劉川琴，金艷，裴紅云，隆愛軍

大蜀山地震臺鉆孔體應(yīng)變觀測綜合分析

劉川琴1，金艷2，裴紅云2，隆愛軍1

（1.安徽省大蜀山地震臺，合肥 230031；2.安徽省地震局，合肥 230031）

對大蜀山地震臺TJ-II鉆孔體應(yīng)變?nèi)粘Ｐ螒B(tài)、常見干擾、映震效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：大蜀山臺體應(yīng)變資料受水位、降雨、氣壓影響顯著。在其他干擾較小的情況下，體應(yīng)變和水位相關(guān)程度最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9以上，水位干擾系數(shù)最高可達(dá)10.13×10-9/cm。體應(yīng)變儀地震波形記錄較好，能清晰地記錄到全球7級以上，全國6級以上地震波形；而目前資料未發(fā)現(xiàn)明顯的前兆異常。

固體潮；鉆孔體應(yīng)變；氣壓；降雨；水位

0 引言

大蜀山地震臺（原名合肥地震臺）于2009年安裝了TJ-II鉆孔體應(yīng)變觀測儀，現(xiàn)已連續(xù)觀測5年多，體應(yīng)變安裝在臺站院內(nèi)，輔助氣壓、氣溫、水位觀測項目。水位及體應(yīng)變探頭安置于觀測井中，氣壓及氣溫探頭安置于觀測室內(nèi)，其中氣壓觀測曲線呈現(xiàn)夏低冬高年變形態(tài)，溫度呈現(xiàn)夏高冬低形態(tài)，水位曲線冬春季節(jié)下降，夏秋季節(jié)上升，體應(yīng)變呈現(xiàn)和水位一致的趨勢變化，冬春季節(jié)下降，夏秋季節(jié)上升。TJ-II體應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)文件為分鐘值，精度為10-9，體應(yīng)變能記錄到清晰的應(yīng)變固體潮變化、地震波形；還可以記錄到氣壓、水位、降雨、雷電、電壓等干擾。本文對大蜀山地震臺體應(yīng)變觀測資料進(jìn)行了分析，介紹了該體應(yīng)變?nèi)粘Ｗ兓螒B(tài)及常見干擾形態(tài)，并對體應(yīng)變映震特征進(jìn)行分析討論。

1 觀測環(huán)境概況

大蜀山地震臺（以下簡稱大蜀山臺）處于華北斷塊區(qū)南緣，郯廬北北東向深大斷裂西側(cè)33 km處，區(qū)域斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，體應(yīng)變觀測井位于合肥市西郊大蜀山（死火山口）東麓森林公園內(nèi)，當(dāng)?shù)貙儆诨搓幍夭蹡|端的丘陵地帶，覆蓋層較薄，觀測地形呈西高東低，臺站西北面為森林公園，井口海拔高程約為77 m，體應(yīng)變所在的臺站觀測平臺周邊10 m范圍內(nèi)有多項井下觀測項目分別為：電磁波、深井測震和砂層應(yīng)變?；鶐r巖性為火山巖、玄武巖、輝綠巖和白堊系紅砂巖。安裝時記錄到鉆孔探頭底部埋深72.3 m，孔徑130 mm，水深7 m，紅砂巖，巖性較軟，井孔條件相對較差。

2 體應(yīng)變及輔助觀測的年變形態(tài)

體應(yīng)變2009年6月在大蜀山臺成功安裝，同年8月12日數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，儀器安裝之初存在漂移情況，2009年年底逐漸趨于穩(wěn)定，本文選擇2009—2014年的觀測資料為研究對象，對文中使用的輔助觀測資料進(jìn)行了預(yù)處理，去除了大的臺階階變和突跳。自觀測以來體應(yīng)變主要出現(xiàn)兩次較大事件，2010年7月13日至2010年12月2日儀器探頭故障，出現(xiàn)臺階變化；2011年5月13日至6月11日測震深井注水，數(shù)據(jù)波動變化。

