摘要：為研究同一臺站，同一物理量，以不同觀測方式獲取資料的一致性，選取溫泉老臺水平擺和垂直擺為研究對象，研究在不同頻段觀測數(shù)據(jù)的一致性與干擾異常的響應(yīng)特征。分析結(jié)果表明：溫泉水平擺與垂直擺觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精度高，固體潮記錄清晰，在半日波、日波頻段相同分向具有較強(qiáng)的一致性；分鐘值至潮汐頻段，溫泉水平擺與垂直擺觀測數(shù)據(jù)一致性較差，觀測數(shù)據(jù)主要包含的是自身屬性信息；年周期頻段，溫泉水平擺、垂直擺在EW向兩者相位差約41天；NS向相位差約14天，相位均滯后于氣溫。在考慮相位滯后的情況下，溫泉水平擺與垂直擺觀測一致性較好，均與氣溫線性相關(guān)，故氣溫是溫泉水平擺、垂直擺年周期頻段的主要影響因素。

關(guān)鍵詞： 垂直擺； 水平擺； 譜分析； 相關(guān)系數(shù)； 散點圖

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.011

地殼定點形變觀測在地學(xué)研究中有著極其廣泛的應(yīng)用，定點形變觀測數(shù)據(jù)是研究地球內(nèi)部活動和地球動力學(xué)的重要依據(jù)［1］。地傾斜觀測作為重要的地球物理觀測手段，在地震分析預(yù)報中發(fā)揮了非常重要的作用。定點形變觀測在中國經(jīng)過60多年的發(fā)展，形成了具有一定規(guī)模的觀測臺網(wǎng)，觀測量有連續(xù)應(yīng)變速率、方向變化、傾斜、應(yīng)變、固體潮等，在地震學(xué)研究與地震預(yù)測中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是近幾十年的小動態(tài)和正在進(jìn)行的微動態(tài)觀測，對人類的影響越直接、越重要［2］。

地傾斜觀測是監(jiān)測地殼表面傾斜隨時間的變化［3］，觀測儀器的靈敏度可以達(dá)到10-9 rad，足以探測到固體潮以及更高頻的微小變化［4-6］，然而，影響定點形變觀測的因素有很多，如何區(qū)分干擾和異常成為準(zhǔn)確識別異常的關(guān)鍵問題［7-9］。同時，不同觀測儀器有其固有的屬性，所以即便是觀測相同的物理量，其觀測數(shù)據(jù)也不可避免有其自身的特征。

地傾斜觀測儀器類型有擺式傾斜儀、基線式傾斜儀、洞體傾斜、鉆孔傾斜，其中擺式傾斜儀包括水平擺和垂直擺。2000年前后，隨著數(shù)字化前兆臺網(wǎng)的改造，數(shù)字化觀測儀器逐漸代替了原有的模擬觀測［10-13］，其后，許多臺站開始在同臺或同一區(qū)域內(nèi)架設(shè)不同類型的地傾斜觀測儀器。同一臺站或同一區(qū)域不同型號的傾斜儀數(shù)據(jù)反映了地球物理場變化或同源干擾信息，觀測結(jié)果能夠相互佐證，干擾異常特征應(yīng)具有一致。因此，研究同臺、同一區(qū)域觀測數(shù)據(jù)的一致性具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義［14-17］。

趙慧琴2017年對易縣地震臺形變資料的一致性及差異性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明易縣地震臺形變觀測數(shù)據(jù)間缺少整體性的協(xié)調(diào)對應(yīng)關(guān)系［18］；曹白倫以云縣地震臺SQ水平擺與VP垂直擺的數(shù)據(jù)為研究對象，從數(shù)據(jù)的完整率、年變幅度和曲線形態(tài)特征等角度出發(fā)進(jìn)行對比分析［19］。本研究選取溫泉水平擺、垂直擺為研究對象，從觀測數(shù)據(jù)頻域特征和干擾異常特征等方面出發(fā)，對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果對認(rèn)識觀測數(shù)據(jù)的物理意義，識別地震前兆異常具有現(xiàn)實意義。

