0 引言

地倾斜观测的目的是研究地壳垂直形变的相对运动和固体潮汐的动态变化。对地壳倾斜进行定点连续观测，是检测和研究区域地壳水平、垂直相对运动、固体潮汐动态变化的一种手段(国家地震局科技监测司，1995)。地球潮汐、地壳岩石性质、地球参数等能帮助我们认清地震事件周期、应力的变化以及相关地壳间变形的关系(陈运泰，2009)。定点形变观测数据主要包括：日月引力引起的潮汐变化，地壳应力逐渐积累的应变，仪器零漂、气象、环境、人为、仪器故障等多因素综合效应下的观测数据，其某些周期性变化可能与构造活动和地震孕育有关。目前，我国地倾斜潮汐观测台网主要使用DQS型水管倾斜仪进行观测。该仪器可自动测量地壳倾斜变化，用于测定地倾斜缓慢变化、倾斜固体潮及捕捉地震前兆信息(中国地震局监测预报司，2008；鲍从民等，2009；田山等，2009；方燕勋等，2011；曹文强等，2012；段元泽等，2017；何应文等，2017；吕琳等，2019)。本文通过研究小庙地震观测站、姑咱地震观测站水管倾斜仪观测资料来评估资料稳定性和观测精度等，并对观测资料的变化趋势和受干扰情况作初步分析，以期发现数字化观测资料中地震短临信息，为日常监测、仪器维护、数据资料分析提供参考。

1 台站概况

西昌地震监测中心站小庙地震观测站(下文简称小庙站)位于安宁河断裂带与则木河断裂带的交接复合部位，该区域地质构造复杂，断裂纵横交错，除NS向构造外，还发育有NE、EW向构造。台站区域为第四系及第三系昔格达黄土，岩性为侏罗—白垩系紫红色钙质粉砂岩(图 1)。洞体总长55 m，覆盖厚度25 m，日温差较大，年温差小于1℃。

康定地震监测中心站姑咱地震观测站(下文简称姑咱站)位于NW向鲜水河断裂带、NE向龙门山断裂、NS向安宁河断裂复合部位靠北地段。坐落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核部。山洞基岩为前震旦系斑状黑云母花岗闪长岩，岩石坚硬(图 1)。洞体总长204.95 m，覆盖厚度大于100 m，日温差小于0.03℃，年温差小于0.4℃。

2 干扰分析

各种地球物理观测手段都不同程度地受到自然、气象、人为、地震记录(大震和震级较大的近震)、仪器故障等的影响。因此，从观测曲线中可发现很多固体潮畸变。为正确识别此类信息，及时准确地捕捉震前异常，则需掌握气象因素(包括雷电、暴雨、大风、气压等)引起的观测值较大幅度阶跃、波动等特点，而如何对数字化观测资料进行干扰识别，提取可靠的震前地球物理中短期异常，则成为观测工作的重点之一(李希亮，2008)。

2.1 仪器故障的影响

2019年9月小庙站水管倾斜仪NS分量仪器故障，造成较大幅度N倾，恢复稳定时间过长[图 2(a)]。2019年12月姑咱站水管倾斜仪NS分量仪器故障，造成测值趋势发生变化，由缓慢E倾转快速W倾漂移[图 2(b)]。通常，仪器故障表现为数据曲线的阶变、大型畸变、大幅突跳等情况，由图 2可见，2个台站的仪器故障表现为阶变，该阶变造成了年变趋势的改变。

2.2 自然干扰

自然环境干扰包括降雨、气压、雷电干扰。大风、气压骤变等会对观测曲线产生一定影响，但因为是短时微动态干扰，故一般不会造成测值的趋势性改变。气压对倾斜仪测值的影响具有较好的同步性，通过对比分析，可判断固体潮畸变是否为受气压的影响。