從圖1可以看出，氣壓年變形態(tài)清晰穩(wěn)定；體應(yīng)變與水位呈較好的正相關(guān)變化，每年夏秋季節(jié)性降雨補(bǔ)給，水位根據(jù)降雨補(bǔ)給情況，呈上升性波動變化，體應(yīng)變保持和水位同步波動變化，年變化主要和當(dāng)?shù)丶竟?jié)性降雨補(bǔ)水相對應(yīng)。

圖1 體應(yīng)變及氣壓、水位日值曲線Fig.1 Daily value curves of body strain，pressure and water level

選取數(shù)據(jù)干擾較小時段如圖2所示，可以看出體應(yīng)變?nèi)兆円?guī)律明顯，固體潮清晰，具有良好的周期性特征（體應(yīng)變向上表示壓縮，理論固體潮向下表壓縮）。

3 體應(yīng)變觀測常見干擾及原因分析

大蜀山臺體應(yīng)變觀測中常見的干擾主要為水位、降雨、氣壓、儀器故障、供電系統(tǒng)、周邊井孔注水等干擾，主要分為三大類：一是地下水位變化的影響，其中主要是由降雨、天氣干旱、周邊井口注水導(dǎo)致的水位變化；二是氣壓變化的影響；三是供電系統(tǒng)故障、儀器故障等影響（此影響為普遍性，在此不作贅述）。

圖2 體應(yīng)變、固體潮小時值曲線Fig.2 The hour value curve of borehole body strain and earth tide

3.1 水位干擾

水位變化主要由降雨、天氣干旱、井孔周邊注水、抽水等影響巖體含水層中孔隙水的飽和程度，從而改變孔隙水壓力的大小，致使體應(yīng)變發(fā)生變化［1］。大蜀山臺體應(yīng)變資料主要受天氣變化和周邊井口注水影響，目前周邊未出現(xiàn)抽水情況，對體應(yīng)變與水位變化進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩者在趨勢上存在很好的正相關(guān)性，以月為窗長計算體應(yīng)變與水位的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表1所示，從表1可以看出，除個別月份外，體應(yīng)變與水位變化相關(guān)系數(shù)較高，在其他干擾不顯著的情況下體應(yīng)變和水位相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上。

表1 體應(yīng)變水位相關(guān)系數(shù)Table 1 The correlation coefficient between the body strain and the water level

3.1.1 降雨干擾

降雨對水位的影響，主要表現(xiàn)為兩種形式，一是連續(xù)降雨天氣，水位連續(xù)升高達(dá)幾個月，體應(yīng)變保持和水位同步的升高趨勢；二是短時強(qiáng)降雨天氣，一般為數(shù)小時到幾日的強(qiáng)降雨，降雨產(chǎn)生大地負(fù)荷效應(yīng)，使水位出現(xiàn)快速上升變化，體應(yīng)變保持和水位同步的上升變化，降雨結(jié)束后數(shù)小時水位和體應(yīng)變數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，體應(yīng)變高值時間滯后于水位高值時間。

從圖3a中可以看出，7至9月，合肥以降雨天氣為主，水位保持緩慢升高趨勢，體應(yīng)變保持和水位相同的趨勢變化，隨著天氣的轉(zhuǎn)晴，水位逐漸下降，體應(yīng)變也逐漸下降。這類干擾單從體應(yīng)變曲線上看，容易判斷為前兆異常。

圖3b是一次典型的強(qiáng)降雨導(dǎo)致體應(yīng)變快速變化的例子，2012年8月20日晚20時至21時降暴雨，降雨量達(dá)到85 mm，體應(yīng)變變化48.6×10-8，井水位變化750 cm，井水位的干擾系數(shù)為0.065× 10-8/cm，降雨干擾系數(shù)為0.572×10-8/mm。由于數(shù)字化雨量器故障，以即時強(qiáng)降雨帶來的水位變化作圖分析，體應(yīng)變和水位變化較為一致如圖3所示。

3.1.2 周邊井口注水干擾

鉆孔觀測環(huán)境可比喻為井下儀器的外延，或者說鉆孔觀測環(huán)境是井下地形變連續(xù)觀測儀器的一個不可缺少的重要組分，所以井區(qū)周邊環(huán)境變化對體應(yīng)變干擾較大，特別是井區(qū)周邊施工、抽水、注水都會使數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度干擾變化［2］，不易識別數(shù)據(jù)真?zhèn)?，給數(shù)據(jù)處理帶來困難。

