0 引言

地震是具有强破坏力的自然灾害之一，严重威胁着人民的生命财产和生活安全，地震预测、预报能力的提高可以有效避免地震带来的巨大损失。地震的孕育与发生并非孤立过程，往往伴随着地壳介质物理、化学特征和物理化学场的变化，人类一般无法察觉，需借助专业仪器捕捉前兆异常信息。要对地震活动进行有效的预测研究，不仅需要积累大量观测资料进行分析，还需要进行长期的动态跟踪和对观测环境的深度剖析。尤其是对于中强地震前后震中及周边地区地球物理观测资料的异常识别和判定，一直是关注的热点之一。在不断回顾历史地震资料的同时，常有新的观点和新的认识产生，有必要观测资料异常信息进行系统总结。

内蒙古自治区阿拉善盟及周边地区为地震活动多发区域，例如2015年4月15日阿拉善左旗M_S 5.8地震、2017年6月3日阿拉善左旗M_S 5.0地震等，为地震前兆观测积累了丰富的数据资料。

本文基于巴彦浩特地震台（下文简称巴彦浩特台）石英水平摆倾斜仪数据记录，选取周边典型中强震例，结合观测区域地震孕育特点，运用小波分析理论方法，对形变观测数据异常和背景场监测效果进行论证，系统分析该台地震观测背景和阿拉善盟及周边地区典型震例的地震地球物理异常特征。

1 台站概述

阿拉善盟地区坐落于内蒙古自治区西部（90°10′ —106°53′ E，37°24′ —42°47′ N），其东西长约831 km，南北宽约598 km，总面积约27万km²，占内蒙古自治区全区总面积的22.8%，区内分布蒙、汉、回、藏等28个民族，总人口约24.57万。在地质构造上，阿拉善盟位于华北地台与西北地台及蒙古台隆的衔接地区，在距今2亿年前印支运动作用下，发育了阿拉善弧形构造及NS向构造，主要有贺兰山隆、吉兰泰断陷盆地、阿拉善隆起区3个构造区和巴彦浩特断裂、巴彦乌拉山断裂、磴口—本井断裂、雅布赖山前断裂、正谊关断裂、桃花山—阿右旗断裂、慕少梁断裂等活动断裂带，部分断裂带全新世以来活动剧烈。阿拉善盟属地震易发和多发地区，内蒙古自治区40%以上的4—7级地震发生于此，近年来一直被列为国家或自治区地震重点监测区。

巴彦浩特台观测山洞位于阿拉善盟巴彦浩特镇城东，洞体进深约60 m，覆盖层厚约40 m，台基岩性较好，洞室日温差小于0.01℃，平均湿度≥75%，温度、湿度较为恒定，且密封性良好，符合形变观测要求。该台于2011年8月安装SSQ-2Ⅰ石英水平摆倾斜仪，2012年1月正式观测，具有NS、EW分量2个测向，仪器稳定性较好，观测精度较高，分辨率≥0.005″，动态范围大于80 dB，零漂率≤2 s/a，非线性度≤0.8%，量程≥2，仪器格值符合规范要求（乌日乐，2020）。

2 分析方法

对于巴彦浩特台石英水平摆倾斜仪记录数据，结合研究时段典型震例，利用小波分析方法绘制图形，分析该台形变观测数据发震前后异常特征。小波分析方法在20世纪80年代逐渐发展起来，具有同时进行时间域和频率域分析的特点，能揭示信号不同时刻的频率特征，在信号分析、语音合成、图像识别、地震勘探、震相识别以及气候分析等方面均有广泛的应用（刘希强等，1998）。

设Ψ(t)∈L²(R)，其傅里叶变换为$\hat{\Psi}(\omega)$，当$\hat{\Psi}(\omega)$满足允许性条件（完全重构条件或恒等分辨条件）时，则

$C_{\Psi}=\int_R \frac{|\hat{\Psi}(\omega)|^2}{|\omega|} \mathrm{d} \omega<\infty$

(1)

此时称Ψ(t)为一个基本母小波，经伸缩和平移，得

$\Psi_{a \cdot b}(t)=\frac{1}{\sqrt{|a|}} \Psi\left(\frac{t-b}{a}\right) \quad(a, b \in R ; a \neq 0)$

