0 引言

地壳形变是地震孕育、发生过程中突出的物理现象之一，与地震的关系最为直接，具有明确的几何和物理意义（汪翠枝等，2009）。VS型垂直摆倾斜仪是我国自主研发的一种高精度倾斜仪，是研究固体潮和震前地球物理异常的重要手段。VP型宽频带倾斜仪是由中国地震局地震武汉仪器研究院在VS型垂直摆倾斜仪基础上升级研发的地震前兆形变观测仪。本文通过对西昌小庙、攀枝花南山观测站垂直摆倾斜仪观测资料的变化特征，基于潮汐因子、相对噪声等指标进行质量评定，以期提高观测资料的真实性和可靠性，并探讨形变观测中出现的暂态事件及大地震前的微动态变化，为震情研判和地震的预测预报研究积累基础数据。

1 台址概况

四川地处南北地震带中南段，区内龙门山断裂带、鲜水河断裂带、安宁河—则木河断裂带呈Y字型分布。该区域构造活动强烈，是中国地震活动多发地区之一，自2008年5月12日汶川M_S 8.0地震以来发生多次6级以上强震，如芦山M_S 7.0地震、九寨沟M_S 7.0地震、泸县M_S 6.0地震等。

1.1 小庙地震观测站

西昌小庙地震观测站（下文简称小庙站）始建于1971年，隶属于西昌地震监测中心站，地处安宁河断裂带与则木河断裂带交接复合部位，地质构造复杂，台站周边断裂纵横交错（图 1），除NS向断裂构造外，还发育有NE、EW向断裂构造。安宁河断裂带位于观测站西侧，是一条纵贯川滇两省的区域性大断裂。该站为形变综合观测台，布设有洞体应变、垂直摆、长水管、钻孔应变以及重力测项。

1.2 南山地震观测站

攀枝花地区位于扬子地台西缘，康滇地轴北段，主体构造呈近NS向展布，次级构造呈NE、NW与近EW向，区内分布安宁河断裂带、昔格达断裂等全新世断裂。攀枝花南山地震观测站（下文简称南山站）附近出露西番田断裂、弄弄坪断裂、纳尔河断裂、那拉箐断裂、倮果断裂等次级断裂（图 1），台基岩性以灰色闪长岩为主，岩石坚硬，透水性差。该站为形变综合观测台，布设有垂直摆、水管仪、伸缩仪等观测手段。

文中选取2个观测站VP、VS型垂直摆观测数据，对形变潮汐响应特征及映震能力进行分析。

2 干扰因素分析

垂直摆是一种精度高、频带宽、灵敏度高的倾斜仪，不仅能记录到清晰固体潮，还能记录更多地震前兆信息（吕品姬等，2010；马武刚等，2015）。然而，高灵敏度观测仪器更容易受到场地环境、自然环境、人为干扰等影响（赵小贺等，2009；杨绍富等，2017；张红秀等，2018；周雯等, 2020, 2022）。对小庙和南山观测站各类干扰因素进行梳理，有助于更好地评估观测资料质量。

2.1 小庙站干扰因素

（1）据调查，小庙站及周边存在以下干扰源：台站内、外有2口水井，为生产、生活用水井，每日抽水量分别为2 m³、0.5—3 m³；台站东北侧西昌环城公路施工及通车，与观测站最近距离约60 m；台站西北侧300 m处新建垃圾场和停车场（投入运行），对观测数据有轻微影响。

仪器主机故障较多，对VP垂直摆EW分量影响较大（图 2）。

2.2 南山站干扰因素

据调查，南山站周边500 m范围内无土建及维修施工影响；台站位于山腰，周围有少量农户，主要种植果树，抽取地下水等对垂直摆观测影响甚微。

仪器故障、校准对南山VS垂直摆EW分量影响较大，调零对数据趋势变化不会产生明显影响（图 3）。

3 形变数据质量 3.1 数据连续率

地倾斜连续观测对地震学现象级地震预报科学研究具有重要意义，因此观测数据的连续率、完整率是评定数据质量的主要指标之一。其连续率和完整率公式为

$ \text { 数据连续率 }=\frac{\text { 已有数据样本数 }- \text { 无效测值样本数 }}{\text { 应有数据样本数 }} \times 100 \% $

(1)

