尤宇星，羅開(kāi)奇，陳新興，張有明，林文峰

（泉州基準(zhǔn)地震臺(tái)，福建 泉州 362000）

0 引言

鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)，屬于地殼形變觀測(cè)的一種小空間尺度的觀測(cè)。TJ-2型鉆孔體應(yīng)變儀一般安裝在井下幾十米至數(shù)百米深的基巖中，探頭鋼筒用膨脹水泥與巖石耦合，保證應(yīng)力與位移在邊界上連續(xù)，其觀測(cè)靈敏度達(dá)到10-9的量級(jí)［1］?？梢圆蹲降截S富的信息，卻不可避免地夾雜一些非構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的外界干擾因素。因此，各觀測(cè)井的埋深、井孔條件、觀測(cè)環(huán)境的不同，使體應(yīng)變記錄到的固體潮亦受到很多不同因素的干擾［2-3］。泉州地區(qū)目前有三套TJ-2C鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)儀，分別位于泉州市地震局院內(nèi)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)泉州局）、泉州地震臺(tái)院內(nèi)羅鼓山下（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)3） 和清源山山下1號(hào)洞洞內(nèi)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)點(diǎn)7），本文擬以這三個(gè)觀測(cè)井2015年的觀測(cè)資料進(jìn)行以下幾個(gè)問(wèn)題的對(duì)比分析：（1）觀測(cè)資料質(zhì)量；（2）受到的干擾因素；（3）映震效能。以此為依據(jù)評(píng)價(jià)各觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行狀況及臨震異常特征，以期能夠在鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)方面提出對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)更科學(xué)合理的建議。

1 井孔條件及儀器概況

泉州臺(tái)位于北東向的長(zhǎng)樂(lè)—詔安斷裂帶與北西向的永安—晉江斷裂帶兩組斷裂帶的交匯點(diǎn)附近的羅鼓山，其海拔高程25 m，2001年8月在羅鼓山下架設(shè)了一臺(tái)TJ-2C型體積式鉆孔應(yīng)變儀，鉆孔巖性為二長(zhǎng)花崗巖，基巖完整、裂隙不發(fā)育，井深72 m。2014年11月在距羅鼓山400 m處的清源山1號(hào)洞洞內(nèi)又安裝了一臺(tái)TJ-2C型體積式鉆孔應(yīng)變儀，鉆孔巖性為二長(zhǎng)花崗巖，基巖完整、裂隙不發(fā)育，但在孔深8 m處有漏水，井深42 m。泉州局體應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)安裝于2002年9月，成孔井深100 m，基巖完整，鉆孔巖性為花崗巖。這三套儀器工作穩(wěn)定，抗干擾性能比較強(qiáng)，精度與格值符合規(guī)范要求，主要受降雨、水位、氣壓干擾較大。體應(yīng)變分鐘值曲線能清晰記錄到日變潮汐波形與遠(yuǎn)震波形。

2 觀測(cè)質(zhì)量分析

2.1 觀測(cè)資料的完整性

資料缺記率按原始采樣數(shù)據(jù)缺記率（N原）和整時(shí)值缺記率（N時(shí)） 分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

再以下式計(jì)算得出平均缺記率：

表1 統(tǒng)計(jì)各觀測(cè)井平均缺記率

2.2 觀測(cè)資料的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

這三套儀器的日變動(dòng)態(tài)曲線均清晰、光滑、穩(wěn)定，與理論固體潮一致性很好（圖1）。泉州臺(tái)兩套儀器年變動(dòng)態(tài)受降雨等因素的影響在長(zhǎng)趨勢(shì)情況下上呈較明顯的壓性變化，而泉州局年變動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，在長(zhǎng)趨勢(shì)情況下上呈微弱的壓性變化。體應(yīng)變觀測(cè)資料的年變幅和年零漂可以反映觀測(cè)儀器的穩(wěn)定性（表2）。鉆孔應(yīng)變儀的傳感器埋深大，由膨脹水泥與基巖耦合為一體，理論上體應(yīng)變傳感器不應(yīng)出現(xiàn)由于地表氣溫變化引起的年變形態(tài)，年變幅應(yīng)保持在一個(gè)較小且穩(wěn)定的范圍內(nèi)；年零漂可用來(lái)衡量觀測(cè)儀器及其墩基的穩(wěn)定程度，如墩基穩(wěn)定且耦合較好則儀器零漂小，獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)精確性便高［1］。泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3與泉州局體應(yīng)變已安裝多年，均進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，年變幅和年零漂均較小，而泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7在2014年11月安裝以來(lái)，亦慢慢趨于穩(wěn)定，月零漂從2015年1月527.6×10-9， 6 月為 425.1×10-9， 而 12 月則為331.9×10-9，開(kāi)閥次數(shù)亦從2014年12月以來(lái)的一個(gè)月多次到2015年全年共三次。

