Analyses on observation data of quartz horizontal pendulum tiltmeter at the seismic station Bayanhot，Inner Mongolia
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摘要:
为了探究内蒙古巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪观测到的背景场、固体潮、同震响应等特征对远震、近震响应的差异性，本文采用Q-Q分析、密度分析和小波分析等方法对该地震台石英水平摆倾斜仪在2015至2018年记录到的五个典型震例进行了系统分析。结果显示，近震发生前，Q-Q图和密度图中的背景场呈现明显的调整过程。此外，对本文典型震例的小波分析结果表明，石英水平摆倾斜仪所观测到的数据能够有效地识别出震前背景场扰动的高频信号，可以为周边地区中强震预测提供较好的参考。
Abstract:In order to explore the difference in the response of the background field, earth tide, coseismic response to distant earthquakes and near earthquakes, this paper systematically analyzed five earthquake cases recorded by the horizontal pendulum tiltmeter at the seismic station Bayanhot from 2015 to 2018 by the methods of Q-Q analysis, density analysis, and wavelet analysis. The result shows that the Q-Q graph and density graph of the crustal tilt at the station Bayanhot appear as an apparent adjustment process before near earthquake. Moreover, the wavelet analysis result shows that high frequency signals of background filed disturbance can be identified in the observation data recorded by horizontal pendulum tiltmeter, which can provide reference for prediction of the moderate and strong earthquakes in the surrounding areas.
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引言
在地震孕育的整个过程中均伴随着地壳形变的演化（王永安等，2003），地壳形变观测能定量地监测到地震发生前后地壳变形（位移、速度、加速度、应变、倾斜、蠕滑）、重力和介质物性（密度、勒夫数）的空间分布及其随时间的变化，因此地壳形变观测与测震一样，被认为是最直接的地球物理场观测手段，是地震预测必不可缺的基础数据，但由于各观测区域背景场和仪器设备不同等原因，观测数据的异常形态不同，特征值不统一，这给数据分析带来了较大的困难。如何判定观测区域的地震异常、提高数据异常的可信度，一直是地震预测的重要任务。
一套地壳形变观测仪的观测质量不仅取决于其观测精度，还取决于观测区域的地理环境。内蒙古巴彦浩特地震台位于贺兰山西麓断层以东5 km，地理坐标为（38.8°N，105.7°E），海拔高度为1 664 m，构造上隶属于阿拉善地块。阿拉善地块（杨振德等，1988）西南向为青藏地块和祁连山褶皱带，东向为鄂尔多斯地块，北向为蒙古地块，南向为银川盆地，处于巴彦浩特断裂、正谊关断裂和贺兰山东麓断裂的围绕之中（图1）。基于GPS的研究结果（江在森等，2001；Wang et al，2001；邓起东等，2002；张培震等，2003）显示，阿拉善地块主要受到青藏地块东北方向的应力挤压，表现为左旋特征。阿拉善地块作为相对完整的地质单元，地块内活动断裂规模不大，但围绕着地块分界线存在许多规模宏大的构造体系，这些体系构成了阿拉善弧形构造体系（杨雨，1978），而阿拉善弧形构造体系及周边是我国中强地震的主要活动区域之一（王庆良，1992）。
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图 1 巴彦浩特地震台位置及周边断裂分布（修改自吴桂桔等，2020）图F1：正谊关断裂；F2：巴彦浩特断裂；F3：贺兰山西麓断裂；F4：贺兰山东麓断裂；F5：芦花台断裂；F6：银川断裂；F7：黄河断裂Figure 1. Location of the seismic station Bayanhot and distribution of faults arrounding the stationF1：Zhengyiguan fault；F2：Bayanhot fault；F3：Western Helan mountain piedmont fault；F4：Eastern Helan mountain piedmont fault；F5：Luhuatai fault；F6：Yinchuan fault；F7：Yellow River fault本文将以巴彦浩特地震台SSQ-2Ⅰ型数字水平摆倾斜仪记录到的震例数据为基础，结合观测区的区域特点，综合运用Q-Q分析、密度分析和小波分析法，多角度对数据予以分析，进一步探查该地震台石英水平摆倾斜仪观测数据的异常特征，以期提高数据异常的可信度。
1. 台站概况
巴彦浩特地震台位于内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗巴彦浩特镇，SSQ-2Ⅰ 型数字水平摆倾斜仪放置在该地震台的综合观测洞内。该洞深60 m，覆盖层厚40 m，台基岩性为第三系红泥岩，洞室日温差小于0.01 ℃，年温差小于0.11 ℃，洞室密封条件较好，符合观测规范（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2004）要求。该倾斜仪于2011年8月安装完毕，2012年1月开始正式观测，有南北、东西两个测项，具有灵敏度高、稳定性好、动态范围大、抗干扰能力强等优点，分辨率高于0.000 5″，动态范围大于80 dB，零漂率≤2 s/a，非线性度≤0.8%，量程≥2″，南北向、东西向的格值分别保持在0.787—0.789 ms/mV和0.601—0.602 ms/mV范围之内，仪器格值也符合规范（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2004）要求。
