直摆钻孔倾斜仪，仪器置深23.8 m。2016年7月正式入网并进行日常资料处理，但前期因数采故障缺数较多，故取2017—2020年的数据进行分析。

使用上述3个观测站倾斜观测数据分析蒙古M_S 5.9地震，对于哈密2次5级地震，选用巴里坤观测站水平摆倾斜数据进行分析（因芨芨台、富蕴观测站仪器架设晚，无2次5级地震数据记录）。

1.2 分析方法

（1）形态法。在原始记录、整点值、日均值曲线正常变化背景上，利用形态法，分析倾斜加速变化、阶跃、脉冲、波动、“鼓包”等异常，以及矢量图显示倾斜方向的变化，如拐弯、打结、变速等异常（吕品姬等，2010）。

（2）小波分析。此为信号处理分析常用方法，利用时间和频率的局域变换，通过伸缩和平移等运算，对函数或信号进行多尺度细化分析，以提取有效信息（柳建新等，2006）。小波分析在地球物理学研究和数字化地震学资料分析中被广泛应用，已有研究成果有：张燕等（2004）采用db4小波，将云南武定M_S 6.5地震前震中附近5个台站的整点值数据分解到第9阶，发现在细节部分的第7、8阶，均出现幅度较大的异常信号；杨从杰等（2005）采用db4小波分析井水位（采用整点值）M₂波潮汐因子，发现在细节部分的第2、3阶有幅度较大的地震前兆异常信号；吕品姬等（2014）采用db4小波，对巴东M_S 5.1地震前周边形变观测整点值数据进行小波分解，发现部分资料在细节第9阶出现幅度较大的异常；刘建明等（2016）利用db4小波基函数，选取细节6阶，捕捉不同台站相同频段的异常信号，分析震前异常时空特征。基于上述研究，文中拟采用db4小波函数进行9阶分解，以获取震前可能出现的异常信息。

2 异常特征分析 2.1 形态法 2.1.1 巴里坤水平摆倾斜异常

2011年以来，巴里坤水平摆倾斜仪运行稳定，观测资料年变清晰，EW、NS分量年变转向时间较为同步。NS分量总体变化趋势为S倾，在2014—2015年出现N倾变化，期间发生2014年4月30日哈密M_S 5.1地震；EW分量2011—2017年变化形态为缓慢W倾，自2018年起变化趋势反转为加速E倾（图 2），统计EW分量每年12月至次年6月的年变幅度，2018—2019年年变幅为4.96″，明显大于往年同期年变幅度（表 1），后于2020年3月20日发生蒙古M_S 5.9地震。巴里坤水平摆观测背景清晰，变化趋势显著，除2012年2月10日巴里坤M_S 5.3地震无明显异常外（资料观测时间短），其余2次5级中强震前均出现较清晰的反向趋势变化异常，可为未来中强震的趋势预测提供参考。

2.1.2 富蕴钻孔倾斜异常

富蕴钻孔倾斜观测资料EW分量整体变化形态为E倾，相较于NS分量，背景清晰且年变幅度较大。NS分量在2015—2017年变化趋势为N倾，日均值曲线受干扰影响大，畸变较多，年变不清晰；2018年开始缓慢S倾，无显著干扰，曲线形态及年变逐渐清晰，每年4月和10月发生年变转向，见图 3（a）。

蒙古M_S 5.9地震前富蕴钻孔倾斜出现明显短期异常，且NS分量变化特征更突出。NS分量自2019年12月30日起，N倾趋势转向为缓慢S倾，打破正常年变形态，持续至2020年2月3日，后逐步恢复N倾，异常持续50天后发震，震后恢复正常年变。EW分量自2020年3月1日起E倾趋势减缓，地震发生后减缓趋势仍较明显，持续至5月5日，后恢复正常年变形态，见图 3（b）。

2.1.3 芨芨台钻孔倾斜异常

芨芨台钻孔倾斜NS分量呈N倾趋势、EW分量呈E倾趋势变化。NS分量在每年6月至10月有一段缓慢S倾过程，之后呈快速N倾；EW分量则在每年3月初至6月中旬缓慢W倾，后快速E倾，见图 4（a）。

自2019年8月4日起，原本处于快速E倾趋势的EW分量，转向为W倾，8月21日后逐步恢复E倾，与往年同期相比，速率明显变缓，最大相差约1.1″，见图 4（b）。蒙古M_S 5.9地震发生时，NS、EW分量均出现较大的同震阶跃，见图 4（a），阶跃量分别为0.162″和0.42″。