1 臺站及觀測儀器介紹

溫泉地震臺（44.96°N，81.01°E）建設(shè)于1977年，地處溫泉縣西郊，占地26畝。溫泉水平擺、垂直擺觀測山洞位于溫泉老臺南400 m，處在準(zhǔn)噶爾盆地的西側(cè)。臺基巖性為花崗巖，高程為1 416 m，覆蓋層厚30～40 m，洞深37 m，被覆的巖層存在小裂隙，每年春季融雪、夏天降雨會有少量水滲入洞中，所以洞內(nèi)濕度較大，達(dá)到98%，洞內(nèi)溫度年溫差小于1.2 ℃，日溫差小于0.1 ℃。溫泉水平擺自1986年開始觀測，于2007年12月進(jìn)行了“十五”數(shù)字化改造，數(shù)字化改造后的儀器型號為SQQ-II型數(shù)字化石英水平擺傾斜儀［20］。溫泉垂直擺自2019年底開始觀測，儀器型號為VP型垂直擺。觀測實踐表明，溫泉水平擺、垂直擺觀測曲線光滑，固體潮清晰，觀測數(shù)據(jù)可靠，資料的連續(xù)率、完整率可達(dá)99.9%。

2 觀測數(shù)據(jù)分析

2.1 趨勢變化特征一致性分析

繪制溫泉水平擺、垂直擺觀測數(shù)據(jù)時序曲線（圖1）。由圖1可知，溫泉水平擺兩分量年變形態(tài)清晰，NS向趨勢性S傾，EW向趨勢W傾；溫泉垂直擺NS向年變形態(tài)不清晰，但保持趨勢性S傾，而EW向年變形態(tài)清晰，自2020年1月至2021年4月保持趨勢西傾，年變轉(zhuǎn)向后至今保持趨勢東傾。觀測實際表明，溫泉水平擺與垂直擺在趨勢性變化上缺少整體性的協(xié)調(diào)對應(yīng)關(guān)系。

2.2 頻域特征一致性分析

頻域分析法就是根據(jù)信號的頻域描述，對信號的組成及特征量進(jìn)行分析和估計，是在分析系統(tǒng)性能時常用的方法之一。相對于時域分析法來說，頻域分析法更加方便快捷［21］，通過頻域分析可以確定信號中含有的頻率組成分及頻率分布范圍［22-23］。為了研究溫泉水平擺、垂直擺頻域特征的一致性，本研究選取2020年1月至2023年9月的溫泉水平擺、垂直擺小時值觀測數(shù)據(jù)，利用快速傅里葉變換分析其頻域特征（圖2）。結(jié)合圖2、3可以看出，溫泉水平擺與垂直擺觀測數(shù)據(jù)各分量具有相同的頻域特征，主要包含日波O1、半日波M2等潮汐頻段及年周期等頻段的信息。

2.3 潮汐頻段的一致性

為了研究溫泉水平擺、垂直擺在潮汐頻段的一致性，本研究選用比爾采夫低通濾波，分離出溫泉水平擺、垂直擺的日波、半日波。并在日波、半日波頻段對溫泉水平擺、垂直擺相同分量之間進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表1。由表1及圖3可知，溫泉水平擺與垂直擺相同分量具有較高的相關(guān)系數(shù)，且均與理論固體潮具有較高的相關(guān)系數(shù)，說明溫泉水平擺與垂直擺各分量記錄固體潮清晰，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，具有較強(qiáng)的一致性。

2.4 年周期頻段一致性分析及影響因素

綜合圖1、圖2，溫泉水平擺、垂直擺均具有年周期變化，相位之間有差異。統(tǒng)計溫泉水平擺、垂直擺之間的相位差及各分量與氣溫之間的相位差，并在考慮相位差的基礎(chǔ)上，在年周期頻段進(jìn)行相關(guān)性分析。相位差及相關(guān)性分析統(tǒng)計結(jié)果見表2，繪制散點圖（圖4）。由表2可知，在EW向，溫泉水平擺相位滯后垂直擺41天；在NS向，溫泉垂直擺相位滯后水平擺14天。再結(jié)合圖4可知，在考慮相位滯后的情況下，溫泉水平擺與垂直擺觀測一致性較好，它們均與氣溫具有較高的線性相關(guān)性。為了進(jìn)一步研究溫泉地傾斜與溫度的關(guān)系，記溫泉地傾斜為y，溫泉溫度為x，結(jié)合表2及圖4，對其進(jìn)行線性回歸分析，其回歸分析結(jié)果見表3。