SSQ-2Ⅰ 型数字水平摆倾斜仪正式观测以来运行良好，两分项观测精度较高，数据稳定性好，能够清晰地记录潮汐形态。南北向地倾斜主要向南倾斜，东西向地倾斜主要向西倾斜并于2015年年底开始呈趋势性反向，南北向倾斜速率相比东西向较快。图2给出了石英水平摆倾斜仪2012年1月1日至2018年6月1日的记录曲线。
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图 2 巴彦浩特台石英水平摆倾斜仪2012—2018年记录到的南北向、东西向地倾斜数据Figure 2. Crustal tilt data in north-south and east-west directions recorded by quartz horizontal pendulum tiltmeter at the station Bayanhot from 2012 to 2018（a） 2012-01-01—2014-12-31；（b） 2015-01-01—2018-06-301. 台站概况
巴彦浩特地震台位于内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗巴彦浩特镇，SSQ-2Ⅰ 型数字水平摆倾斜仪放置在该地震台的综合观测洞内。该洞深60 m，覆盖层厚40 m，台基岩性为第三系红泥岩，洞室日温差小于0.01 ℃，年温差小于0.11 ℃，洞室密封条件较好，符合观测规范（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2004）要求。该倾斜仪于2011年8月安装完毕，2012年1月开始正式观测，有南北、东西两个测项，具有灵敏度高、稳定性好、动态范围大、抗干扰能力强等优点，分辨率高于0.000 5″，动态范围大于80 dB，零漂率≤2 s/a，非线性度≤0.8%，量程≥2″，南北向、东西向的格值分别保持在0.787—0.789 ms/mV和0.601—0.602 ms/mV范围之内，仪器格值也符合规范（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2004）要求。
SSQ-2Ⅰ 型数字水平摆倾斜仪正式观测以来运行良好，两分项观测精度较高，数据稳定性好，能够清晰地记录潮汐形态。南北向地倾斜主要向南倾斜，东西向地倾斜主要向西倾斜并于2015年年底开始呈趋势性反向，南北向倾斜速率相比东西向较快。图2给出了石英水平摆倾斜仪2012年1月1日至2018年6月1日的记录曲线。
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图 2 巴彦浩特台石英水平摆倾斜仪2012—2018年记录到的南北向、东西向地倾斜数据Figure 2. Crustal tilt data in north-south and east-west directions recorded by quartz horizontal pendulum tiltmeter at the station Bayanhot from 2012 to 2018（a） 2012-01-01—2014-12-31；（b） 2015-01-01—2018-06-302. 分析方法
地球物理场观测数据记录过程中，经常会受到诸如仪器零漂、周边环境、人为因素、同震效应等因素的影响，从而造成数据曲线的突跳、畸变等干扰。按照地倾斜观测规范DB/T 45—2012 （中国地震局，2012），虽然有些干扰可不予处理，但这些信息的存在会使震前的一些短临趋势不易识别（刘水莲等，2010），因而需要通过一定的手段予以分析处理使得异常更为突出。本文将使用Q-Q图、密度分析和小波分析等三种方法对巴彦浩特地震台2015—2018年的几个震例进行综合分析，系统地给出地球物理场观测数据的响应特征。
Q-Q图为一种散点图，正态分布的Q-Q图是以标准正态分布的分位数为横坐标、石英水平摆南北向和东西向数据分别为纵坐标的散点图。欲通过Q-Q图鉴定石英水平摆南北向和东西向数据是否近似呈正态分布，只需观察Q-Q图上的点是否近似在一条直线附近即可，该直线的斜率为标准差，截距为均值。此外，通过Q-Q图还可以获得样本偏度和峰度的粗略信息（王学仁，王松佳，1990）。
二维核密度分析方法是将观测数据中的点或线生成连续表面，从中找出点或线比较集中的区域，根据输入要素计算整个区域的数据聚集状况。
小波分析是20世纪80年代发展起来的可同时进行时间域和频率域分析的方法，能揭示信号不同时刻的频率特征，在信号分析、语音合成、图象识别、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，周蕙兰，1998）。本文选取平稳小波变换分析，对数据进行6—8阶分析，提取有效因子。
2. 分析方法
地球物理场观测数据记录过程中，经常会受到诸如仪器零漂、周边环境、人为因素、同震效应等因素的影响，从而造成数据曲线的突跳、畸变等干扰。按照地倾斜观测规范DB/T 45—2012 （中国地震局，2012），虽然有些干扰可不予处理，但这些信息的存在会使震前的一些短临趋势不易识别（刘水莲等，2010），因而需要通过一定的手段予以分析处理使得异常更为突出。本文将使用Q-Q图、密度分析和小波分析等三种方法对巴彦浩特地震台2015—2018年的几个震例进行综合分析，系统地给出地球物理场观测数据的响应特征。
Q-Q图为一种散点图，正态分布的Q-Q图是以标准正态分布的分位数为横坐标、石英水平摆南北向和东西向数据分别为纵坐标的散点图。欲通过Q-Q图鉴定石英水平摆南北向和东西向数据是否近似呈正态分布，只需观察Q-Q图上的点是否近似在一条直线附近即可，该直线的斜率为标准差，截距为均值。此外，通过Q-Q图还可以获得样本偏度和峰度的粗略信息（王学仁，王松佳，1990）。
二维核密度分析方法是将观测数据中的点或线生成连续表面，从中找出点或线比较集中的区域，根据输入要素计算整个区域的数据聚集状况。
小波分析是20世纪80年代发展起来的可同时进行时间域和频率域分析的方法，能揭示信号不同时刻的频率特征，在信号分析、语音合成、图象识别、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，周蕙兰，1998）。本文选取平稳小波变换分析，对数据进行6—8阶分析，提取有效因子。
3. 典型震例分析
在石英水平摆倾斜仪进行观测期间，记录到较多地震异常，本文选取其中5个有代表性的震例进行分析，各震例的具体情况列于表1.
表 1 巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪记录到的5个典型震例详情Table 1. Details of five earthquakes recorded by the quartz horizontal pendulum tiltmeter at the station Bayanhot序号 发震时间
