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        黃山地震臺(tái)體應(yīng)變氣壓效應(yīng)分析及修正

        2021-10-08 01:29:08李章李本有嚴(yán)吉程文坤尹天杰譚笑
        高原地震 2021年2期
        關(guān)鍵詞:黃山氣壓擾動(dòng)

        李章,李本有,嚴(yán)吉,程文坤,尹天杰,譚笑

        (1.安徽省黃山地震臺(tái),安徽 黃山 245011;2.安徽省涇縣地震臺(tái),安徽 涇縣 242500;3.安徽省嘉山地震臺(tái),安徽 明光 239461)

        0 引 言

        鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)是地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其變化規(guī)律的重要研究手段,同時(shí)也是現(xiàn)代地震前兆觀測(cè)手段中不可或缺的技術(shù)力量[1-2]。安徽省經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和改造,逐步形成了數(shù)字化體應(yīng)變監(jiān)測(cè)網(wǎng)。目前在網(wǎng)運(yùn)行的體應(yīng)變儀器有10余套。通過(guò)分析歷年的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn),自然環(huán)境(降雨、氣壓、水位等)的快速變化會(huì)導(dǎo)致體應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變,是最常見(jiàn)的干擾因素,給地震前兆異常識(shí)別帶來(lái)困難。其中氣壓畸變通過(guò)與大地耦合所產(chǎn)生的短臨動(dòng)力作用對(duì)大地形變的影響,成為地殼表面上最重要的快速加卸載源。本文對(duì)黃山地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“黃山臺(tái)”)體應(yīng)變和氣壓觀測(cè)資料進(jìn)行分析,建立氣壓干擾的數(shù)學(xué)公式,從而排除體應(yīng)變的氣壓干擾。

        通過(guò)建立體應(yīng)變氣壓效應(yīng)的修正公式,修正前后效果明顯,對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效修正有著重要的意義,對(duì)干擾識(shí)別、捕捉短臨地震異常有一定參考意義。

        1 觀測(cè)背景及工作原理

        黃山臺(tái)地處皖南山區(qū)屯溪、休寧盆地,近東西向的休寧斷裂帶和北東向的寧國(guó)—績(jī)溪斷裂帶從臺(tái)址附近通過(guò),臺(tái)址巖性為砂巖。鉆孔體應(yīng)變于2009年開(kāi)始架設(shè)觀測(cè),孔徑130 mm,孔深68.2 m,微風(fēng)化泥巖。臺(tái)站應(yīng)變曲線光滑,固體潮清晰,日變規(guī)律較為明顯,具有良好的周期性特征(潮汐因子和相對(duì)誤差分別在0.761、0.041 8左右)。體應(yīng)變自觀測(cè)以來(lái),能保持較高的運(yùn)行率和數(shù)據(jù)完整率。

        鉆孔應(yīng)變儀作為觀測(cè)地殼應(yīng)變微小連續(xù)變化的前兆觀測(cè)儀器,不僅能清晰記錄到固體潮、地震波、震前異常等重要信息,還能記錄到氣壓、降雨等對(duì)地應(yīng)變場(chǎng)的干擾。儀器的工作原理較為簡(jiǎn)單,即一個(gè)長(zhǎng)圓形的彈性筒內(nèi),充滿了硅油,當(dāng)它受到四周巖石的擠壓或拉伸時(shí),筒內(nèi)的液體壓力發(fā)生改變,通過(guò)液壓的增大或縮小,即可得知巖石的應(yīng)變狀態(tài)是壓縮還是拉伸。國(guó)內(nèi)外的一些專家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),大氣壓的波動(dòng)會(huì)對(duì)地殼形變產(chǎn)生一定的影響,約為10-9量級(jí)[3-5],因此在分析觀測(cè)資料時(shí)很容易將氣壓干擾誤認(rèn)為是短臨異常,掩蓋了觀測(cè)值的真實(shí)變化。

