李　鵬　馮瓊松　賈　華　師婭芳

1) 貴陽(yáng)基準(zhǔn)地震臺(tái)， 貴陽(yáng)550018 2) 昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)， 昆明650201 3) 云南省地震局， 昆明650224

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貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)干擾情況分析*

李鵬1)※馮瓊松2)賈華3)師婭芳1)

1) 貴陽(yáng)基準(zhǔn)地震臺(tái)， 貴陽(yáng)550018 2) 昆明基準(zhǔn)地震臺(tái)， 昆明650201 3) 云南省地震局， 昆明650224

摘要貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變已連續(xù)觀測(cè)8年， 觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、 可靠， 內(nèi)精度高， 廣泛應(yīng)用于地殼形變、 地震預(yù)報(bào)等科學(xué)研究。 正確識(shí)別觀測(cè)中的正常、 干擾、 異常變化是有效進(jìn)行預(yù)報(bào)科研的基礎(chǔ)。 開(kāi)展前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)短臨跟蹤分析工作以來(lái)， 貴陽(yáng)臺(tái)加強(qiáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤處理， 取得了許多經(jīng)驗(yàn)， 現(xiàn)將各類觀測(cè)曲線干擾圖象進(jìn)行整理， 以便同行進(jìn)行學(xué)習(xí)交流， 更好地做好儀器運(yùn)維及短臨跟蹤分析工作。

關(guān)鍵詞鉆孔應(yīng)變; 跟蹤分析; 貴陽(yáng)臺(tái)

引言

貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)始于2007年底， 采用具有自檢功能的YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀， 能觀測(cè)記錄地球固體潮汐變化及地震同震應(yīng)變波， 有明顯的日變及年變形態(tài)。 儀器配備鉆孔水位、 鉆孔氣壓2項(xiàng)輔助觀測(cè)。 儀器安裝以來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)正常， 完整率達(dá)99%以上， 自檢內(nèi)精度優(yōu)于0.1， 固體潮內(nèi)精度優(yōu)于0.05， 滿足形變學(xué)科觀測(cè)規(guī)范要求。 至今儀器已正常運(yùn)行8年， 取得了許多寶貴的觀測(cè)資料。 因此， 有必要對(duì)儀器運(yùn)行情況、 觀測(cè)干擾現(xiàn)象及識(shí)別處理方法進(jìn)行分析總結(jié)， 以便對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、 前兆異常信息識(shí)別及短臨跟蹤工作進(jìn)行指導(dǎo)。

1臺(tái)站及儀器基本情況

貴陽(yáng)臺(tái)位于貴陽(yáng)市烏當(dāng)區(qū)新添寨高新路北側(cè)， 臺(tái)基為三疊紀(jì)白云巖、 白云質(zhì)灰?guī)r。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)井建于2007年底， 井深47 m， 灰白色中風(fēng)化白云巖， 套管下至35 m， 儀器探頭安裝于井下39 m巖石較完整處。 使用儀器為具備自檢功能的YRY-4分量式鉆孔應(yīng)變儀， 分量元件方位(相對(duì)地磁南北)： 北南74°， 東西119°， 北東164°， 北西29°。 儀器輸出向負(fù)變化為傳感器受壓， 向正變化為傳感器受張。 儀器安裝以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定， 運(yùn)行率保持在99%以上， 能記錄固體潮汐變化特征， 記震能力強(qiáng)， 觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、 可靠， 內(nèi)精度高， 面應(yīng)變較正后相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99(表1)， 曾獲全國(guó)觀測(cè)質(zhì)量評(píng)比第三名。

2觀測(cè)干擾情況

貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)運(yùn)行以來(lái)受到的干擾因素主要包括氣象、 儀器零漂及老化、 地震以及人為環(huán)境干擾[1-6]。 在儀器運(yùn)行一段時(shí)間后， 各種干擾因素在觀測(cè)曲線上均有特定的表現(xiàn)形態(tài)， 只要注意觀察氣象、 環(huán)境變化， 均較易于識(shí)別， 并在數(shù)據(jù)預(yù)處理中進(jìn)行正確處理及觀測(cè)日志中進(jìn)行標(biāo)注。