年-月-日地点 北纬/° 东经/° 震中距/km 1 2015-04-15 阿拉善左旗巴彦木仁苏木 39.80 106.30 115 2 2017-06-03 阿拉善左旗额尔克哈什哈苏木 37.99 103.56 212 3 2017-08-08 四川九寨沟阿坝县 33.20 103.82 650 4 2017-09-02 宁夏自治区固原市原州区 36.28 106.01 289 5 2016-01-21 青海省海北州门源县 37.68 101.62 383 3. 典型震例分析
在石英水平摆倾斜仪进行观测期间，记录到较多地震异常，本文选取其中5个有代表性的震例进行分析，各震例的具体情况列于表1.
表 1 巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪记录到的5个典型震例详情Table 1. Details of five earthquakes recorded by the quartz horizontal pendulum tiltmeter at the station Bayanhot序号 发震时间
年-月-日地点 北纬/° 东经/° 震中距/km 1 2015-04-15 阿拉善左旗巴彦木仁苏木 39.80 106.30 115 2 2017-06-03 阿拉善左旗额尔克哈什哈苏木 37.99 103.56 212 3 2017-08-08 四川九寨沟阿坝县 33.20 103.82 650 4 2017-09-02 宁夏自治区固原市原州区 36.28 106.01 289 5 2016-01-21 青海省海北州门源县 37.68 101.62 383 3.1 地倾斜观测数据异常特征
图3—8给出了5个震例发生前后地倾斜的变化曲线。由图3可见：南北测向2015年3月28—31日南倾加速0.654″，并伴有畸变；3月31日中午开始快速北倾反向；至4月13日，北倾2″多；南北测向大幅异常出现19天后，4月15日发生了巴彦木仁MS5.8地震。东西测向3月27日至31日东倾反向0.028″，相对南北测向其震兆反应不明显。
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图 3 2015年4月15日巴彦木仁MS5.8地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线Figure 3. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Bayanmuren MS5.8 earthquake on April 15，2015![]()
图 8 门源MS6.4地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜异常变化曲线（右侧为部分放大图）Figure 8. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Menyuan MS6.4 earthquake （on the right is a partial enlarged view）由图4所示的石英水平摆倾斜仪记录到的数据可见：2017年5月初开始，南北测向表现出改变南倾趋势，反向北倾，出现明显的地震前兆异常。在异常发展过程中相继发生了6月3日阿拉善左旗额尔克哈什哈MS5.0地震、8月8日四川九寨沟MS7.0地震和9月2日宁夏固原MS4.6地震。之后，地倾斜曲线开始恢复南倾正常变化形态。为了更直观地分析这次异常，本文将数据按照地震发生时间分为3个时段，分别进行对比研究。
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图 4 2017年3—9月期间南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线Figure 4. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions from March to September of 20172017年6月3日内蒙古自治区阿拉善左旗额尔克哈什哈（37.99°N，103.56°E）发生MS5.0地震，震中距为212 km。地倾斜数据异常变化过程为：南北测向2017年5月8日至5月30日北倾反向0.041″，5月30日至6月2日南倾加速0.048″，6月2日至3日北倾反向0.016″，6月2日伴有大幅毛刺；东西测向5月30日至6月2日东倾反向0.02″，6月2日至3日西倾0.012″，6月2日与南北向同步出现小突跳。6月3日当天发生了额尔克哈什哈MS5.0地震（图5）。
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图 5 2017年6月3日额尔克哈什哈MS5.0地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线Figure 5. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Erkehashiha MS5.0 earthquake on June 3，20172017年8月8日四川九寨沟阿坝县（33.20°N，103.82°E）发生MS7.0地震，震中距为650 km。地倾斜数据异常变化过程为：南北测向6月5日至8月7日共反向0.353″，其中7月13日至14日快速北倾加速0.087″；南北向数据7月31日至8月8日震前短时期出现毛刺，7月31日毛刺密集，8月1日、6日、7日出现大幅毛刺、突跳，7月31日至8月1日北倾0.021″，8月1日至2日南倾加速0.012″，8月2日至7日北倾0.019″，8月7日至8日南倾加速0.024″；东西测向7月31日至8月8日出现毛刺，其中7月31日至8月1日毛刺密集，8月7日、8日出现大幅毛刺和突跳；8月8日发生四川阿坝州九寨沟县MS7.0地震（图6）。
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图 6 九寨沟MS7.0地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线（右侧为部分放大图）Figure 6. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake （on the right is a partial enlarged view）2017年9月2日宁夏自治区固原市原州区（36.28°N，106.01°E）发生MS4.6地震，震中距为289 km。地倾斜数据异常的变化过程为：8月13日两个测向均开始出现密集毛刺，南北测向18日至22日北倾反向0.043″，22日至27日南倾恢复0.043″，27日至28日北倾0.009″，在恢复的过程中发生9月2日固原MS4.6地震；东西测向一直呈现东倾趋势（图7）。