降雨影响主要与洞室基岩条件有关，也与降雨量、降雨持续时间有关，还与降雨区的地形、地貌、透水性有关(胡小静等，2016)。西昌小庙区域全年93%的雨量集中在每年6—9月，连续降雨或暴雨使大量雨水渗入山体，山体含水量增大，山体变形，岩石裂隙受压增大，造成地表倾斜，地倾斜观测曲线呈现下降、畸变等异常形态。其变化量因降雨量、降雨持续时间等的不同而不同。小庙站水管倾斜仪NS分量测值受降雨影响显著(图 3)，而EW分量轻微，这可能与NS向存在较多裂隙有关。

姑咱站台基条件较好，周围观测环境较稳定，观测资料连续可靠，能清晰地记录固体潮。分析多年的观测资料发现，地倾斜观测主要受雷电干扰较多，这些干扰引起观测值阶跃、波动(图 4)。

2.3 人为干扰

仪器洞室内是一个相对稳定的封闭环境。当观测人员进洞检查仪器、调零、标定等时都会在洞室内走动，开门关门等可引起气流扰动，若多人进洞，则存在体重负荷及人体散热，这破坏了水管倾斜仪钵体液面的平衡，都会影响观测曲线形态。该类干扰主要表现为观测记录的固体潮畸变和突跳(图 5)。因此，应尽量减少多人参观仪器洞室，仪器维修、调零、校准尽量一次性完成，以减少干扰。

3 观测资料质量评估 3.1 Venedikov调和分析

利用基于计算机技术的数字滤波器，可提取潮汐观测中的分波信息，从而对固体潮资料进行调和分析，这被称为Venedikov调和分析方法。其基本原理：设t时刻的观测值是由不同周期的潮汐波叠加而成并随时间而变化的量，即

$ y(t)=\sum\limits_n A_n \cos \left[\omega_n t+\varphi_n(T)\right]+D(t) $

(1)

其中，t为自T时起算的以小时表示的时间；T为t为0的时间；y(t)为t时刻的观测值；A_n为第n个潮波的观测振幅；ω_n为第n个潮波的角频率；φ_n为第n个潮波的T时刻的初相位；D(t)为t时刻的仪器零漂。

对观测序列进行数字滤波及回归分析，得到主要潮波的观测振幅A_n和相位φ_n，与相应的理论振幅之比是反映区域介质弹性性质的潮汐因子，即

$ \text { 潮汐因子 }=\frac{\text { 观测振幅 } A_n}{\text { 理论振幅 } A_n} $

(2)

3.2 计算结果及分析

中国地震局Ⅰ类台的精度标准为观测内精度、潮汐因子中误差、相对误差均小于0.02，相位滞后可以衡量不同台站资料的稳定程度(王梅等，2003)。运用MapSIS地震前兆信息处理与软件系统(蒋骏等，2000)，按月对小庙站、姑咱站水管斜仪仪潮汐观测资料进行调和分析，得到潮汐因子、潮汐因子中误差、相位滞后等指标(表 1)。由表 1可见，2019—2022年小庙站水管倾斜仪观测精度为0.012 1—0.013 7，其主要原因是受人为干扰(人员进入洞室引起气流扰动，从而使仪器两端液面不平衡)和地球物理事件(大震或近震形成的同震效应)的影响。姑咱站水管倾斜仪的观测精度为0.003 5—0.011 6，潮汐因子中误差、相位误差均小于0.02，达到中国地震局Ⅰ类台的精度标准。

3.3 相对噪声水平

相对噪声水平M₁是表征观测资料长期稳定性的另一项定量指标(郭国祥等，2013；高明智等，2016)。应用契比雪夫多项式，即1个年度观测资料的73个5日均值作30阶拟合而成。公式为

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

(3)