表1　貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)內(nèi)精度一覽表

2.1氣象干擾

2.1.1氣壓干擾

大氣壓力變化帶來(lái)觀測(cè)井孔荷載變化形成干擾[1]， 貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變一般會(huì)產(chǎn)生與氣壓準(zhǔn)同步、 呈負(fù)相關(guān)關(guān)系變化的干擾， 各分量干擾程度不一。 2015年1月10日貴陽(yáng)臺(tái)氣壓急劇變化時(shí)引起了北南、 東西2個(gè)觀測(cè)分量與氣壓值反方向的曲線干擾變化， 北東、 北西分量變化則不明顯(圖1的矩形框內(nèi))。 此類型的干擾不需進(jìn)行預(yù)處理， 變化劇烈時(shí)可在數(shù)據(jù)跟蹤分析及觀測(cè)日志中進(jìn)行標(biāo)注說(shuō)明。 在科學(xué)研究中如果需要， 可采用相關(guān)分析或線性回歸方法在一定程度上消除其影響。

圖1　典型氣壓干擾分鐘值曲線圖(2015年1月10日)

2.1.2降水干擾

觀測(cè)地區(qū)強(qiáng)降雨引起鉆孔內(nèi)水位快速上升， 雨水快速滲透到井孔及其周圍巖石孔隙內(nèi)導(dǎo)致巖體體積膨脹， 地表荷載變化引起觀測(cè)曲線干擾[2-3]。 2012年7月12日貴陽(yáng)地區(qū)普降暴雨， 其中臺(tái)站所在地降雨量達(dá)45 mm， 鉆孔水位在2 h內(nèi)上升約1100 mm， 引起了鉆孔應(yīng)變北南、 北東、 北西3個(gè)分量上升(受張)， 東西分量下降(受壓)， 與鉆孔水位同步的干擾變化(圖2)。 在數(shù)據(jù)預(yù)處理中可做標(biāo)注， 不需特別處理。

2.1.3刮風(fēng)干擾

每年春秋季節(jié)大風(fēng)天氣時(shí)， 觀測(cè)曲線會(huì)出現(xiàn)細(xì)小毛刺狀干擾， 此類干擾可能影響北南、 東西分量， 鉆孔水位和鉆孔氣壓， 北東、 北西分量則不明顯。 具體表現(xiàn)為曲線呈細(xì)毛刺狀， 曲線形態(tài)及變化趨勢(shì)正常[4-5]， 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后產(chǎn)出的整點(diǎn)值和日均值數(shù)據(jù)平滑， 不影響分析研究(圖3)。

圖2　典型降水干擾分鐘值曲線圖(2012年7月12日)

2.1.4雷電干擾

因臺(tái)站建在落雷區(qū)， 雷雨季節(jié)強(qiáng)雷電發(fā)生時(shí)因打雷、 交直流電源切換等原因可能引起觀測(cè)曲線程度不等的高頻變化或臺(tái)階干擾， 嚴(yán)重的話還可能擊壞儀器引起錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、 數(shù)據(jù)亂碼、 缺數(shù)等現(xiàn)象[5]。 此類現(xiàn)象需要臺(tái)站工作人員加強(qiáng)值班責(zé)任， 認(rèn)真管理儀器及配套隔雷發(fā)電機(jī)， 并在雷電天氣時(shí)及時(shí)關(guān)閉交流電， 即可最大程度進(jìn)行避免。

氣象因素對(duì)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)造成的干擾常常是幾個(gè)因素相伴發(fā)生的， 比如在強(qiáng)對(duì)流天氣情況下， 往往氣壓、 降雨和雷電干擾同時(shí)發(fā)生， 在實(shí)際工作中, 應(yīng)注意區(qū)別標(biāo)注， 除伴隨產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或臺(tái)階變化， 不需進(jìn)行預(yù)處理。