(2)

式中，a为伸缩因子，b为平移因子，称$\Psi_{a \cdot b}(t)$为一个小波序列。在实际运用中，连续小波必须加以离散化，任意函数f(t)的离散小波变换可以表示为

$W T_f(m, n)=\int_R f(t) \bar{\Psi}_{m \cdot n}(t) \mathrm{d} t$

(3)

为区分不同分量信息，引入构造正交小波方法和小波变换快速算法Mallat。Mallat一维分解算法可表示为

$C_{j+1}=\left[H_{m+k}\right]_m^{\infty} \quad D_{j+1}=\left[G_{m+k}\right]_m^{\infty} \quad(k=-\infty ; j=0, 1, \cdots, J)$

(4)

式中：C_j+1 f与D_j+1f是在分辨率为j时的近似部分和细节部分，则Mallat一维重构算法可表示为

$C_{j+1}[n]=\sum\limits_n h(n-2 k) C_j[k]+\sum\limits_n g(n-2 k) D_j[k]$

(5)

式中：C_j[k]为低频系数；D_j[k]为高频系数；h、g分别为低通和高通滤波器（曲浩鑫等，2021）。

3 典型震例分析

巴彦浩特石英水平摆倾斜仪记录到诸多地震地球物理异常现象，选取2015年1月至2022年12月观测资料，剔除自然环境、人为因素及仪器故障等干扰，选取研究时段发生的6个典型震例（表 1），对比分析发震前后数据异常变化，以进一步印证石英水平摆倾斜仪前兆异常对于地震预测的警示作用。

（1）2015年4月15日内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗M_S 5.8地震。选取2015年3月20日—4月20日石英水平摆倾斜仪观测数据，分析发震前后地倾斜变化，结果见图 1。由图 1可见：NS测向自2015年3月29日20时—3月30日13时南倾加速，变化量为696×10^-2″，3月30日13时起北倾加速并伴有畸变，变化量为2 011×10^-2″，4月6日数据恢复正常，后于4月15日发生内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗M_S 5.8地震（大幅异常出现19天后）；EW测向相较NS测向前兆特征反应不明显。

对所选观测数据NS测向进行离散正交小波变换分析，结果见图 2，可见：在同一时间段内，NS测向6通道内离散正交小波变换值均出现不同程度的短临异常，进一步证明巴彦浩特台石英水平摆倾斜仪记录数据的地球物理异常特征反应可信度较高。

（2）2016年1月21日青海门源M_S 6.4地震。选取2016年1月10日—22日石英水平摆倾斜仪观测数据，分析发震前后地倾斜变化，结果见图 3，可见：2016年1月21日发生青海门源M_S 6.4地震前，2016年1月14日9时起，该台石英水平摆倾斜仪NS测向南倾加速，变化量为73×10^-2″，1月18日恢复正常，后于1月21日发生青海门源M_S 6.4地震（大幅异常出现5天后）；EW测向相较NS测向震前异常特征反应不明显。

对所选观测数据NS测向进行离散正交小波变换分析，结果见图 4，可见：在同一时间段内，NS测向6通道内离散正交小波变换值均出现不同程度的短临异常，其中6阶离散正交小波变换值变化显著，变化量为112.05×10^-2″，进一步证明巴彦浩特台石英水平摆倾斜仪记录数据的震前地球物理异常特征反应可信度较高。

（3）2017年6月3日内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗M_S 5.0地震。选取2017年5月25日—6月5日石英水平摆倾斜仪观测数据，分析发震前后地倾斜变化，结果见图 5，可见：自2017年5月31日12时—6月1日6时，NS测向南倾加速，变化量为37×10-2″，6月1日6时—6月2日22时数据走平、固体潮变化不明显，并伴有数据畸变，6月2日22时后数据恢复正常，后于6月3日发生内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗M_S 5.0地震（大幅异常出现4天后）；EW测向相较NS测向震前异常特征反应不明显。

对所选观测数据NS测向进行离散正交小波变换分析，结果见图 6，可见：在同一时间段内，NS测向6通道内离散正交小波变换值均出现不同程度的短临异常，其中5阶、6阶离散正交小波变换值变化显著，最大变化量为52.8×10^-2″，进一步证明巴彦浩特石英水平摆倾斜仪所记录数据的震前异常特征反应可信度较高。