式中，T_n (X) = cos (narccosX)，其中，n = 0，1，2，…，m。

按照《地震及前兆数字观测技术规范—地壳形变观测》(中国地震局，2001)的要求，相对噪声水平M₁需小于0.02〞。由小庙站、姑咱站水管倾斜仪观测资料长周期拟合得到的相对噪声水平见表 2。由表 2可见，2018、2019、2021年小庙站水管倾斜仪NS分量相对噪声水平大于0.02〞，其原因是受到数据釆集器故障和多次调零的影响。姑咱站水管倾斜仪相对噪声水平均小于0.02〞，符合地形变观测规范要求(中国地震局，2001)。

3.4 倾斜量年变化

地球物理测项的年变可分为：①有正常年变，零漂较小；②无年变，数据曲线畸变，离散；③无年变，零漂较大(牟雅元，2001)。小庙站水管倾斜仪NS分量观测资料因受强降雨的影响，相对噪声水平大于0.02，年变呈N倾变化，2022年N倾速率有所减弱。EW分量的相对噪声水平自2017年10月大幅度抬升，幅度约259；2018年年变消失，这可能是地震导致的年变消失；2019年后年变逐渐正常；2022年小庙站水管倾斜仪相对噪声水平正常，却打破了正常年变规律，年变消失(图 6)，这可能也是地震造成的年变规律消失。

2017年姑咱站水管倾斜仪NS分量测值由缓慢W倾变化转为2018—2020年N倾的年变趋势，2021年相对噪声水平正常，但打破了年变规律，N倾速率减弱，这可能是地震所致。2017年EW分量保持平稳趋势，2018—2021年呈现年变基本规律，2022年相对噪声水平正常，但打破了年变规律，年变消失，E倾速率逐渐增大，E倾幅度约848(图 7)，这可能也是地震异常所致。

综上所述，当存在较大的长期干扰因素影响时，观测数据的相对噪声水平较高，说明干扰因素会在一定程度上影响资料的稳定性。但是地震前兆异常通常持续时间较短，因此，对资料稳定性的影响不大，仅明显改变年变形态。因此，在提取地震震前异常时，有效排除其他干扰因素才能得到真实可靠的异常信息。

4 小波分析

小波变换是近十几年发展起来的信号处理技术，其主要特点是通过变换能够突出分析样本的某方面特征，很好地抑制作用于地壳表面和观测系统等的多种干扰和噪声(苏莉华等，2010)。通过小波变换提取的异常信息更加丰富，一些趋势性变化和短临变化更直观。宋治平等(2003)研究表明，小波分析法在形变数字化资料干扰的识别与消除等方面具有较强功能。一些地震工作者尝试将小波分析应用在前兆资料处理中(高静怀等，1996；郑治真等，2001)。当利用小波分析尺度为4时，细节信号的平稳性最好；当细节信号的周期相位和幅值发生显著变化时，说明该频率范围内的正常周期信号上叠加了相同频率的其他信号，而叠加的信号可能是地震前兆异常。本文采用小波分析消除雷电、暴雨、大风、气压、温度等对水管倾斜仪观测的影响，利用小波变换的信号分层特征，捕捉不同台站的异常信号，进而分析地震异常的时空特征。计算前，首先对观测数据进行预处理，去除校准、调仪器、确定性的外界干扰等所引起的变化较大的数据，选取尺度为4的db4小波对其进行处理。提取趋势和细节曲线形态。

2017年6—8月、2018年6—10月，小庙站水管倾斜仪NS分量测值受降雨的影响N倾趋势发生转变，降雨影响结束后恢复正常N倾趋势；2019年10月仪器故障测值受到影响。2018年12月EW分量测值年变规律改变，W倾速率有所增大，2019年7月恢复E倾年变规律。小波分析提取的趋势和细节结果显示(图 8)，2017年8月8日九寨沟M_S 7.0、9月30日青川M_S 5.4地震前小庙站水管倾斜仪NS、EW分量测值小波周期、相位均无明显异常出现，2次地震震中距分别为608 km、554 km。2018年7—9月小庙站水管倾斜仪NS分量、7—8月EW分量测值小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，但EW分量测值小波周期、相位和幅值均偏小，异常结束3个月内发生兴文M_S 5.7地震，震中距约270 km。2019年1—2月NS分量、2—3月EW分量测值小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，异常结束4个月内发生长宁M_S 6.0地震，震中距约267 km，威远M_S 5.4地震发生在2倍均方差异常期间，EW分量测值在威远M_S 5.4地震前周期、相位无明显异常出现，震中距约309 km。