表2 統(tǒng)計(jì)各觀測(cè)井動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

圖1 泉州地震臺(tái)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)7與泉州局同期日變動(dòng)態(tài)曲線Fig.1 The dynamic curves of Monitoring Point 1 and 7 at Quanzhou Seismic Station at 1 and 7 and Quanzhou Bureau’s data in the same period

2.3 觀測(cè)資料的主要干擾分析

2.3.1 長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化的影響因素

從2015年泉州地區(qū)這三套體應(yīng)變觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，除儀器自身的工作狀態(tài)以外，主要存在兩個(gè)干擾因素：降雨和水位的影響。泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3及測(cè)點(diǎn)7觀測(cè)井成孔新鮮、完整、密封性良好，井孔條件類(lèi)似，觀測(cè)井井水位在安裝完成后進(jìn)入穩(wěn)定階段。能引起觀測(cè)井井水位變化的最大因素是降雨，而由于泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3、7分別處于羅鼓山和清源山山腳下，易于被滲透積水，所以受到的干擾較大，長(zhǎng)期干擾影響如2015年5月18日至6月10日、7月16日至7月31日以及9月1日至9月29日（圖2方框所示） 以及12月2日至9日的四次連續(xù)降雨，羅鼓山體應(yīng)變觀測(cè)曲線年變動(dòng)態(tài)由原來(lái)的張性變化轉(zhuǎn)變?yōu)閴盒宰兓?，最大幅度達(dá)1110.7×10-9。泉州局觀測(cè)井地處較為平坦的新興商業(yè)區(qū)，周?chē)鶠橐殉尚偷霓k公或住宅區(qū)域，無(wú)抽灌水、大型項(xiàng)目施工等現(xiàn)象，加上該觀測(cè)井井口密封良好，故其年動(dòng)態(tài)受降水的干擾很小。

圖2 泉州地震臺(tái)測(cè)點(diǎn)3、降雨、測(cè)點(diǎn)7年變動(dòng)態(tài)圖Fig.2 The annual variable dynamic graph of Monitoring Point 3，rainfall and point 7 at Quanzhou Seismic Station.

2.3.2 短期動(dòng)態(tài)變化的影響因素

泉州地區(qū)使用的氣壓計(jì)分辨率為0.1 hPa，而體應(yīng)變儀靈敏度優(yōu)于1×10-9，因此微小的氣壓影響都可能被體應(yīng)變觀測(cè)記錄到。對(duì)2015年1月20—21日測(cè)點(diǎn)3（采用測(cè)點(diǎn)7輔助測(cè)項(xiàng)輔助氣壓）、測(cè)點(diǎn)7、泉州局體應(yīng)變與氣壓分鐘值一元回歸分析結(jié)果顯示，相關(guān)系數(shù)和回歸系數(shù)分別為 0.67， 6.74×10-9/hPa； 0.43， 5.28×10-9/hPa；0.36，4.12×10-9/hPa，3個(gè)臺(tái)體應(yīng)變與氣壓均較顯著的相關(guān)。鉆孔應(yīng)變雖然與氣壓顯示出顯著的相關(guān)性，但是只有當(dāng)氣壓出現(xiàn)短時(shí)劇烈波動(dòng)時(shí)體應(yīng)變觀測(cè)值才會(huì)同步出現(xiàn)顯著變化，表現(xiàn)為固體潮曲線波動(dòng)畸變,如2015年8月7日至9日氣壓波動(dòng)下降19.3 hPa，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3、泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7體應(yīng)變觀測(cè)曲線亦均同步呈下降—緩慢上升—恢復(fù)原狀，其中泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3下降幅度為136.9×10-9，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7下降幅度為134.1×10-9，泉州局下降幅度為50.4×10-9。

