乌什体应变的气压响应特征分析

邢喜民　杨绍富

1　新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011



乌什体应变的气压响应特征分析

邢喜民1杨绍富1

1新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市科学二街338号，830011

通过选取不同时段乌什体应变、气压观测数据，利用小波分析分离观测数据中的信号，将相同频段的体应变、气压进行相关性分析。结果表明，乌什气压对乌什体应变的影响主要表现为线性关系，并且有16～64 min和64～128 h两个卓越频段。关键词： 乌什体应变；相关系数；气压；小波分析

体应变观测除了能清晰记录到固体潮汐、地震波和震前异常等重要信息外，同时也记录到了大气压力、地下水位、抽水和降雨对地应变场的干扰[1]。对这些干扰规律的认识，是进行合理数据分析和准确识别震前异常的前提和基础。乔子云等[2]通过对河北张家口地震台体应变和气压观测的对比分析认为，气压是体应变观测中的一项主要干扰，消除气压干扰后，异常更加明显，有利于异常的识别和判断。邢喜民等[3]在研究乌什体应变年频段及日频段信息的影响因素时认为，气压是影响乌什体应变日变化的主要因素之一，且体应变的短期波动变化与气压基本是同步的。而钻孔体应变仪观测精度高(可达10-11)、响应频带宽(从0到几Hz)[4]，文献[3]中给出的结论可能不足以揭示气压对乌什体应变的影响特征。为此，本文通过选取乌什体应变、气压等不同时段数据，利用小波分析，将观测数据中的信号按不同周期分离出来，研究乌什体应变的气压影响特征。

1　乌什体应变台址地质构造和观测情况

乌什地震台(41.2°N,79.2°E)位于新疆维吾尔自治区天山南麓阿克苏地区乌什县西郊七女坟旁，处在柯坪断块的东北部，北东向的阔克沙勒断裂分布在台站北部。台区基岩大面积出露，岩性以石英质砂岩为主，是地震及前兆观测的理想场所[3]。

乌什体应变观测仪器型号为TJ-Ⅱ型，体应变钻孔开口孔径150 mm，终孔径130 mm，钻孔深度80 m，实际测量深度77 m。因钻孔底部有大约3 m的沉砂，探头底部的实际埋深为75.6 m，探头处于砂岩层中[3]。

2　数据分析

由图1看出，乌什体应变日变化受固体潮影响明显，但固体潮与气压对体应变的影响特征并不同，因此文献[3]中“气压是影响乌什体应变日变化主要因素之一”的结论，不足以揭示气压对乌什体应变的影响特征。

图1　乌什体应变、气压分钟值曲线(2015-01-01～01-15)Fig.1　Minute values of body strain, atmospheric pressure(2015-01-01～01-15)

用小波分析的方法将原始曲线中的短周期信号分离出来，气压的影响会变得清晰[4-5]。针对体应变响应频带宽的特点，选取2013-01-01～2015-10-31整点值、2015-01-01～01-15分钟值两段数据分别进行研究。

首先，将2015-01～01-15分钟值按周期2～4 min、4～8 min、8～16 min、16～32 min、32～64 min、64～128 min、128～256 min、256～512 min、512～1 024 min、1 024～2 048 min、2 048～4 096 min、4 096～8 192 min划分，得到12个频段的波形数据，再将同一频段体应变和气压分别进行相关性分析，得到各频段的相关系数r(图2)。

图2　乌什体应变与气压在各频段的相关系数(2015-01-01～01-15)Fig.2　The correlations of every bands body strain with atmospheric pressure(2015-01-01～01-15)

由图2可以看出，2015-01-01～01-15气压对乌什体应变的影响基本可分为两个频段：一个频段是16～64 min，气压与体应变相关系数为0.82；另一个频段是4 096～8 192 min(68.3～136.5 h)，相关系数为0.87。两个频段的气压与体应变散点图见图3。

图3　乌什体应变与气压散点图(2015-01-01～01-15)Fig.3　The scatter of body strain and atmospheric pressure(2015-01-01～01-15)

由图2、图3可知，在16～64 min和4 096～8 192 min这两个频段，乌什体应变与气压线性相关性较强。

同样，对2013-01-01～2015-10-31的整点值数据，利用小波分析，按周期2～4 h、4～8 h、8～16 h、16～32 h、32～64 h、64～128 h、128～256 h、256～512 h、512～1 024 h划分，得到9个频段的波形数据，再将同一频段体应变和气压分别作相关性分析，得到各频段的相关系数r，见图4。

