2019年海南五指山台硐室形变与气象三要素数据相关性分析

郭昱琴，周雯，胡久常，苏维刚

(1.海南省地震局，海南 海口 570100；2.青海省地震局，青海 西宁 810000)

0 引 言

形变观测信息中包含固体潮汐和非固体潮汐信息。固体潮汐是由于日、月和近地行星对地球的引力变化所导致的地球内部和表面的周期性形[1]，非固体潮汐信息则反应的是地表倾斜和应变的变化，因此倾斜观测和应变观测是地震前定点形变观测的重要手段。前人针对形变观测进行了大量研究，陈德福在搜集整理了大量的倾斜异常图像后对倾斜异常形态进行了分类和特征分析[2]；夏超德、杨晓东等人分别对宁波台和韩城台的倾斜模拟观测和数字化观测进行了对比研究[3-5]；王梅、曹建玲等人论述了气压、雷电、地表温度和环境载荷等干扰对观测记录的影响及其机理[6-7]。当累积降雨量超过20 mm，对地倾斜的影响较为明显，降水对地倾斜的影响的滞后时间一般在2天以上，降雨对倾斜资料影响的实质主要在于降雨造成重力负荷发生变化、雨水渗入岩石后引起不均匀膨胀[8]，研究表明潮汐形变观测数据受到气象因素的干扰影响较多[9]。

五指山形变台目前运行两套地倾斜观测仪器(分别为DSQ水管倾斜仪和VP宽频带倾斜仪)，此外还有一套地应变仪器(SS-Y铟瓦棒伸缩仪)，三套仪器于2014年3月安装调试完毕并投入观测。气象三要素综合观测仪则于2017年9月26日架设。上述所有仪器总体上运行正常，由于仪器维护和更换，资料连续性及质量日渐有所提升，部分测项由于环境、人为、气象等因素的干扰和仪器故障、仪器性能不佳等导致观测资料存在缺数、突变，出现显著的异常变化。本文通过对五指山形变台三套形变仪器观测资料与气压、温度、降雨三种气象要素展开相关性研究，深入分析观测数据的物理意义及产生不同趋势变化的原因，为数字化倾斜对比观测资料的干扰快速识别提供基础资料及参考依据。

1 台站基本情况

五指山形变台位于海南省五指山市冲山镇太平山山麓半山腰，该区域广泛出露二叠系花岗岩和三叠系花岗岩[10]。台站周围基岩裸露，观测硐室的台基为角闪黑云二长花岗岩，厚度较大，约40 m。基岩性坚硬完整、致密均匀，测点周边观测环境也较为稳定。距五指山形变台10 km处有一条隐伏平移断层，而尖峰—吊罗深大断裂带距台站约25 km。五指山形变台观测山洞周边无居民区，年平均气温22.4 ℃，年平均气压977.9 hPa，年平均降雨量1 690 mm。台站为无人值守台站，观测山洞由部队防空洞改建。其中DSQ水管倾斜仪和SSY铟瓦棒伸缩仪布设在主洞室内，两者相同分量的仪器部件平行布设且共用同一槽体，而VP垂直摆则布设在主洞室南侧的侧洞室(图1)。气象三要素综合观测仪架设于距台站2.4 km处五指山市地震局，观测环境稳定。

图1 五指山台站构造位置及仪器布设情况

2 观测资料特征分析

2.1 应变资料分析

五指山形变台洞体应变(SS-Y铟瓦棒伸缩仪)连续性较好，主要受到观测洞室潮湿影响，北南向的前置盒容易故障会导致数据不稳定，东西向数据质量较好。从应变观测曲线(图2)来看，该仪器北南向原始观测曲线记录到的固体潮形态较好，日均值年变规律不太清晰，总体变化趋势向北，持续至今；东西向原始观测曲线与北南向类似，日均值年变规律同样不明显，记录到的固体潮形态较好，总体变化趋势向东，持续至今。

图2 五指山形变台伸缩仪观测曲线

2.2 倾斜资料分析

五指山形变台水管倾斜仪观测曲线连续性较好，稳定性较差。从观测曲线图(图3)来看，2017年长期处于缓降的状态。此变化现象已多次邀请专家到现场排查，但未找出下降原因。最后经多方排除，认为2017年5月出现的破年变异常真实存在，截止至今的持续下降变化可能与仪器的耦合特性及仪器本身性能有关。东西向数据稳定，日均值年变规律同样不明显，固体潮日变形态清晰。