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图 7 固原MS4.6地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜数据变化曲线（右侧为部分放大图）Figure 7. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Guyuan MS4.6 earthquake （on the right is a partial enlarged view）由图8所示的石英水平摆倾斜仪记录到的地倾斜数据可见：南北测向1月15日至21日出现毛刺、畸变，19日至20日北倾加速0.025″，潮汐形态模糊；东西测向1月15日至21日出现密集毛刺、畸变；1月21日发生青海门源MS6.4地震。
3.1 地倾斜观测数据异常特征
图3—8给出了5个震例发生前后地倾斜的变化曲线。由图3可见：南北测向2015年3月28—31日南倾加速0.654″，并伴有畸变；3月31日中午开始快速北倾反向；至4月13日，北倾2″多；南北测向大幅异常出现19天后，4月15日发生了巴彦木仁MS5.8地震。东西测向3月27日至31日东倾反向0.028″，相对南北测向其震兆反应不明显。
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图 3 2015年4月15日巴彦木仁MS5.8地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线Figure 3. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Bayanmuren MS5.8 earthquake on April 15，2015![]()
图 8 门源MS6.4地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜异常变化曲线（右侧为部分放大图）Figure 8. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Menyuan MS6.4 earthquake （on the right is a partial enlarged view）由图4所示的石英水平摆倾斜仪记录到的数据可见：2017年5月初开始，南北测向表现出改变南倾趋势，反向北倾，出现明显的地震前兆异常。在异常发展过程中相继发生了6月3日阿拉善左旗额尔克哈什哈MS5.0地震、8月8日四川九寨沟MS7.0地震和9月2日宁夏固原MS4.6地震。之后，地倾斜曲线开始恢复南倾正常变化形态。为了更直观地分析这次异常，本文将数据按照地震发生时间分为3个时段，分别进行对比研究。
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图 4 2017年3—9月期间南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线Figure 4. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions from March to September of 20172017年6月3日内蒙古自治区阿拉善左旗额尔克哈什哈（37.99°N，103.56°E）发生MS5.0地震，震中距为212 km。地倾斜数据异常变化过程为：南北测向2017年5月8日至5月30日北倾反向0.041″，5月30日至6月2日南倾加速0.048″，6月2日至3日北倾反向0.016″，6月2日伴有大幅毛刺；东西测向5月30日至6月2日东倾反向0.02″，6月2日至3日西倾0.012″，6月2日与南北向同步出现小突跳。6月3日当天发生了额尔克哈什哈MS5.0地震（图5）。
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图 5 2017年6月3日额尔克哈什哈MS5.0地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线Figure 5. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Erkehashiha MS5.0 earthquake on June 3，20172017年8月8日四川九寨沟阿坝县（33.20°N，103.82°E）发生MS7.0地震，震中距为650 km。地倾斜数据异常变化过程为：南北测向6月5日至8月7日共反向0.353″，其中7月13日至14日快速北倾加速0.087″；南北向数据7月31日至8月8日震前短时期出现毛刺，7月31日毛刺密集，8月1日、6日、7日出现大幅毛刺、突跳，7月31日至8月1日北倾0.021″，8月1日至2日南倾加速0.012″，8月2日至7日北倾0.019″，8月7日至8日南倾加速0.024″；东西测向7月31日至8月8日出现毛刺，其中7月31日至8月1日毛刺密集，8月7日、8日出现大幅毛刺和突跳；8月8日发生四川阿坝州九寨沟县MS7.0地震（图6）。
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图 6 九寨沟MS7.0地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线（右侧为部分放大图）Figure 6. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake （on the right is a partial enlarged view）2017年9月2日宁夏自治区固原市原州区（36.28°N，106.01°E）发生MS4.6地震，震中距为289 km。地倾斜数据异常的变化过程为：8月13日两个测向均开始出现密集毛刺，南北测向18日至22日北倾反向0.043″，22日至27日南倾恢复0.043″，27日至28日北倾0.009″，在恢复的过程中发生9月2日固原MS4.6地震；东西测向一直呈现东倾趋势（图7）。
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图 7 固原MS4.6地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜数据变化曲线（右侧为部分放大图）Figure 7. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Guyuan MS4.6 earthquake （on the right is a partial enlarged view）由图8所示的石英水平摆倾斜仪记录到的地倾斜数据可见：南北测向1月15日至21日出现毛刺、畸变，19日至20日北倾加速0.025″，潮汐形态模糊；东西测向1月15日至21日出现密集毛刺、畸变；1月21日发生青海门源MS6.4地震。