2011年距體應(yīng)變井口9.5 m處測震深井施工導(dǎo)致體應(yīng)變5月10日至6月13日出現(xiàn)較大波動（圖4），其中測震井安裝套管，分別在5月19日、6月2日向井下注水，使得體應(yīng)變數(shù)據(jù)在5月20日、6月2日出現(xiàn)了上升的臺階變化，計算水位干擾系數(shù)分別為35.52×10-9/cm、30.69×10-9/cm，水位干擾系數(shù)比降雨天氣已統(tǒng)計的水位干擾系數(shù)高2到4倍。

圖3 水位、體應(yīng)變變化時序圖Fig.3 The sequence diagram of water level and body strain

圖4 鉆孔水位、體應(yīng)變小時值曲線Fig.4 The hour value curves of the borehole water level and body strain

3.2 氣壓干擾

氣壓是對體應(yīng)變觀測影響較大的因素之一，氣壓影響系數(shù)與臺址巖石的彈性模量、泊松系數(shù)有關(guān)［6］；大蜀山臺體應(yīng)變普遍受到氣壓的影響，不同周期氣壓波對體應(yīng)變影響的特征不同，主要以月、日、半日周期氣壓波作用最為顯著，在沒有其他干擾的情況下，體應(yīng)變保持和氣壓一致的波動變化，形態(tài)和固體潮汐變化類似，短周期氣壓波較容易識別和剔除［3-8］。強(qiáng)對流天氣，氣壓出現(xiàn)快速變化，體應(yīng)變出現(xiàn)和氣壓一致的變化關(guān)系，如圖5所示。

4 地震波記錄及映震情況分析討論

4.1 地震波記錄情況

體應(yīng)變儀以其高靈敏性不僅能清晰記錄到固體潮汐變化，而且能記錄到震時地震波的變化，本文統(tǒng)計2013年10月1日至2014年9月30日，全球共發(fā)生7級以上地震15次，主要分布在環(huán)太平洋板塊及板塊交界地區(qū)；全國發(fā)生6級以上地震4次，主要分布在青藏塊體、云南和臺灣地區(qū)；華東地區(qū)未記錄到5級以上地震；安徽省4級以上地震1次，發(fā)生在霍山地區(qū)。震時大蜀山體應(yīng)變儀記錄的地震波為全球7級以上地震12次，全國6級以上地震4次。由于體應(yīng)變低頻采數(shù)，在統(tǒng)計時間內(nèi)暫未記錄到華東地區(qū)及省內(nèi)4級以上地震。根據(jù)以往地震資料情況，大蜀山體應(yīng)變異常與2011年1月19日安慶4.8級地震等地震的對應(yīng)情況（圖6）。

圖5 2014年7月30至31日體應(yīng)變、氣壓分鐘值曲線Fig.5 The minute value curves of the air pressure and body strain during 30-31，July，2014

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)及體應(yīng)變地震波形圖上可以看出，大蜀山臺體應(yīng)變儀記錄地震波能力較強(qiáng)，對發(fā)生在全球7級以上的強(qiáng)震能清晰地記錄到地震波全過程，且波形幅度較大，形態(tài)完整，對全國6級以上地震波形記錄較好。所記錄的地震波形主要為地震波上下波動，震后恢復(fù)固體潮正常形態(tài)；由于體應(yīng)變低頻采數(shù)，記錄的近震地震波幅度相對較小，波形不完整，同時體應(yīng)變記錄的地震波難以確定最大振幅。

圖6 體應(yīng)變異常與地震的對應(yīng)情況Fig.6 The seismic waveform record by borehole body strain

4.2 映震情況分析討論

體應(yīng)變自觀測以來，省內(nèi)發(fā)生較大地震為2014年4月20日霍山4.3級地震、2011年1月19日安慶4.8級地震（震前儀器有故障發(fā)生），由于體應(yīng)變受水位、氣壓干擾嚴(yán)重，原始數(shù)據(jù)很難識別數(shù)據(jù)形態(tài)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，本文對2014年1月以來體應(yīng)變曲線進(jìn)行氣壓和水位多元回歸改正，對殘差曲線進(jìn)行分析（圖7），發(fā)現(xiàn)霍山4.3級地震前殘差值存在超兩倍均方差現(xiàn)象。由于省內(nèi)地震較少，沒有震例借鑒，且沒有考慮到氣壓、水位變化和體應(yīng)變時間的差異性，異常還有待進(jìn)一步驗證。