$ \text { 数据完整率 }=\frac{\text { 已有数据样本数 }- \text { 无效测值样本数 }}{\text { 应有数据样本数 }- \text { 可扣除缺记数 }} \times 100 \% $

(2)

选取2020—2022年小庙站、南山站VS、VP垂直摆倾斜仪数据进行连续率和完整率统计，统计结果见表 1，可知：小庙站垂直摆形变数据连续率均在99.95%以上，完整率在99.56%以上；南山站垂直摆形变数据连续率均在99.93%左右，其VP垂直摆NS分量受仪器故障、调零、校准干扰较多，完整率为98.68%—99.52%。

3.2 观测数据精度

为保证潮汐分析结果的信度，需对观测数据进行预处理，剔除显著干扰数据，对断记时间较长的数据进行分段处理，并舍去断记4小时以上数据。

观测仪器的稳定性、台基岩性、墩基稳定程度是观测精度的基础。M₂波潮汐因子、潮汐因子中误差、相对误差是考察仪器内在精度的重要指标，潮汐因子不仅反映地面的垂直变形，还反映了地下介质的性质和状态的变化（张文来等，2005）。选取2020—2022年小庙、南山站VS、VP垂直摆倾斜仪观测整点值数据，经预处理，采用Venedikov调和分析方法，数据长度为30天，以2天为步长移动，按月进行调和分析，计算得到M₂波潮汐因子、潮汐因子中误差、相对误差，结果见表 2。

由表 2可知，小庙站VS、VP垂直摆NS分量及南山站VS、VP垂直摆EW分量观测内精度、潮汐因子中误差和相对误差均＜0.02，达到中国地震局Ⅰ类台精度标准。小庙站VP垂直摆EW分量2020—2022年潮汐因子中误差、NS分量2022年内精度均值＞0.02，未达到中国地震局Ⅰ类台精度标准。分析认为，除西昌环城公路施工及通车影响，在小庙站垂直摆日常运行及观测过程中，如多人或多次进入观测山洞、仪器故障及维修、改造升级等，均会对观测数据内精度产生一定影响。南山站VS垂直摆NS分量受较多仪器故障、调零、校准影响，观测精度＞0.02。对比发现，南山站VS、VP垂直摆数据精度相当，而小庙站VS垂直摆精度高于VP垂直摆，究其原因可能是，VP垂直摆秒采样记录中叠加了更多干扰信息。因此，掌握仪器维修和调零校准流程，尽量缩短操作时间等，可有效减少形变干扰，提高观测数据精度。

3.3 相对噪声水平

相对噪声水平M₁是用来衡量倾斜潮汐形变观测数据年度稳定性的一项评定指标（郭国祥等，2013；高明智等，2016），一般可采用契比雪夫多项式拟合和均方连差2种方法计算。文中采用契比雪夫多项式拟合计算方法，即利用契比雪夫多项式与一年观测资料的73个五日均值进行30阶拟合。契比雪夫多项式为

$ T_n(X)=\cos (n \arccos X) \quad(n=0, 1, 2, \ldots, m) $

(3)

1组变量N个数据的对应契比雪夫多项式展开为

$ F(X)=\frac{1}{2} C_0 \sum _{n=i}^m C_n T_n(X) $

(4)

在资料卓越周期分析和主要干扰因素的判定中，C_n系数值能够发挥作用。

计算得到小庙、南山站VS、VP摆倾斜仪形变观测数据相对噪声水平M₁，统计结果见表 3，可知：仅小庙站VP垂直摆EW分量2020年相对噪声水平大于0.02″（故障时间较长），其他均小于0.02″，达到中国地震局Ⅰ类台精度要求，观测数据稳定性较好。

4 小波分析

垂直摆倾斜仪不仅能记录到大量地壳形变及地震前地球物理异常信息，也记录到地球引力场和复杂的地质结构位移和各种扰动变形，因此对干扰识别与排除的研究是前兆资料分析应用的一个重要问题（宋治平等，2003）。小波变换方法具有较强的干扰识别与排除功能，较多地震工作者尝试将小波分析应用于地形变资料的干扰识别与消除以及对不同频率的信息识别，提取趋势异常与短期异常，得到了一些初步结论（张燕等，2003；万永革等，2003；徐长银等，2017）。