3.2 Q-Q图分析
以标准正态分布的分位数为横坐标、石英水平摆倾斜仪记录到的南北向和东西向数据分别为纵坐标进行绘图分析：若Q-Q图上的点近似分布于一条直线附近，则为背景场活动特征；若偏离则需要与数据记录进行对比，以判定是否为背景场的调整过程。
图9给出了分别对5个震例两测向进行Q-Q图分析的结果，可见，巴彦浩特地震台南北测向多处偏离，未完全呈正态分布，主要呈现两种形态，其一为有规律地上升或下降，其二为呈现曲折变化。经与各震例原始数据对比可知，规律分布形态反映了背景场的背景值，即无干扰时背景场的活动规律，曲折变化能充分地反映背景场的调整过程及同震响应情况，因此可以通过Q-Q分析进一步证实巴彦浩特地震台的地倾斜数据能监测到震前的异常反应，可信度较高，监测到的背景场调整形态可以对地震预测起到一定的指示作用。
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图 9 各震例南北、东西向数据Q-Q图分析结果（a） 巴彦木仁地震前后2015-03-20—2015-04-15期间；（b） 额尔克哈什哈地震前后2017-05-01—2017-06-04期间Figure 9. Q-Q analysis results of the data in the north-south and east-west directions for earthquake cases（a） The period from 20 March 2015 to 15 April 2015 around Bayanmuren earthquake；（b） The period from 1 May 2017 to 4 June 2017 around Elk Hashha earthquake![]()
图 9 各震例南北、东西向数据Q-Q图分析结果（c） 九寨沟地震前后2017-06-04—2017-08-10期间；（d） 固原地震前后2017-08-10—2017-09-02期间；（e） 门源地震前后2016-01-15—2016-01-21Figure 9. Q-Q analysis results of of the data in the north-south and east-west directions for earthquake cases（c） The period from 4 June 2017 to 10 August 2017 around Jiuzhaigou earthquake；（d） The period from 10 August 2017 to 2 September 2017 around Guyuan earthquake；（e） The period from January 15 to 21，2016 around Menyuan earthquake由图9还可以看到，东西向值主要呈正态分布，图形两端稍有偏离。对比偏离数据与原始数据的发现，这些偏离数据主要以同震响应为主，与巴彦浩特地震台东西向地倾斜数据呈现的反应一致，表明东西向数据对背景场的调整过程不敏感，因此东西向数据的Q-Q图主要反映的是背景场的背景值和同震响应情况，对背景场的调整过程反映得不明显。
由图9的Q-Q图分析还可以推断，阿拉善盟及周边地区发生中强震时，巴彦浩特地震台的石英水平摆倾斜仪能捕捉到背景场的调整过程，但对于远震则无法捕捉其调整过程，仅呈现背景场及同震响应，进一步证明了巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪所记录数据的可信度较高。
3.2 Q-Q图分析
以标准正态分布的分位数为横坐标、石英水平摆倾斜仪记录到的南北向和东西向数据分别为纵坐标进行绘图分析：若Q-Q图上的点近似分布于一条直线附近，则为背景场活动特征；若偏离则需要与数据记录进行对比，以判定是否为背景场的调整过程。
图9给出了分别对5个震例两测向进行Q-Q图分析的结果，可见，巴彦浩特地震台南北测向多处偏离，未完全呈正态分布，主要呈现两种形态，其一为有规律地上升或下降，其二为呈现曲折变化。经与各震例原始数据对比可知，规律分布形态反映了背景场的背景值，即无干扰时背景场的活动规律，曲折变化能充分地反映背景场的调整过程及同震响应情况，因此可以通过Q-Q分析进一步证实巴彦浩特地震台的地倾斜数据能监测到震前的异常反应，可信度较高，监测到的背景场调整形态可以对地震预测起到一定的指示作用。
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图 9 各震例南北、东西向数据Q-Q图分析结果（a） 巴彦木仁地震前后2015-03-20—2015-04-15期间；（b） 额尔克哈什哈地震前后2017-05-01—2017-06-04期间Figure 9. Q-Q analysis results of the data in the north-south and east-west directions for earthquake cases（a） The period from 20 March 2015 to 15 April 2015 around Bayanmuren earthquake；（b） The period from 1 May 2017 to 4 June 2017 around Elk Hashha earthquake![]()
图 9 各震例南北、东西向数据Q-Q图分析结果（c） 九寨沟地震前后2017-06-04—2017-08-10期间；（d） 固原地震前后2017-08-10—2017-09-02期间；（e） 门源地震前后2016-01-15—2016-01-21Figure 9. Q-Q analysis results of of the data in the north-south and east-west directions for earthquake cases（c） The period from 4 June 2017 to 10 August 2017 around Jiuzhaigou earthquake；（d） The period from 10 August 2017 to 2 September 2017 around Guyuan earthquake；（e） The period from January 15 to 21，2016 around Menyuan earthquake由图9还可以看到，东西向值主要呈正态分布，图形两端稍有偏离。对比偏离数据与原始数据的发现，这些偏离数据主要以同震响应为主，与巴彦浩特地震台东西向地倾斜数据呈现的反应一致，表明东西向数据对背景场的调整过程不敏感，因此东西向数据的Q-Q图主要反映的是背景场的背景值和同震响应情况，对背景场的调整过程反映得不明显。