（4）2017年8月8日四川阿坝州九寨沟县M_S 7.0地震。选取2017年7月29日—8月10日石英水平摆倾斜仪观测数据，分析发震前后地倾斜变化，结果见图 7，可见：自2017年7月30日22时—8月1日14时，NS测向北倾加速，变化量为23×10^-2″，8月1日14时—8月2日15时数据加速南倾，并伴有固体潮畸变，8月2日15时后数据恢复正常，后于8月8日发生四川阿坝州九寨沟县M_S 7.0地震（大幅异常出现9天后）；EW测向相较NS测向无明显倾向特征，但同一时段内出现短暂数据畸变，固体潮特征不明显的情况。

对所选观测数据NS测向进行离散正交小波变换分析，结果见图 8，可见：6阶离散正交小波变换分析特征不明显，可能因震中距较大，变化特征量较小所致。

（5）2017年9月2日宁夏固原市原州区M_S 4.6地震。选取2017年8月10日—9月4日石英水平摆倾斜仪观测数据，分析发震前后地倾斜变化，结果见图 9，可见：自2017年8月19日22时—8月20日5时，NS测向北倾加速，变化量为26×10^-2″，8月25日20时—8月26日23时南倾加速，8月26日23时后数据恢复正常，后于9月2日发生宁夏固原市原州区M_S 4.6地震（大幅异常出现13天后）；EW测向相较NS测向震前异常特征反应不明显。

对所选观测数据NS测向进行离散正交小波变换分析，结果见图 10，可见：在同一时间段内，NS测向6通道内离散正交小波变换值均出现不同程度的短临异常，其中5阶、6阶离散正交小波变换值变化显著，最大变化量为4.4×10^-2″，进一步证明巴彦浩特石英水平摆倾斜仪所记录数据的震前异常特征反应可信度较高。

（6）2022年5月5日内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗M_S 4.0地震。选取2022年4月25日—5月7日石英水平摆倾斜仪观测数据，分析发震前后地倾斜变化，结果见图 11，可见：2022年4月26日—28日，NS测向出现数据畸变，固体潮特征不明显，4月29日00时—4月30日8时，北倾加速，变化量为55×10^-2″，4月30日9时后数据恢复正常，后于5月5日发生内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗M_S 4.0地震（大幅异常出现9天后）；EW测向相较NS测向震前异常特征反应不明显。

对所选观测数据NS测向进行离散正交小波变换分析，结果见图 12，可见：在同一时间段内，NS测向6通道内离散正交小波变换值均出现不同程度的短临异常，其中5阶、6阶离散正交小波变换值变化显著，最大变化量为49×10^-2″，进一步证明巴彦浩特石英水平摆倾斜仪所记录数据的震前异常特征反应可信度较高。

4 讨论与结论

选取6次典型中强震例，利用小波分析分析理论对巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪观测数据进行分析，得出在阿拉善盟及周边地区，地震发生前几天记录曲线会出现倾斜、阶变、突跳、畸变、扰动等震前短临异常表现。主要特征如下：2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗M_S 5.8地震、2017年6月3日内蒙古阿拉善左旗M_S 5.0地震：异常持续时间、大小与震级和震中距大小具有相关性，震级越大、震中距越小，记录曲线出现倾斜、阶变、突跳、畸变、扰动等震前短临异常幅度表现越强，异常持续时间越长；2017年9月2日宁夏固原市原州区M_S 4.6地震、2022年5月5日内蒙古阿拉善左旗M_S 4.0地震：震中距较小、震级偏小，短临异常幅度就相对较小；2016年1月21日青海门源县M_S 6.4地震、2017年8月8日四川九寨沟M_S 7.0地震则相反，震级较大，震中距较远，震前短临异常表现同样较小，持续时间较短。

巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪观测数据映震效果较好，主要表现为NS测向固体潮变化明显，可为阿拉善盟及周边地区形变观测仪器短临异常分析提供数据参考。

地震地球物理异常由地震构造条件、传播介质不同所致，具有一定复杂性，单靠一套仪器观测数据，不能准确判断某些数据变化为震前异常，需要积累更多同类数据和震例进行对比分析，才能准确反映区域震前背景场调整过程。