图4　乌什体应变与气压在各频段的相关系数(2013-01-01～2015-10-31)Fig.4　The correlations of every bands body strain with atmospheric pressure at Wushi(2013-01-01～2015-10-31)

由图4可以看出，2013-01-01～2015-10-31乌什气压对体应变影响的显著频段为64～128 h，相关系数为0.91，这与2015-01-01～01-15的4 096～8 192 min(68.3～136.5 h)频段结果基本一致。乌什气压与体应变散点图见图5。

图5　乌什体应变与气压散点图(2013-01-01～2015-10-30)Fig.5　The scatter of body strain and atmospheric pressure(2013-01-01～2015-10-30)

由图5可知，在64～128 h频段乌什体应变与气压具有较高的线性相关性。

综上可以看出，乌什气压对乌什体应变影响主要有两个显著频段，一个频段周期约为16～64 min，另一频段周期约为64～128 h。这与张凌空[4]、周龙寿等[6]的结论不一致，但有一点却是相同的，那就是气压对体应变的影响主要表现为线性相关。结合图1，乌什体应变与气压的变化基本同步。

3　结　语

本文通过小波分析，将乌什气压和乌什体应变观测数据细节变化按不同周期进行划分，对相同频段的气压和体应变数据进行分析。结果表明，乌什气压对乌什体应变的影响主要表现为线性关系，并且有16～64 min、64～128 h两个卓越周期。

[1]李杰，邹钟毅，闫德桥，等. TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪数字化观测资料分析[J].大地测量与地球动力学，2002 22(3):69-74(Li Jie, Zou Zhongyi, Yan Deqiao, et al. Analysis of Digitized Observations of TJ-Ⅱ Borehole Body Strain Meters[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,22(3):69-74)

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[3]邢喜民，孙吉泽，张治广.乌什钻孔体应变年频段及日频段信息的影响因素探索[J].大地测量与地球动力学,2016,36(5):82-85(Xing Ximin, Sun Jize, Zhang Zhiguang. Exploring the Factors Influencing of Wushi Borehole Body Strain Year Period and Daily Frequency Information[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2016,36(5):82-85)

[4]张凌空，王广才，牛安福.周期气压波对地壳应变场观测影响的若干因素分析[J].地震学报，2011,33(3)：351-361(Zhang Lingkong, Wang Guangcai, Niu Anfu. Analysis on Several Factors of Periodic Air Pressuer Wave Affecting Crustal Strain Field[J]. Acta Seismologica Sinica,2011,33(3):351-361)

[5]陆远忠，李胜乐，邓志辉，等.基于GIS的地震分析预报系统[M].成都：成都地图出版社,2002(Lu Yuanzhong, Li Shengle, Deng Zhihui, et al. Seismic Analysis and Prediction System Based on GIS[M].Chengdu: Chengdu Cartographic Publishing House, 2002)

[6]周龙寿，邱泽华，唐磊.地壳应变场对气压短周期变化的影响[J].地球物理学进展，2008,23(6)：1 717-1 726(Zhou Longshou, Qiu Zehua, Tang Lei. The Response of Crustal Strain Field to Short-Period Atmospheric Pressure Variation[J].Progress in Geophysics,2008,23(6):1 717-1 726)

About the first author:XING Ximin, engineer, majors in the precursor tracking data analysis,E-mail:24033663@qq.com.

Exploration of the Response Characteristics of Air Pressure to Wushi Body Strain

XINGXimin1YANGShaofu1

1Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 338 Kexueer Road, Urumqi 830011, China

Selecting different period data of Wushi body strain and air pressure, we apply wavelet analysis method to separate observation data signals, using correlation analysis of body strain and air pressure in the same frequency band. The results show that the effect of air pressure on body strain is mainly expressed as a linear relationship, and that there are two outstanding bands.

Wushi body strain; correlation coefficient; air pressure; wavelet analysis

Seismic Regime Tracking Project of CEA, No.2015010225.

2016-01-12

邢喜民，工程师，主要从事前兆跟踪数据分析研究，E-mail：24033663@qq.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.019

1671-5942(2016)010-0930-03

P315

A

项目来源：中国地震局震情跟踪课题(2015010225)。