由图9的Q-Q图分析还可以推断，阿拉善盟及周边地区发生中强震时，巴彦浩特地震台的石英水平摆倾斜仪能捕捉到背景场的调整过程，但对于远震则无法捕捉其调整过程，仅呈现背景场及同震响应，进一步证明了巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪所记录数据的可信度较高。
3.3 二维核密度分析
图10给出了5个震例两个测向的密度分析结果，可知：近震发生时（图10a-d），密度图主要呈现集中区域和分散区域，集中区域反映的是背景场的活动特征，分散区域则反映了背景场的扰动过程；远震发生时（图10e），密度较集中，以背景场活动为主，未体现背景场的扰动特征。地震的三要素各不相同时，密度图反映出来的线性也各不相同，近震发生时会明显地呈现出从一个背景场调整至另一个背景场的过程，常表现为一条线连着两个密集区域，但远震时仅呈现为一组线团，无其它区域出现，因此密度图能更直观地体现巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪对背景场调整过程的反映情况。
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图 10 5个震例的二维密度分析结果（a） 巴彦木仁地震前后2015-03-20—2015-04-15期间；（b） 额尔克哈什哈地震前后2017-05-01—2017-06-04期间；（c） 九寨沟地震前后2017-06-04—2017-08-10期间；（d） 固原地震前后2017-08-10—2017-09-02期间；（e） 门源地震前后2016-01-15—2016-01-21Figure 10. The results of two-dimensional density analysis on five earthquake cases（a） The period from 20 March 2015 to 15 April 2015 around Bayanmuren earthquake；（b） The period from 1 May 2017 to 4 June 2017 around Elk Hashha earthquake；（c） The period from 4 June 2017 to 10 August 2017 around Jiuzhaigou earthquake；（d） The period from 10 August 2017 to 2 September 2017 around Guyuan earthquake；（e） The period from January 15 to 21，2016 around Menyuan earthquake3.3 二维核密度分析
图10给出了5个震例两个测向的密度分析结果，可知：近震发生时（图10a-d），密度图主要呈现集中区域和分散区域，集中区域反映的是背景场的活动特征，分散区域则反映了背景场的扰动过程；远震发生时（图10e），密度较集中，以背景场活动为主，未体现背景场的扰动特征。地震的三要素各不相同时，密度图反映出来的线性也各不相同，近震发生时会明显地呈现出从一个背景场调整至另一个背景场的过程，常表现为一条线连着两个密集区域，但远震时仅呈现为一组线团，无其它区域出现，因此密度图能更直观地体现巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪对背景场调整过程的反映情况。
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图 10 5个震例的二维密度分析结果（a） 巴彦木仁地震前后2015-03-20—2015-04-15期间；（b） 额尔克哈什哈地震前后2017-05-01—2017-06-04期间；（c） 九寨沟地震前后2017-06-04—2017-08-10期间；（d） 固原地震前后2017-08-10—2017-09-02期间；（e） 门源地震前后2016-01-15—2016-01-21Figure 10. The results of two-dimensional density analysis on five earthquake cases（a） The period from 20 March 2015 to 15 April 2015 around Bayanmuren earthquake；（b） The period from 1 May 2017 to 4 June 2017 around Elk Hashha earthquake；（c） The period from 4 June 2017 to 10 August 2017 around Jiuzhaigou earthquake；（d） The period from 10 August 2017 to 2 September 2017 around Guyuan earthquake；（e） The period from January 15 to 21，2016 around Menyuan earthquake3.4 小波分析
从上述震例中看出地震发生前石英水平摆倾斜仪测得的数据不仅呈现出背景场的调整过程，往往还伴有毛刺现象。为分析毛刺现象是否为震前异常，本文进行小波分析。考虑到平稳小波变换适用于消噪，且有利于石英水平摆倾斜仪观测数据的趋势变化与局部变化的分离，因此对5个震例分别进行6—8通道的平稳小波变换分析。鉴于篇幅所限，此处仅给出巴彦木仁地震前地倾斜的小波分析结果，如图11所示。可见：对数据进行平稳小波变换后从D5通道开始反映出背景场扰动的高频信号，异常信息较多。结合其它四个震例的小波分析结果可知，近震发生时消噪后数据出现背景场扰动的高频信号，远震发生时，异常信息较少，说明从巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪数据能够识别出震前背景场扰动的高频信号，这对于区分远近震有一定的指示意义。
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图 11 2015年4月15日巴彦木仁地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的小波分析结果Figure 11. The results of wavelet analyses of crustal tilt in north-south （a） and east-west （b） directions around the Bayanmuren earthquake on April 15，20153.4 小波分析