由表2、表3及圖5可知，在剔除溫度對溫泉水平擺、垂直擺各分量的影響之后，其年變形態(tài)基本消失，故溫度是溫泉水平擺、垂直擺各分量年周期頻段主要影響因素。

2.5 高頻段信息一致性分析及影響因素

上述研究是基于整點值研究的潮汐頻段至數(shù)年的變化。隨著觀測采樣率的提高，地傾斜觀測可以進(jìn)行分鐘值、秒值甚至更高頻率采樣的觀測［1］。為了進(jìn)一步研究分鐘值潮汐頻段溫泉地傾斜觀測的一致性。不失一般性，選取溫泉水平擺、垂直擺2023年觀測數(shù)據(jù)為研究對象，選用db小波基，利用小波分析，將數(shù)據(jù)分解成10個頻段，并在相應(yīng)頻段進(jìn)行相關(guān)性關(guān)系分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，溫泉水平擺與垂直擺NS向在256～1 024 min頻段、EW向在512～2 048 min頻段具有較強(qiáng)的一致性，而且近似處恰好在潮汐頻段，這進(jìn)一步說明溫泉水平擺與垂直擺在潮汐頻段的一致性。溫泉水平擺NS向、EW向在64～256 min頻段與氣壓相關(guān)系數(shù)趨近相等，這表明在該頻段溫泉水平擺變化可能受到氣壓的影響較大。

3 結(jié)論與討論

地震監(jiān)測預(yù)報的實踐表明，同一臺站多種地球物理觀測手段的同步觀測是發(fā)現(xiàn)地震群體性和配套性異常的觀測基礎(chǔ)，是判斷干擾的佐證［13］，而同一臺站同一物理量觀測的一致性對異常的識別和干擾的驗證具有重要意義。

本研究的分析結(jié)果表明溫泉水平擺與垂直擺觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精度高，固體潮記錄清晰，在半日波、日波頻段相同分向具有較強(qiáng)的一致性。在分鐘值至潮汐頻段，溫泉水平擺與垂直擺觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性不高，有其自身的屬性。溫泉水平擺在128～512 min頻段與氣壓線性相關(guān)，而垂直擺在該頻段卻沒有，本研究認(rèn)為這可能由不同儀器對干擾因素的響應(yīng)特征不同所致。

地形造成的熱匯聚和熱發(fā)散會使得地下的溫度分布不均勻，而不均勻的熱脹冷縮會導(dǎo)致地傾斜復(fù)雜變化，研究表明，當(dāng)洞室中溫度年變化幅度0.2 ℃時，仍會引起量級為1×10-7 rad的地傾斜變化［24］，并且在洞室的盡頭和拐彎處由于熱匯聚和熱擴(kuò)散的作用引起地傾斜的變化更為突出。在半無限的空間，當(dāng)?shù)乇頊囟茸髡易兓瘯r，深度y處溫度波動為［19］

T=ΔTe-ydsin（ωt-φ）

式中：ΔT為地表氣溫變化幅度，φ=yω/2k為地表溫度與深度為y處溫度的相位差。

因此，溫泉水平擺、垂直擺各分向在年周期頻段相位滯后于氣溫，而不同測項之間相位滯后的差異與觀測儀器在觀測山洞所處的位置有關(guān)。在考慮相位滯后的條件下，溫泉水平擺與垂直擺與氣溫具有較高的線性相關(guān)性，說明它們在年周期變化的是一致的，其影響因素為氣溫。

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COMPARATIVE ANALYSIS OF OBSERVATIONAL DATA

FROM HORIZONTAL AND VERTICAL

PENDULUMS IN WENQUAN

ZHOU Bin， LI Jiao， ZHU Wen-zhen， LI Xiao-dong， BI Hui-juan

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： In order to study the consistency of data obtained by different observation methods at the same station and the same physical quantity， the horizontal pendulum and vertical pendulum of the hot spring old station are selected as the research objects to study the consistency of observation data and the response characteristics of interference anomalies in different frequency bands. The analysis results show that the observation data of horizontal pendulum and vertical pendulum of hot spring are stable and accurate， the solid tide record is clear， and there is strong consistency in the same direction of semi-diurnal wave and daily wave frequency bands. From the minute value to the tidal frequency band， the observation data of the horizontal pendulum and the vertical pendulum of the hot spring are inconsistent， and the observation data mainly contain their own attribute information ; in the annual periodic frequency band， the phase difference between the horizontal pendulum and the vertical pendulum in the EW direction is about 41 days. The phase difference in NS direction is about 14 days， and the phase lags behind the temperature. Considering the phase lag， the horizontal pendulum and vertical pendulum observations of hot springs are in good agreement， and both are linearly related to the temperature. Therefore， the temperature is the main influencing factor of the annual periodic frequency band of the horizontal pendulum and vertical pendulum of hot springs.

Key words： Vertical pendulum; Horizontal pendulum; Spectral analysis; Correlation; Scatter diagram