2015年9月6日15：22泉州臺(tái)及泉州局均記錄到氣壓突然上升，15：32開(kāi)始降雨，降水量20分鐘達(dá)到7.4 mm，分別引起羅鼓山體應(yīng)變觀測(cè)值形態(tài)階躍14.0×10-9，清源山體應(yīng)變觀測(cè)值形態(tài)階躍136.9×10-9，然后均呈指數(shù)形式衰減—正常波動(dòng)水平，測(cè)點(diǎn)3時(shí)間滯后約20 min，測(cè)點(diǎn)7時(shí)間滯后約60 min。泉州局體應(yīng)變則表現(xiàn)不明顯，這一效應(yīng)可在觀測(cè)曲線上明顯看出（圖3）。

圖3 泉州地震臺(tái)測(cè)點(diǎn)3與測(cè)點(diǎn)7短期遇大暴雨的干擾動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The disturbance of the Monitoring Point 3 and 7 at Quanzhou Seismic Station in short term

2.4 觀測(cè)資料的固體潮調(diào)和分析結(jié)果

為了從監(jiān)測(cè)地震前兆角度對(duì)觀測(cè)井內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以觀測(cè)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，以參加計(jì)算的數(shù)據(jù)文件作為評(píng)價(jià)單元，以分析計(jì)算結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)［2］。作者對(duì)這三套體應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行調(diào)和分析得到M2波振幅因子及其相對(duì)中誤差（表3）。潮汐因子月均值RM2，為M2波潮汐因子逐月計(jì)算結(jié)果的均值，它表征體應(yīng)變觀測(cè)響應(yīng)的靈敏度，顯然，地震前兆監(jiān)測(cè)需要該值越大越好。而M2波振幅因子的相對(duì)中誤差則檢驗(yàn)其觀測(cè)資料的精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性［3］。由于泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3因11月主機(jī)故障缺記、12月維修直至恢復(fù)正常受到干擾、清源山測(cè)點(diǎn)4月、7月、11月因體應(yīng)變開(kāi)閥而導(dǎo)致潮汐因子及中誤差畸變（表4）。從其他時(shí)間段內(nèi)的月潮汐因子中誤差統(tǒng)計(jì)看出，泉州地區(qū)這三套體應(yīng)變觀測(cè)儀器均達(dá)到優(yōu)秀臺(tái)站1類(lèi)臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 統(tǒng)計(jì)各觀測(cè)井潮汐因子

表4 統(tǒng)計(jì)各觀測(cè)井潮汐因子相對(duì)中誤差

3 地震映震效能分析

3.1 各測(cè)點(diǎn)地震映震能力分析

通過(guò)對(duì)泉州地區(qū)體應(yīng)變儀記錄的同震變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制出了體應(yīng)變映震能力圖：2015年全球共發(fā)生了19次7級(jí)及以上地震，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3記錄到10例，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7記錄到17例，泉州局記錄到14例；其中震中距4000 km范圍內(nèi)發(fā)生7級(jí)及以上地震14次，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7和泉州局均記錄到14例，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3記錄到5例；其中，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7記錄最小地震為5.0級(jí)，震中距261 km；而對(duì)于遠(yuǎn)震大震，如智利地震7.5級(jí)，震中距18088 km，泉州地區(qū)這三套儀器也均有較完整的記錄。從圖4可以看出，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7體應(yīng)變的靈敏度最好，記錄地震個(gè)數(shù)最多。

圖4 泉州地區(qū)體應(yīng)變儀映震能力圖Fig.4 Seismic capacity of bulk strain gauge in Quanzhou area