从上述震例中看出地震发生前石英水平摆倾斜仪测得的数据不仅呈现出背景场的调整过程，往往还伴有毛刺现象。为分析毛刺现象是否为震前异常，本文进行小波分析。考虑到平稳小波变换适用于消噪，且有利于石英水平摆倾斜仪观测数据的趋势变化与局部变化的分离，因此对5个震例分别进行6—8通道的平稳小波变换分析。鉴于篇幅所限，此处仅给出巴彦木仁地震前地倾斜的小波分析结果，如图11所示。可见：对数据进行平稳小波变换后从D5通道开始反映出背景场扰动的高频信号，异常信息较多。结合其它四个震例的小波分析结果可知，近震发生时消噪后数据出现背景场扰动的高频信号，远震发生时，异常信息较少，说明从巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪数据能够识别出震前背景场扰动的高频信号，这对于区分远近震有一定的指示意义。
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图 11 2015年4月15日巴彦木仁地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的小波分析结果Figure 11. The results of wavelet analyses of crustal tilt in north-south （a） and east-west （b） directions around the Bayanmuren earthquake on April 15，20154. 讨论与结论
本文通过采用Q-Q分析、密度分析和小波分析等方法对巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜观测数据进行分析，得出该观测数据的映震效果较好，不仅能监测到背景场活动和同震响应，还能监测到震前背景场的调整过程，远震与近震的响应特征区别明显。
Q-Q图、密度图和小波分析方法这三种分析方法，虽然其分析原理不同，但均能有效地识别、消除干扰因素，提取震前短期异常，因此被认为是地震异常数据处理的有效方法，多种方法的综合运用可以达到相互配合、相互补充的目的。
虽然通过三种方法能够区别远震与近震的特征，但由于典型震例较少，无法给出明确的时间和震级尺度，尚需进行深入的研究。
4. 讨论与结论
本文通过采用Q-Q分析、密度分析和小波分析等方法对巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜观测数据进行分析，得出该观测数据的映震效果较好，不仅能监测到背景场活动和同震响应，还能监测到震前背景场的调整过程，远震与近震的响应特征区别明显。
Q-Q图、密度图和小波分析方法这三种分析方法，虽然其分析原理不同，但均能有效地识别、消除干扰因素，提取震前短期异常，因此被认为是地震异常数据处理的有效方法，多种方法的综合运用可以达到相互配合、相互补充的目的。
虽然通过三种方法能够区别远震与近震的特征，但由于典型震例较少，无法给出明确的时间和震级尺度，尚需进行深入的研究。
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图 1 巴彦浩特地震台位置及周边断裂分布（修改自吴桂桔等，2020）图
F1：正谊关断裂；F2：巴彦浩特断裂；F3：贺兰山西麓断裂；F4：贺兰山东麓断裂；F5：芦花台断裂；F6：银川断裂；F7：黄河断裂
Figure 1. Location of the seismic station Bayanhot and distribution of faults arrounding the station
F1：Zhengyiguan fault；F2：Bayanhot fault；F3：Western Helan mountain piedmont fault；F4：Eastern Helan mountain piedmont fault；F5：Luhuatai fault；F6：Yinchuan fault；F7：Yellow River fault
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图 2 巴彦浩特台石英水平摆倾斜仪2012—2018年记录到的南北向、东西向地倾斜数据
Figure 2. Crustal tilt data in north-south and east-west directions recorded by quartz horizontal pendulum tiltmeter at the station Bayanhot from 2012 to 2018
（a） 2012-01-01—2014-12-31；（b） 2015-01-01—2018-06-30
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图 3 2015年4月15日巴彦木仁MS5.8地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线
Figure 3. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Bayanmuren MS5.8 earthquake on April 15，2015
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图 8 门源MS6.4地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜异常变化曲线（右侧为部分放大图）
Figure 8. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Menyuan MS6.4 earthquake （on the right is a partial enlarged view）
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图 4 2017年3—9月期间南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线
Figure 4. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions from March to September of 2017
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图 5 2017年6月3日额尔克哈什哈MS5.0地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线
