李宏偉 王 霞

(山西省地震局，山西 太原 030021)

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三分量應(yīng)變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)自檢分析★

李宏偉 王 霞

(山西省地震局，山西 太原 030021)

利用應(yīng)變矢量合成與分解原理，分析了離石地震臺(tái)三分量應(yīng)變儀數(shù)據(jù)變化的可靠性，結(jié)果表明，NS分量與EW分量合成的NE分量與實(shí)際觀測(cè)的NE分量的比值時(shí)序圖以及利用回歸模型得到的外推數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)值對(duì)比圖均不符合自檢理論，因此，NS分量2014年8月的快速變化不是地殼應(yīng)變引起的，可能由于儀器本身問題造成的。

應(yīng)變儀，應(yīng)變矢量，二元回歸模型，自檢分析

0 引言

應(yīng)變觀測(cè)對(duì)象是兩基準(zhǔn)點(diǎn)之間的水平距離隨時(shí)間的相對(duì)變化[1,2]，用于監(jiān)測(cè)地殼構(gòu)造應(yīng)變和固體潮水平分量的連續(xù)變化，為研究地震孕育過程提供依據(jù)，已有學(xué)者利用應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)孕震過程的映震效能進(jìn)行了多角度的探索研究，并已取得很好的效果[3-6]。假如觀測(cè)點(diǎn)下方是一塊完整的基巖，理論上，任何一個(gè)方向上有應(yīng)變的改變都可以分解為NS向與EW向上的分量變化；同理，也可將NS向與EW向上的變化合成為實(shí)際方向的變化量。離石地震臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)除了有NS分量與EW分量，還增加了NE分量觀測(cè)，為數(shù)據(jù)變化的真實(shí)性提供了自檢分析的可能。

1 三分量應(yīng)變儀測(cè)點(diǎn)概況

離石地震臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)儀安放于山洞硐室內(nèi)，洞深31 m，洞體覆蓋厚度43 m，三分量應(yīng)變觀測(cè)儀平面布設(shè)如圖1所示。山洞開挖于關(guān)帝山強(qiáng)烈隆起區(qū)，該區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來以持續(xù)抬升為主，斷塊內(nèi)差異運(yùn)動(dòng)極弱，屬穩(wěn)定的新構(gòu)造單元。距離洞室最近的斷裂為劉家岔斷裂，位于洞室北東向1.6 km處，斷裂為前第四紀(jì)斷裂，屬非活動(dòng)斷裂。洞室周邊500 m范圍內(nèi)無活動(dòng)斷裂，且節(jié)理裂隙也不發(fā)育。儀器洞室位于呂梁期花崗巖體中，該花崗巖巖性為淺紅色細(xì)粒～中粗粒黑云二長花崗巖，巖石有輕微的混合巖化，屬極硬巖石，微風(fēng)化，巖體屬堅(jiān)硬巖[7]。

離石地震臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)儀從2010年9月開始安裝試運(yùn)行，2012年后儀器穩(wěn)定運(yùn)行，由于測(cè)點(diǎn)所在處巖體較穩(wěn)定，且附近斷裂活動(dòng)較弱，所以自儀器穩(wěn)定運(yùn)行以來，數(shù)據(jù)平穩(wěn)變化。2014年8月后，應(yīng)變儀NS分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)加速變化，另外兩個(gè)分量數(shù)據(jù)變化幅度沒有出現(xiàn)同步加速變化(見圖2)，因此初步判定屬于構(gòu)造活動(dòng)的可能性較小，具體原因需進(jìn)一步論證。

2 模型構(gòu)建與分析

2.1 矢量模型分析

應(yīng)變是表示物體變形的程度，即在應(yīng)力作用下物體形狀和大小的改變量，線應(yīng)變是指物體受力發(fā)生變形后，所增加或縮短的長度與變形前長度的比值，即以其相對(duì)變形來量度，沒有量綱。理論上，對(duì)同一巖體而言，應(yīng)力與應(yīng)變之比是一個(gè)常數(shù)模量，根據(jù)力的合成與分解原理，可以將NS向與EW向應(yīng)變合成NE向應(yīng)變，用式(1)表示。

(1)

由式(1)可知，由NS向與EW向合成的應(yīng)變矢量與實(shí)際觀測(cè)的NE向應(yīng)變矢量之比為1，考慮到實(shí)際觀測(cè)環(huán)境可能還受其他因素的影響，實(shí)際的比值不是嚴(yán)格等于1，但基本應(yīng)該在1的附近?；诖?，將2013年—2014年的應(yīng)變觀測(cè)值按式(1)轉(zhuǎn)化為比值時(shí)序圖(見圖3)，由圖3可知，2014年8月之后，比值時(shí)序圖曲線明顯偏離理論值，不符合理論模型，因此認(rèn)為觀測(cè)值不符合自檢結(jié)果。

2.2 回歸模型分析

變量之間的關(guān)系一般分為兩種：一種是完全確定關(guān)系，即函數(shù)關(guān)系；一種是相關(guān)關(guān)系，即變量之間既存在著密切聯(lián)系，但又不能由一個(gè)或多個(gè)變量的值求出另一個(gè)變量的值。對(duì)于彼此聯(lián)系比較緊密的變量，通過建立一定的公式，可以在變量之間互相推測(cè)，回歸分析的目的就是用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述相關(guān)變量之間的關(guān)系。

由2.1可知，三分量應(yīng)變儀各個(gè)分量之間存在聯(lián)系，因此針對(duì)此次變化，采用MATLAB中的regress函數(shù)進(jìn)行多元回歸分析，具體步驟如下：