2.2 小波分析

对数据进行预处理，主要包括对缺数部分进行插值处理，消除人为干扰（仪器标定、进出观测室、施工等）引起的突变数据以及地震造成的突跳、阶跃干扰，以提高数据的可信度。考虑到小波分析时面临的边界效应（即边界失真）（吴国曾，2010；朱吉昌等，2017），使用震前6个月和震后1个月的连续整点值数据，进行db4小波9阶分解，以识别细节部分的震前短期异常（文中设定时段为3个月左右），其中细节1阶主要突出了高频干扰成分，细节2—4阶主要是固体潮的高频变化信息，细节5阶以后主要是比地球潮汐频率更低的信号，其中可能包含震前异常信息，以超过2倍标准差控制线作为异常判定标准。

图 5为蒙古M_S 5.9地震前后巴里坤水平摆EW分量整点值小波9阶分解曲线，结果显示，震前异常信号不显著，仅在12月前后，细节7—9阶出现超限异常。相较于细节部分，水平摆资料的震前趋势异常更为明显，分析2011年以来巴里坤观测站日均值时序，其中EW分量趋势部分第8、9阶，震前有明显的异常变化（图 6），表现为在震前缓慢W倾趋势背景下出现反向加速E倾变化，直至地震的发生，震后恢复W倾趋势。哈密2次5级地震前，趋势8阶具有较为明显的异常特征，主要表现为加速W倾—反转E倾—发震。另外，对于哈密2次5级地震前水平摆观测资料的细节部分，巴里坤M_S 5.3地震前3个月未记录到明显的超限异常信息，仅EW分量第7阶在震前2个月内出现一组异常信号（图 7）；哈密M_S 5.1地震前，NS、EW分量整点值小波分解细节6—9阶均出现明显的超限异常（图 8）。

富蕴、芨芨台钻孔倾斜观测数据在蒙古M_S 5.9地震前的细节部分出现超限异常。其中，富蕴EW分量第6阶和NS分量第6—8阶、芨芨台EW分量6—8阶，均在震前3个月出现周期几天至十几天的超限异常（图 9，图 10）。

综上可知，在小波分析时，所选时段的9—11月3套观测资料的细节6—8阶出现明显的超限现象，但不作为地震异常。这是因为，数据受小波边界效应影响，且查阅观测日志可知，应为受降雨所致短期变化。因此，在震前异常识别时，应查阅日志、对照辅助观测资料（降水、气压和气温等）进行干扰排除，以避免误判。

通过对比3个观测站NS、EW分量的小波分解结果，发现蒙古M_S 5.9地震前异常信息集中在细节6—9阶，同时巴里坤水平摆观测资料趋势部分8—9阶异常显著。

2.3 异常总结

此次蒙古M_S 5.9地震发生在新疆东北部中国边境以外地带（图 1），与2014年哈密M_S 5.1地震发生时间相隔6年。据统计，1800年以来巴里坤观测站周边300 km范围（涵盖哈密市及相邻区域）内，共发生5级以上地震24次（新疆地震目录），其中6—6.9级地震2次，7级以上地震3次，表明该区域有强震发生背景，但是相较于新疆区域的乌恰—喀什地区（张琳琳等，2017），5级以上地震频度较低，有较长时段处于中强地震平静期。该区域形变观测背景较清晰，3个台站观测仪器架设时间短，但数据连续率高、质量好，部分时段虽有人为干扰，但无显著仪器故障和中强震震后效应，在排除气象要素和可能的环境干扰后，蒙古M_S 5.9地震前的倾斜异常信度较高。巴里坤和芨芨台观测站形变资料均在震前1年左右出现趋势异常变化，富蕴站钻孔倾斜资料则在震前3个月内出现短期异常，反映了在持续的构造力作用下，同一区域应力场会出现一些较为同步的群体变化特征。若哈密及周边区域未来出现地震前兆异常，可将3个观测站资料进行同步分析对比，以获取较为可靠的信息。

对3个观测站两分量资料进行小波分析，不仅可快速识别并消除干扰、分离不同频率的波形，而且有助于提取趋势和短期（细节部分，3个月左右内）异常信息，同时提高了采用传统方法（如形态法）获取地震前兆异常的可信度。

3 结论

（1）蒙古M_S 5.9地震前，在震中400 km范围内，3套倾斜观测资料出现明显的中短期异常。其中，巴里坤水平摆倾斜仪EW分量在2018年由趋势W倾转为反向加速E倾，且震前1年，其年变幅明显大于往年。富蕴钻孔倾斜NS分量在震前50天由N倾趋势转向为缓慢S倾，出现打破正常年变形态的异常。芨芨台钻孔倾斜EW分量在震前7个月左右出现明显低于往年变化速率的异常（最大相差约1.1″）。

（2）使用db4小波函数对巴里坤、富蕴和芨芨台地倾斜资料进行9阶分解。蒙古M_S 5.9地震前，在3套仪器数据两分量细节部分的6—9阶，均可获取周期为几天至十几天的异常信息；巴里坤水平摆EW分量趋势部分的第8—9阶显示，在W倾背景趋势下具有明显反向加速E倾的异常形态特征。