2021—2022年，四川先后发生泸县M_S 6.0、芦山M_S 6.1和泸定M_S 6.8地震，地震活动频度高且震级大。利用小波变换方法提取所需异常频段信息，对该省6.0级以上地震前小庙、南山站VS、VP垂直摆形变观测整点值进行分层计算。因小庙、南山站垂直摆EW分量仪器故障多且故障时间长（图 2，图 3），对观测数据精度与可靠性造成一定影响，不具对比参考性，故不做分析。

选取2021—2022年小庙、南山VS、VP垂直摆NS分量进行预处理，采用db4小波进行分解，选取细节部分第4阶结果绘图，见图 4。小庙站VS垂直摆NS分量2021年9—12月超出2倍均方差异常，异常结束6个多月发生芦山M_S 6.1地震，2022年7月超出2倍均方差异常，异常结束2个月内发生了泸定M_S 6.8地震（图 4）。小庙VP摆北南分量2022年1—2月超出2倍均方差异常，异常结束4个月内发生芦山M_S 6.1地震，2022年6—7月超出2倍均方差异常，异常结束2个月内发生芦山泸定M_S 6.8地震（图 4）。

南山站VS垂直摆NS分量2021年1—3月超出2倍均方差异常，6个月后发生泸县M_S 6.0地震，2021年12月—2022年1月超出2倍均方差异常，异常结束后，于5个月内发生芦山M_S 6.1地震，8个月内发生泸定M_S 6.8地震（图 5），不能排除2次地震异常信息重叠的可能。

南山站VP垂直摆NS分量2021年1月超出2倍均方差异常，异常结束后，于8个月内发生泸县M_S 6.0地震，2021年11—12月超出2倍均方差异常，异常结束后，于6个月内发生芦山M_S 6.1地震，9个月内发生泸定M_S 6.8地震（图 5），不能排除2次地震异常信息重叠的可能。

基于小波分析，发现小庙站垂直摆NS分量在2021年9月16日泸县M_S 6.0地震前无明显异常信息，而南山站垂直摆NS分量则记录到震前异常，可见不同台站形变记录异常并非呈一致性变化，异常的幅度、时间和变化大小有所差异，异常结束到发震的时间也有所不同，表现出明显的差异性特征（高振强等，2010）。究其原因可能与震中距以及仪器响应有关，也可能与小庙站地理位置及所处构造、基岩性质等有关，异常反映也可能存在一定方向性。异常的出现与孕震区位置以及台站所处位置、台基岩性的相关性，说明定点形变实际上观测的是形变场变化的一部分（牛安福，2003），不同台站可能存在较显著的差异。

5 结论与讨论

通过对小庙、南山站垂直摆各参数指标的计算及小波分析，可知2个观测站垂直摆观测数据可靠性较高，映震能力较强，可以提取到相应震前地球物理异常，但由于异常反映可能具有一定方向性，存在一些异常记录不到的情况。

（1）基于小庙、南山站垂直摆倾斜仪各项指标的评估结果，认为4套形变资料整体稳定性较好，观测数据精度基本符合要求，个别资料精度稍大于0.02″，可能由观测系统问题较多所致，自然、场地环境干扰轻微，不足以造成明显影响。对比两者的优劣性以及差异性，以便为日常监测、仪器维护、数据资料分析提供科学依据。

（2）通过对比VP、VS垂直摆观测资料内精度，发现秒采样仪器记录中叠加了更多干扰信息，在进行地震异常提取时可以更有效的找到并排除干扰，使异常提取结果可靠性更高。

（3）基于2021年以来小庙、南山站垂直摆形变观测地震波形记录，发现2个台站记录的震前异常响应特征不同。通过对四川省2021—2022年发生的泸县M_S 6.0、芦山M_S 6.1和泸定M_S 6.8地震进行分析，发现震前形变测项有一定异常反映，但不具一致性特点，表现出明显的差异性特征。在同一台址条件下，异常差异可能与仪器的工作周期、动态响应范围等有关，其映震效果可能与震中距、观测系统等有关。

（4）小庙站垂直摆形变观测未记录到泸县M_S 6.0地震震前异常，可能是因为，异常反映可能存在一定方向性，构造、地质、基岩性质及台站距离等都有一定相关性；南山站在芦山M_S 6.1和泸定M_S 6.8地震前可能存在异常重叠现象，初步认为，可能与震中距离过远、构造复杂和介质结构差异等有关。

针对以上讨论，需要积累更多形变观测资料开展进一步研究。