1)將三分量的日均值曲線進(jìn)行預(yù)處理，去除缺數(shù)以及異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用線性插值方法將數(shù)據(jù)補(bǔ)齊，然后將NE分量作為因變量，NS分量、EW分量作為自變量，建立二元回歸模型。

2)將此次數(shù)據(jù)快速變化前(2013年1月1日～2014年7月31日)的日均值作為模型建立的輸入數(shù)據(jù)，得到合成后的NE向觀測(cè)曲線，以及回歸函數(shù)。圖4是實(shí)際觀測(cè)曲線與合成觀測(cè)曲線的對(duì)比圖，式(2)為得到的回歸函數(shù)。

YNE=-681.37+0.771 5XNS+0.491 3XEW

(2)

其中，YNE為NE向觀測(cè)值；XNS為NS向觀測(cè)值；XEW為EW向觀測(cè)值。

通過分析異常變化前NE向與NS向、EW向的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)為0.743 4)，說明NE向與NS向、EW向本身之間存在較強(qiáng)相關(guān)性，建立的回歸模型可靠。

根據(jù)式(2)建立的回歸模型，利用NS，EW向觀測(cè)數(shù)據(jù)外推數(shù)

據(jù)異常期間(2014年8月1日～2014年12月31日)的NE向觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到外推NE向曲線與原始NE向觀測(cè)曲線對(duì)比圖(見圖5)。由圖5可知，異常期間NE向原始觀測(cè)值與外推的觀測(cè)值差異較大，綜合分析認(rèn)為，本次數(shù)據(jù)變化不滿足三分量自檢分析，因此數(shù)據(jù)異常變化為地震前兆異常的可能較小。

3 結(jié)語

洞體應(yīng)變儀安放于地震觀測(cè)山洞，觀測(cè)墩位于基巖上，任何一個(gè)分量的變化都不能是獨(dú)立的，必定會(huì)使另外兩個(gè)分量中的一個(gè)或者兩個(gè)也發(fā)生變化；換言之，其中一個(gè)分量必定與另外兩個(gè)分量存在一定的相關(guān)性。

通過應(yīng)變矢量合成與分解原理，將合成的NE分量與實(shí)際觀測(cè)的NE分量作比值運(yùn)算，結(jié)果表明2014年8月后比值時(shí)序圖出現(xiàn)大幅度的偏離理論值1，因此NS分量2014年8月的大幅度變化不屬于地殼應(yīng)變變化的作用。

二元相關(guān)性計(jì)算結(jié)果顯示NE分量確實(shí)與NS分量、EW分量有較高的相關(guān)系數(shù)，并建立二元回歸模型，其模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值有較高的一致性，但依據(jù)二元線性回歸模型外推出數(shù)據(jù)異常時(shí)段的NE分量數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)存在較大偏離，因此再次證實(shí)NS分量此次異常變化不是地震前兆異常變化。

通過構(gòu)建應(yīng)變矢量模型和回歸模型均得出數(shù)據(jù)異常時(shí)段不符合三分量應(yīng)變儀的自檢理論，因此認(rèn)為離石地震臺(tái)三分量應(yīng)變儀2014年8月的加速變化不是由地殼應(yīng)變引起的，可能是儀器傳感器本身問題造成的。

[1] 左 艷,冀林旺，商 亮，等.數(shù)字伸縮儀三分量空間合成分析及映震研究[J].華南地震，2011,31(3):101-111.

[2] 中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地形變測(cè)量(試用版)[M].北京:地震出版社,2008:212-226.

[3] 池順良,池 毅,鄧 濤，等.從5.12汶川地震前后分量應(yīng)變儀觀測(cè)到的應(yīng)變異?？唇ㄔO(shè)密集應(yīng)變觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的必要性[J].國際地震動(dòng)態(tài),2009(1):1-13.

[4] 彭 華,馬秀敏,姜景捷.山丹地應(yīng)力監(jiān)測(cè)站體應(yīng)變儀的地震效應(yīng)[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào),2008(2):97-108.

[5] 馮建琴,董甲弟,程冬焱，等.淺析山西應(yīng)變儀及鉆孔傾斜儀在日本9.0級(jí)地震前后映震特征[J].山西地震,2013(2):29-34，48.

[6] 呂 芳，張淑亮，胡玉良，等.山西靜樂井水位異常調(diào)查與分析[J].山西地震，2013(3):28-31.

[7] 山西省地震局.山西省地震監(jiān)測(cè)志[M].北京:地震出版社,2006:172-176.

The self-test analysis on the observation value of three-component strain meter★

Li Hongwei Wang Xia

(EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030021,China)

The reliability of observation data from three-component strain meter at Lishi seismic station is analyzed by the synthesis and decomposition principle of strain vector and the bivariate regression model. The results show that the ratio of NE component compounded by NS component and EW component and the observed NE component, and the contrast figure of extrapolation data obtained by regression model and the observed value are not in conformity with the theory of self-test. Therefore, the rapid change of NS component in August, 2014 is not caused by crustal strain, and probably due to the instrument itself.

strain meter, strain vector, the bivariate regression model, self-test analysis

1009-6825(2016)32-0054-02

2016-09-04

李宏偉(1986- )，男，碩士，工程師； 王 霞(1987- )，女，碩士，工程師

P315.61

A

★：山西省地震局科研項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：SBK-1604)；2016年度震情跟蹤青年課題(課題編號(hào)：2016010219)共同資助