2.2儀器干擾

2.2.1調(diào)零干擾

鉆孔應(yīng)變觀測(cè)儀器隨著漂移量的增大， 需適時(shí)進(jìn)行分量調(diào)零操作， 當(dāng)對(duì)某一分量進(jìn)行調(diào)零時(shí)， 因瞬時(shí)電流沖擊， 會(huì)引起該分量產(chǎn)生曲線變形， 伴隨臺(tái)階的干擾變化[4]。 其他分量也可能同時(shí)產(chǎn)生幅度不等的類似變化。 圖4為2014年12月1日9時(shí)57分技術(shù)人員對(duì)北東分量進(jìn)行調(diào)零操作， 4個(gè)分量曲線同時(shí)出現(xiàn)幅度不等的干擾臺(tái)階變化， 可采用去除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)及臺(tái)階改正的方法進(jìn)行預(yù)處理。

圖3　典型刮風(fēng)干擾分鐘值曲線圖(2015年11月6日)

2.2.2儀器零漂及老化(電子元件)干擾

鉆孔應(yīng)變傳感器安裝時(shí)需使用無(wú)磁性耦合材料包裹儀器投入井孔內(nèi)部， 安裝初期因材料與圍巖固結(jié)需要一段時(shí)間， 故運(yùn)行初期的數(shù)據(jù)資料精度較低。 待儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)后因井孔含水層水位變化， 儀器電子元件性能變化， 會(huì)產(chǎn)生零漂干擾[6]， 貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變4個(gè)分量觀測(cè)數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)向下漂移趨勢(shì)變化， 在科學(xué)研究中可采用去趨勢(shì)數(shù)據(jù)處理方法消除影響。 另外， 隨著儀器運(yùn)轉(zhuǎn)年限的增長(zhǎng)， 某些電子部件靈敏度降低， 因調(diào)零、 雷電或供電問(wèn)題， 儀器電壓突變后不能及時(shí)恢復(fù)原狀產(chǎn)生干擾。 貴陽(yáng)臺(tái)鉆孔應(yīng)變北東分量出現(xiàn)調(diào)零后毛刺現(xiàn)象， 但日變形態(tài)正常， 一般需1～3個(gè)月時(shí)間逐步恢復(fù)正常(圖4北東分量)。

2.3地震干擾

地震干擾是指鉆孔應(yīng)變觀測(cè)曲線上同時(shí)記錄到的同震應(yīng)變波， 與測(cè)震儀記錄的地震波形相似， 有明顯的初動(dòng)、 P波和S波特征。 響應(yīng)區(qū)域內(nèi)中強(qiáng)以上地震還有可能出現(xiàn)同震記錄的臺(tái)階或漸變臺(tái)階變化， 有的臺(tái)階變化會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至原點(diǎn)， 有的則不再恢復(fù)， 在新的位置繼續(xù)變化。 地震同震波形因具備科研價(jià)值， 應(yīng)保留其原始狀態(tài)， 不需預(yù)處理[4]。

2.4城市化建設(shè)人類生產(chǎn)生活干擾

我國(guó)的地震觀測(cè)臺(tái)站多為三四十年前建設(shè)的， 大多選址在城鎮(zhèn)郊外人煙稀少的邊遠(yuǎn)偏僻地區(qū)， 在建設(shè)初期， 無(wú)疑能滿足地震觀測(cè)背景噪聲小、 人為干擾少的基本要求。 但是隨著人口的增長(zhǎng)， 城市化的開(kāi)發(fā)建設(shè)， 原來(lái)的郊外已日漸繁榮。 再加上道路的修建， 汽車工業(yè)的發(fā)展， 勢(shì)必對(duì)地震監(jiān)測(cè)環(huán)境造成不可避免的干擾。 貴陽(yáng)臺(tái)周圍近年來(lái)修建工廠、 住宅小區(qū)， 在鉆孔附近200 m左右范圍內(nèi)進(jìn)行爆破施工時(shí)， 可能引起觀測(cè)曲線臺(tái)階狀干擾， 此類干擾易于對(duì)照分辨并進(jìn)行預(yù)處理消除。 由于臺(tái)站周圍環(huán)境噪聲的加大， 也會(huì)引起觀測(cè)儀器精度下降現(xiàn)象[4]。

圖4　調(diào)零干擾分鐘值曲線預(yù)處理前后對(duì)比圖(2014年12月1日)

