地震灾害严重威胁人民生命财产安全。由于地震的小概率性,孕震机制的复杂性及地球深部观测的技术局限性,地震预测预报成为一个需要长期探索研究的世界性难题。经过数十年的观测技术发展,我国已累积了丰富的形变、地球物理和地球化学学科的观测资料,为地震前兆研究提供数据基础。如何在大量观测资料中排除环境干扰等原因引起的异常,提取与地震相关的震前异常具有重大社会需求和深远的科学意义。地震是地下岩层受到集中应力超过强度极限突然破裂的过程。钻孔应变观测反映地壳应变变化,在地震前兆研究中发挥重要作用。目前钻孔应变观测的震前异常分析中还存在如下问题:（1）钻孔应变观测数据中,由于固体潮、气压等环境因素产生的应变响应影响,导致由地震引起的应变难以分辨;（2）钻孔应变观测异常提取大多采用时域、时频域的幅度阈值超限方法,容易将受到突发性干扰或噪声等偶然因素影响的幅度异常,误认为是地震异常;（3）异常分析大多采用单台站方式,即使是多台站,也仅是多台站结果印证,其实质仍是单台站分析,而不是多台站数据联合分析,多台站间的震前相关特征未能被充分利用。针对上述问题,本文分析了环境因素对钻孔应变观测的影响,建立了钻孔应变观测的状态空间模型,利用卡尔曼滤波方法,求解了各环境因素产生的应变响应;采用基于概率分布的异常分析方法,提取了单台站钻孔应变数据的震前负熵异常;构建了多台站的拓扑网络,通过分析多台站数据间的相关特征,计算了网络的度,提取了震前网络度异常;采用b值和地震检验模型,分别评价了震前负熵异常和网络度异常。本文主要研究内容如下:（1）根据四元件钻孔应变仪的观测原理,利用数据自洽性,进行了应变观测的标定;计算潮汐因子,分析了应变固体潮对钻孔应变观测的影响;理论分析了气温、气压对于应变观测的影响;讨论了水位、降雨与应变观测的关系。（2）提出了基于卡尔曼滤波的环境因素的应变响应求解方法。根据钻孔应变观测的状态空间模型,利用测量方程将环境影响从测量空间映射到状态空间,采用卡尔曼滤波方法,通过迭代误差协方差矩阵,连续修正环境状态的估计,求解固体潮、气压和钻孔水位的应变响应,还原地壳应变信号;通过对比潮汐因子、胡克定律理论值和气压对地壳负荷效应理论值,验证各环境因素应变响应的合理性。（3）提出了单台站钻孔应变数据的震前负熵异常提取方法。地壳应变信号的概率分布特征研究表明,地壳应变的背景信号具有高斯性,利用高斯信号的零负熵特点,采用高阶累积量方式,提取单台站地壳应变信号的负熵异常。汶川和芦山地震分析显示,各台站负熵异常累计在震前以幂律形式加速增长,且异常累计速率与各台站的震中距呈现相反的变化关系;随机时间与随机地震实验也进一步说明震前负熵异常与地震相关性。（4）提出了多台站钻孔应变数据的震前网络度异常提取方法。为避免单台站异常的偶然性,建立了多台站应变观测的拓扑网络;采用多通道奇异谱分析筛选出多台站观测数据中的应变成分,以台站间应变成分的皮尔森相关系数定义边;根据相关系数阈值获取网络各边的连通性;计算网络度并提取网络度异常。四川-云南地区的6台站网络度异常分析表明,13次目标地震中10次地震前出现了网络度异常的幂律增长,且异常累计速率与目标地震能级相关。（5）根据b值异常反映震源区应力状态,计算芦山地震前后的b值,对比分析了单台站的震前负熵异常;建立地震检验模型,采用受试者工作特征检验法估计地震检验命中率和误检率,评价震前网络度异常,29次地震的模型检验结果表明,检测地震命中率远大于误检率,验证了网络度异常提取的有效性。