图3 五指山形变台水管倾斜仪观测曲线

五指山形变台宽频带倾斜仪观测曲线线连续性较好，稳定性较差。从观测曲线(图4)来看，该仪器北南向常年受到零漂影响多次造成超量程故障，缺记数据较多，曲线不稳定，未出现趋势改变或者转折异常。东西向较北南向数据稳定，日均值年变规律同样不明显，固体潮日变形态清晰。

图4 五指山形变台VP宽频带倾斜仪观测曲线

3 气象三要素对比分析

两种倾斜仪观测资料与温度和气压的相关性存在差异[10]。选择五指山台的三套仪器对比观测资料进行温度、气压和降雨的相关性分析，选择数据连续性较好的2019年和2019年2月的观测资料，对不同尺度的观测资料先进行去趋势分析，然后通过月尺度和年尺度的相关分析结果对比三套仪器受温度、气压和降雨的影响程度。

聚类分析软件SPASS是世界上最早的统计分析软件，其中相关分析考察的是两个连续变量的相关关系，相关系数能够数字的方式准确描述变量间的线性相关程度。一般来说，如果两个变量的变化趋势同向，则它们之间的关系称为正线性相关；反之，称为负相关关系。

以下通过SPASS对不同尺度的观测资料与温度、气压、降雨做相关性分析。以温度、气压、降雨为变量x，以观测值为变量y，计算Perason相关系数r，其取值范围r为-1～1，r的绝对值表示两变量之间线性相关的密切程度，r的绝对值越接近于1，说明密切程度越高；r的绝对值越接近于0，说明密切程度越低。Perason积矩相关系数的计算公式为：

(1)

式中，n为样本数。根据以上计算公式，得到五指山台2019年和2019年2月观测资料与温度、气压、降雨的相关系数r，结果见表1。

表1 五指山台三套仪器与气温、气压及降雨的相关关系

如表1所示，在月尺度上垂直摆倾斜仪及伸缩仪北南分量与温度均无相关关系，水管倾斜仪与温度存在偏弱的负相关关系，r值为-0.215。三套仪器东西分量均与温度存在相关关系：水管倾斜仪东西分量与温度存在中等偏弱的负相关关系，r值为-0.398；垂直摆倾斜仪东西分量与温度存在很强的正相关，r值达到0.88，相关关系显著；伸缩仪东西分量与温度存在中等程度的正相关关系，r值为0.414。

水管倾斜仪仅北南分量与气压存在相关关系，r值为0.332。垂直摆倾斜仪两分量与气压存在较弱相关关系，相关系数均较低。伸缩仪北南和东西分量与气压均无相关关系。

三套仪器在月尺度上均与降雨无相关关系，可能是与选择观测资料时间段有关。2019年2月份降雨量仅为19.6 mm。

在年尺度上水管倾斜仪北南和东西两个分量与温度存在中等程度偏弱的正相关关系r值分别达到0.247和0.359。垂直摆倾斜仪北南和东西两个分量与温度存在很强的负相关，r值分别达到-0.583和-0.794，相关关系显著。伸缩仪北南和东西两个分量均与温度无相关关系。

在与气压的相关性分析中发现水管倾斜仪北南和东西分量与气压存在很弱的正相关，r值分别为仅为0.174和0.1；垂直摆倾斜仪北南和东西两个分量与气压均存在较弱的相关关系，r值分别为为-0.153和-0.126。伸缩仪北南和东西分量与气压均无相关关系。

在与降雨的相关性分析中发现水管倾斜仪北南分量与降雨存在中等轻度的相关关系，r值为0.47，东西分量与降雨无相关关系。垂直摆倾斜仪北南和东西两个分量与温度存在中等强度的负相关，r值分别达到-0.53和-0.359。伸缩仪仅北南分量与降雨存在较弱的负相关关系，r值为-0.194，东西分量与降雨无相关关系。

4 结论与讨论

通过对海南五指山地震台硐室形变观测系统与温度、气压、降雨的相关性进行分析，得到以下结论：

(1)水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪和伸缩仪与气压的相关性均较弱，倾斜仪器与温度均存在较强的相关性，且垂直摆倾斜仪与温度的r值远大于水管倾斜仪。

(2)垂直摆倾斜仪受降雨影响的r值最大，水管倾斜仪与伸缩仪北南分量次之，东西分量均不受降雨影响。

该研究结果对于准确排除干扰，更好地提取地震前兆异常具有现实意义，对于倾斜仪器可以建议增加湿度计，分析洞室湿度变化对观测数据的影响，尽可能排除干扰；当三套仪器观测曲线趋势改变时，在异常核实过程中要首先核实是否与气象三要素同步变化，从而排除气象因素干扰的可能性。