Figure 5. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Erkehashiha MS5.0 earthquake on June 3，2017
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图 6 九寨沟MS7.0地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的变化曲线（右侧为部分放大图）
Figure 6. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake （on the right is a partial enlarged view）
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图 7 固原MS4.6地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜数据变化曲线（右侧为部分放大图）
Figure 7. The variation curve of crustal tilt in the north-south （a） and east-west （b） directions around the Guyuan MS4.6 earthquake （on the right is a partial enlarged view）
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图 9 各震例南北、东西向数据Q-Q图分析结果
（a） 巴彦木仁地震前后2015-03-20—2015-04-15期间；（b） 额尔克哈什哈地震前后2017-05-01—2017-06-04期间
Figure 9. Q-Q analysis results of the data in the north-south and east-west directions for earthquake cases
（a） The period from 20 March 2015 to 15 April 2015 around Bayanmuren earthquake；（b） The period from 1 May 2017 to 4 June 2017 around Elk Hashha earthquake
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图 9 各震例南北、东西向数据Q-Q图分析结果
（c） 九寨沟地震前后2017-06-04—2017-08-10期间；（d） 固原地震前后2017-08-10—2017-09-02期间；（e） 门源地震前后2016-01-15—2016-01-21
Figure 9. Q-Q analysis results of of the data in the north-south and east-west directions for earthquake cases
（c） The period from 4 June 2017 to 10 August 2017 around Jiuzhaigou earthquake；（d） The period from 10 August 2017 to 2 September 2017 around Guyuan earthquake；（e） The period from January 15 to 21，2016 around Menyuan earthquake
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图 10 5个震例的二维密度分析结果
（a） 巴彦木仁地震前后2015-03-20—2015-04-15期间；（b） 额尔克哈什哈地震前后2017-05-01—2017-06-04期间；（c） 九寨沟地震前后2017-06-04—2017-08-10期间；（d） 固原地震前后2017-08-10—2017-09-02期间；（e） 门源地震前后2016-01-15—2016-01-21
Figure 10. The results of two-dimensional density analysis on five earthquake cases
（a） The period from 20 March 2015 to 15 April 2015 around Bayanmuren earthquake；（b） The period from 1 May 2017 to 4 June 2017 around Elk Hashha earthquake；（c） The period from 4 June 2017 to 10 August 2017 around Jiuzhaigou earthquake；（d） The period from 10 August 2017 to 2 September 2017 around Guyuan earthquake；（e） The period from January 15 to 21，2016 around Menyuan earthquake
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图 11 2015年4月15日巴彦木仁地震前后南北（a）、东西（b）向地倾斜的小波分析结果
Figure 11. The results of wavelet analyses of crustal tilt in north-south （a） and east-west （b） directions around the Bayanmuren earthquake on April 15，2015
表 1 巴彦浩特地震台石英水平摆倾斜仪记录到的5个典型震例详情
Table 1 Details of five earthquakes recorded by the quartz horizontal pendulum tiltmeter at the station Bayanhot
序号 发震时间
年-月-日地点 北纬/° 东经/° 震中距/km 1 2015-04-15 阿拉善左旗巴彦木仁苏木 39.80 106.30 115 2 2017-06-03 阿拉善左旗额尔克哈什哈苏木 37.99 103.56 212 3 2017-08-08 四川九寨沟阿坝县 33.20 103.82 650 4 2017-09-02 宁夏自治区固原市原州区 36.28 106.01 289 5 2016-01-21 青海省海北州门源县 37.68 101.62 383 
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