2017年1—5月姑咱站水管倾斜仪NS分量测值处于缓慢N倾，6—9月转向S倾，其间6月下旬固体潮出现畸变，8月12日发生九寨沟M_S 7.0地震，震后S倾速率减弱，9月初由平稳变化转向N倾，9月30日发生青县M_S 5.4地震，震后NS分量持续N倾；2018—2019年基本保持正常年变规律。2017年EW分量测值波动W倾，6月下旬出现固体潮畸变，8月下旬再次出现固体潮畸变，2018年2月W倾结束转向E倾，2019年9月起阶梯递增E倾，年变消失。小波分析提取的趋势和细节结果显示(图 9)，2017年5—6月姑咱站水管倾斜仪NS分量、6—7月EW分量测值小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，NS分量测值异常结束2个月内、EW分量测值异常结束1个月内发生九寨沟M_S 7.0地震，震中距约376 km。2017年8月NS分量测值小波周期、相位、幅值再次大于2倍均方差，异常结束2个月内发生青川M_S 5.4地震，震中距约360 km。2018年2—5月、7月小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，异常结束后无M_S 5.0以上地震发生。2018年10月小波周期、相位、幅值再次大于2倍均方差，异常结束2个月内发生兴文M_S 5.7地震，震中距约340 km。2019年4月NS分量测值小波周期相位、幅值均大于2倍均方差，异常结束2个月内发生长宁M_S 6.0地震。但2次地震前异常幅度偏小，震中距约330 km。2019年9月8日威远M_S 5.4地震，震中距约206 km，小波周期、相位、幅值均无明显异常出现。2017年6—7月EW分量测值小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，异常结束1个月内发生九寨沟M_S 7.0地震；2017年9月30日青川M_S 5.4、2018年12月16日兴文M_S 5.7地震前均未提取到明显异常。虽然2019年3月EW分量测值小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，但幅度偏小，异常结束3个月内发生长宁M_S 6.0地震；2019年7—8月小波周期、相位、幅值再次大于2倍均方差，异常幅度同样偏小，异常结束1个月内发生威远M_S 5.4地震。2019年9—10月EW分量测值小波周期、相位、幅值均大于2倍均方差，且幅度较大，这可能是震中距约260 km的资中M_S 5.2地震震前异常。

一般在观测精度、震级相同的情况下，同一仪器记录到的异常幅度随震中距的增加而逐渐减弱。小庙站水管倾斜仪对震中距大于300 km的地震异常反映不明显，而对震中距300 km内的地震可以记录到震前异常。姑咱站水管倾斜仪对震中距大于300 km的地震能记录到异常信息，同时也能记录到震中距300 km内的地震异常。小庙站、姑咱站水管倾斜仪测值小波分析结果存在差异的原因是，姑咱站水管倾斜观测精度高于小庙站，所以，前者可以记录到震中距300 km外的震前异常。

5 结束语

(1) 通过对四川小庙站、姑咱站DSQ型水管倾斜仪观测数据的初步分析认为，姑咱站水管倾斜仪观测资料精度优于小庙站。水管倾斜仪观测精度会受干扰因素的影响而变差，且观测精度可以直接反映相同仪器的记震能力，故可以采取尽量缩短仪器维修、调零、校准的操作时间等措施来减少干扰。在提取震兆异常时，为了提高分析结果的可信度需准确识别干扰并将其有效排除。

(2) 通过对比分析不同台站同一类型仪器的观测资料发现，相同型号仪器记震能力的差异受观测精度的影响较明显，记录到的地震震前异常存在振幅不同、异常结束到地震发生间的时间也不同的情况。