3.2 各測(cè)點(diǎn)對(duì)臺(tái)灣地區(qū)強(qiáng)震映震特征分析

臺(tái)灣地區(qū)及其附近海域在2015年全年共發(fā)生MS5.0級(jí)以上地震15次，其中泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3記錄到其中5次，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7記錄到其中9次，泉州局測(cè)點(diǎn)記錄到3次，臺(tái)灣地區(qū)及其附近海域MS5.0～6.0之間記錄到的同震波形更多的是以尖峰突跳為主，持時(shí)不超過(guò)10 min，記錄到最遠(yuǎn)震中距為410 km，震前基本上觀察不到異常波形。在MS6.0級(jí)以上時(shí)，以2015年02月14日04：07—04：30的臺(tái)灣臺(tái)東縣附近海域（北緯 22.6°， 東經(jīng) 121.5°）。 04：06 發(fā)生 MS6.2級(jí)地震（震源深度7 km），震中距391 km為例（表5）。在該震例圖中可以明顯看到測(cè)點(diǎn)7于03：56起至發(fā)震時(shí)刻前，體應(yīng)變觀測(cè)曲線不再光滑，出現(xiàn)高頻的毛刺現(xiàn)象（圖5），根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)研究認(rèn)為這種現(xiàn)象是由于地震孕育到一定程度，由于孕育區(qū)的微裂隙出現(xiàn)擴(kuò)展、串通，使得觀測(cè)區(qū)介質(zhì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致觀測(cè)區(qū)的鉆孔體應(yīng)變儀記錄到的潮汐因子發(fā)生畸變。目前，需要積累更多此類(lèi)的震例及其震前異?，F(xiàn)象，為地震預(yù)報(bào)提供更為精確的判斷。

表5 2015年2月14日臺(tái)灣臺(tái)東縣附近海域MS6.2級(jí)地震同震特征

圖5 2015年2月14日臺(tái)灣臺(tái)東縣附近海域MS6.2級(jí)同震波形Fig.5 The coseismal waveform of MS6.2 earthquake on Feb.14，2015 near Taiwan taitung county

3.3 各測(cè)點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)震大震映震特征分析

泉州地區(qū)這三套體應(yīng)變觀測(cè)儀器的分鐘值能夠記錄到非常完整的大震遠(yuǎn)震波，如2015年09月17日06：54智利中部沿岸近海8.2級(jí)、07：18智利 6.8級(jí)、09：41智利 6.0級(jí)、 11∶55智利6.1級(jí)以及12：10智利中部沿岸近海6.8級(jí)等多個(gè)地震，其中最大地震為智利中部沿岸近海（南緯 31.6°， 西經(jīng) 71.6°） 06：54 發(fā)生 8.2 級(jí)地震，震源深度20 km，震中距18791 km為例。從下表看出震級(jí)越大，震中距越遠(yuǎn)，同震波形衰減時(shí)間越久，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，清源山測(cè)點(diǎn)持續(xù)波動(dòng)了將近8個(gè)小時(shí)才恢復(fù)正常變化（圖6）。

表6 2015年9月17日智利MS8.2級(jí)為主群震同震特征

圖6 2015年9月17日智利Ms8.2級(jí)為主群震同震波形Fig.6 The coseismal waveform of Chile Ms8.2 earthquake on Sep.17，2015

4 結(jié)論

泉州地區(qū)這三套體應(yīng)變觀測(cè)資料連續(xù)，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3（羅鼓山） 測(cè)點(diǎn)完整率較差，但內(nèi)在精度均較高，年動(dòng)態(tài)均由于受到6、7、9、12月份降雨影響，年變動(dòng)態(tài)均處于較明顯的壓性變化，泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7（清源山） 由于尚處于待穩(wěn)定階段，年零漂較大，泉州局年動(dòng)態(tài)則非常穩(wěn)定。

對(duì)各臺(tái)體應(yīng)變資料調(diào)和分析得到的M2波振幅因子相對(duì)中誤差如表2所示。即各臺(tái)資料觀測(cè)質(zhì)量排序?yàn)槿菥?、泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7（清源山）、泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)3（羅鼓山），顯示出受氣壓、降雨影響明顯的臺(tái)站其資料觀測(cè)精度較低，正確地反映了各體應(yīng)變臺(tái)觀測(cè)資料整體質(zhì)量水平。

這三套儀器的體應(yīng)變分鐘值均能清晰地記錄到臺(tái)灣5.5級(jí)以上、全球7級(jí)以上地震，通過(guò)分析它們的映震效能得到：震級(jí)越大，形變波衰減時(shí)間越長(zhǎng)，振幅也越大，波形也更尖銳；其中泉州臺(tái)測(cè)點(diǎn)7（清源山）體應(yīng)變的靈敏性最好，也多次出現(xiàn)過(guò)臨震異常。對(duì)于出現(xiàn)臨震前兆異?，F(xiàn)象，需要積累更多的案例，以期未來(lái)能夠?yàn)榈卣痤A(yù)報(bào)或預(yù)警提供更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。