其他還有停電、 儀器損壞、 不明原因臺(tái)階、 儀器掉格等干擾， 對(duì)于大部分干擾來(lái)說(shuō)， 技術(shù)人員在儀器運(yùn)行穩(wěn)定一段時(shí)間后， 注意臺(tái)站周圍環(huán)境變化、 供電、 氣象情況等信息， 認(rèn)真填寫觀測(cè)日志， 均較易于識(shí)別， 并在預(yù)處理中進(jìn)行消除。 如果同臺(tái)有多個(gè)形變觀測(cè)手段則可利用多組曲線比較， 判定到底是氣象、 儀器、 環(huán)境干擾還是“異常”。

3結(jié)語(yǔ)

氣象、 環(huán)境、 儀器及供電等干擾是形變觀測(cè)中普遍存在的現(xiàn)象， 干擾往往是幾種因素同時(shí)作用于儀器， 影響程度因不同臺(tái)站或不同測(cè)項(xiàng)程度不一。 正確識(shí)別地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾現(xiàn)象， 并科學(xué)預(yù)處理是地震分析預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。 開(kāi)展數(shù)據(jù)跟蹤工作為地震專業(yè)技術(shù)人員在日常工作中提供了各種監(jiān)測(cè)手段各類現(xiàn)象的分析總結(jié)及交流平臺(tái)， 有利于前兆觀測(cè)處理技術(shù)的大幅度提升。 就一個(gè)觀測(cè)手段而言， 分清觀測(cè)曲線中出現(xiàn)的正常及干擾變化的基本形態(tài)， 才能在剩下的異常表現(xiàn)中識(shí)別提練出我們真正需要的“震前異?！?。 如何練就干擾及異常識(shí)別的“火眼金睛”， 需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)、 預(yù)報(bào)一線工作的學(xué)習(xí)和積累， 以及相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員及時(shí)的信息溝通。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 徐芳芳， 崔居全， 荊強(qiáng)， 等. 榮成地震臺(tái)形變觀測(cè)干擾分析. 高原地震， 2015， 27(2)： 58-63

[2] 劉川琴， 隆愛(ài)軍， 盧葉嘯， 等. 合肥地震臺(tái)鉆孔體應(yīng)變干擾分析. 地震地磁觀測(cè)與研究， 2014， 35(5-6)： 208-212

[3] 段莉莉， 段立新. 鉆孔應(yīng)變觀測(cè)干擾及異常分析. 地震地磁觀測(cè)與研究， 2013， 34(3-4)： 122-127

[4] 陳超， 譚剛， 張理， 等. 影響康定地震臺(tái)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要干擾因素 .四川地震， 2014(4)： 22-26

[5] 黃燦， 吳海波， 李海峰， 等. 滎陽(yáng)地震臺(tái)形變觀測(cè)干擾的識(shí)別. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)， 2013， 33(增)： 91-93

[6] 孫雷， 曾智， 立凱， 等. 連云港地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變同震變化觀測(cè)資料分析. 地震地磁觀測(cè)與研究， 2015， 36(4)： 102-106

中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所2015屆博士論文摘要(Ⅱ)

Interference of borehole strain observation in Guiyang station

Li Peng1), Feng Qiongsong2), Jia Hua3), Shi Yafang1)

1) Guiyang Standard Seismic Station of Guizhou Province， Guiyang 550018， China 2) Kunming Standard Seismic Station of Yunnan Province， Kunming 650201， China 3) Administration Earthquake of Yunnan Province， Kunming 650224， China

AbstractGuiyang seismic station has 8 years of continuous observation of borehole strain observation data, these data is accurate, reliable and in high precision, which can be widely used in crustal deformation and earthquake prediction. It is basic for effective scientific research and prediction to identify normal, interference and abnormal changes correctly in observation. Since tracking analysis of short-term and precursory observation data from Guiyang station carried out, we strengthened observation data processing and analysis. Here we summarized and categorized various interference curves so that to exchange the ideas with the researcher in the same field for the improvement of the equipment operation and maintenance, short-term and temporary tracking analysis.

Keywordsborehole strain； tracking analysis； Guiyang station

中圖分類號(hào)：P315.72+5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.009

* 收稿日期：2016-01-15； 采用日期： 2016-03-15。

※通訊作者： 李鵬， e-mail： 294409365@qq.com。