圖7 合肥臺體應(yīng)變氣壓、水位改正后殘差、擬合曲線Fig.7 The residual curve and fitting curve of body strain in Hefei station after the correction of water level and pressure

5 結(jié)論與建議

（1）大蜀山臺體應(yīng)變，其年變形態(tài)主要和鉆孔水位有關(guān)，體應(yīng)變與水位呈較好的正相關(guān)變化，每年夏秋季節(jié)性降雨補(bǔ)給，水位根據(jù)降雨補(bǔ)給情況，呈上升性波動變化，體應(yīng)變保持和水位同步波動變化，年變化主要和當(dāng)?shù)丶竟?jié)性降雨補(bǔ)水相對應(yīng)。在干擾較小時段，體應(yīng)變?nèi)兆円?guī)律明顯，固體潮清晰，具有良好的周期性特征。

（2）大蜀山臺體應(yīng)變觀測主要受到水位、氣壓干擾嚴(yán)重，體應(yīng)變長趨勢和水位變化一致，相關(guān)性很好，短周期以氣壓干擾為主，特別是氣壓日波、半日波影響嚴(yán)重。究其原因可能與觀測場地基巖的破碎程度及巖性有關(guān)，形變儀器需要將儀器探頭安放在完整的基巖上，但在實際安裝很難保證安裝在理想的位置；而大蜀山臺體應(yīng)變鉆孔為紅砂巖，巖性較軟，介質(zhì)彈性模量較小，這樣的介質(zhì)受水位、氣壓干擾相對較大。

（3）體應(yīng)變能較好的記錄到地震異常，特別是全球7級以上地震和全國6級以上地震，體應(yīng)變能記錄到明顯的異常波形；而前兆異常較難判斷，主要由于周邊近場地震較少，前兆異常判斷經(jīng)驗不足，還有待進(jìn)一步研究總結(jié)。

綜上所述，提出兩點建議：①體應(yīng)變觀測場地近距離范圍內(nèi)，減少鉆孔打井，減少對體應(yīng)變觀測的影響；②在儀器下井時做好儀器耦合的基礎(chǔ)工作，保證巖石與探頭之間應(yīng)力的連續(xù)傳遞，有效地接受地應(yīng)變場信息。

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Comprehensive Analysis of Borehole Body Strain Data in Dashusan Seismic Station

LIU Chuanqin1，JIN Yan2，PEI Hongyun2，LONG Aijun1

（1.Hefei Seismic Station，Anhui Province，Hefei 230031，China；
2.Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

The paper analyzes the daily form，common interference and response to earthquake of TJ-II borehole body strain in Dashushan seismic station.The results show that it is significantly influenced by rainfall，water level and pressure.If other interference is weak，body strain is highly correlated with water level with the correlation coefficient above 0.9 and the highest interference coefficient of water level 10.13×10-9/cm.The body strain can record seismic wave well which can clearly record waveform of earthquakes with M≥7 in the world and M≥6 in China.No obvious precursor anomaly is found.

Earth tide；Borehole body strain；Air pressure；Rainfall；Water level

P315.723

A

1001-8662（2015）03-0034-06

10.13512/j.hndz.2015.03.005

2014-10-24

2015年中國局三結(jié)合課題KS06資助

劉川琴（1981－），女，碩士研究生，工程師，主要從事地形變觀測與研究工作.

E-mail：liuchuanqin1026@sina.com.

劉川琴，金艷，裴紅云，等.大蜀山地震臺鉆孔體應(yīng)變觀測綜合分析［J］.華南地震，2015，35（3）：34-39.［LIU Chuanqin，JIN Yan，PEI Hongyun，et al.Comprehensive Analysis of Borehole Body Strain Data in Dashusan Seismic Station［J］.South china journal of seismology，2015，35（3）：34-39.］