        2 氣壓效應(yīng)分析方法

        根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明,體應(yīng)變觀測(cè)受到多種干擾因素的影響[3-4],常見(jiàn)的干擾因素按照干擾嚴(yán)重程度排序依次是:自然環(huán)境(降雨、氣壓、水位等)、觀測(cè)環(huán)境以及儀器穩(wěn)定性。收集整理黃山臺(tái)體應(yīng)變和氣壓觀測(cè)資料可知,黃山臺(tái)體應(yīng)變有很好的趨勢(shì)變化特征和年變變化特征,而其他分量氣壓、水位、氣溫等均只有年變變化特征。氣壓影響體應(yīng)變變化可以分為兩種類型,一種是像固體潮一樣呈現(xiàn)周期性干擾,另一種是無(wú)明顯特點(diǎn)的非周期性干擾,其中短周期氣壓擾動(dòng)對(duì)體應(yīng)變影響比較顯著。黃山臺(tái)體應(yīng)變受氣壓干擾,并呈周期性干擾變化(圖1)。

        圖1 典型氣壓干擾曲線

        2.1 相關(guān)分析

        氣壓通過(guò)地面載荷導(dǎo)致巖石孔隙壓發(fā)生變化從而影響體應(yīng)變觀測(cè)。具體表現(xiàn)為氣壓變化在鉆孔的垂直方向產(chǎn)生影響,巖體的側(cè)向圍壓在鉆孔的水平方向產(chǎn)生影響。根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識(shí),可以簡(jiǎn)單的從理論上建立出大氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響模型公式[6-7]:

        ε=bΔPa

        (1)

        在這個(gè)公式中:ε為鉆孔體應(yīng)變;b為氣壓影響系數(shù);ΔPa為大氣壓增量。通過(guò)公式分析可知,簡(jiǎn)單模型下體應(yīng)變和氣壓呈正相關(guān)性。

        另根據(jù)實(shí)際觀測(cè)中氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響特征分析發(fā)現(xiàn),氣壓在短時(shí)出現(xiàn)顯著大幅擾動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致體應(yīng)變發(fā)生同步擾動(dòng),而且擾動(dòng)形態(tài)基本一致,擾動(dòng)時(shí)間段基本一致,因此可知二者線性相關(guān)性明顯?;诖?,可以建立氣壓和體應(yīng)變觀測(cè)值之間的一元線性回歸方程。

        Yt=a+b·Pt

        (2)

        式中:Yt為體應(yīng)變觀測(cè)整點(diǎn)值,Pt為氣壓觀測(cè)整點(diǎn)值,b為回歸系數(shù),a為常數(shù)項(xiàng)。經(jīng)相關(guān)計(jì)算得到,a=-23 044.50,b=5.06,相關(guān)系數(shù)R=0.96。

        綜合簡(jiǎn)單理論模型和一元線性回歸計(jì)算結(jié)果,可得氣壓和體應(yīng)變二者高度正相關(guān)。

        2.2 別爾采夫?yàn)V波分析

        別爾采夫?yàn)V波是一種比較簡(jiǎn)單方便去除潮汐成分的方法,選取黃山臺(tái)2018年以來(lái)整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù),利用別爾采夫?yàn)V波法去除體應(yīng)變的固體潮和氣壓的短期變化影響。

        設(shè)一組等時(shí)間序列y(t)=y1+y2+y3+y4+…yi,公式如下:

        (3)

        (4)

        3 氣壓干擾修正

        由上述分析可知,體應(yīng)變?cè)谟^測(cè)中會(huì)受到多種干擾因素的影響,因此為探究氣壓因素對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)影響,可將其他所有非氣壓因素歸為一類。當(dāng)體應(yīng)變與氣壓出現(xiàn)同步擾動(dòng)時(shí),可認(rèn)為此時(shí)體應(yīng)變主要受氣壓影響,而非氣壓因素忽略不計(jì)。

        3.1 長(zhǎng)周期氣壓影響消除

        長(zhǎng)周期性氣壓和體應(yīng)變曲線,在相位上較同步,分析二者相關(guān)性:

        Yt=a+b·Pt

        (5)

        Yt為體應(yīng)變觀測(cè)值,Pt為氣壓觀測(cè)值,a,b為回歸數(shù)值。代入體應(yīng)變和氣壓觀測(cè)值,即可求得回歸值a,b。再將a,b以及氣壓Pt代回方程中,即可得到一條曲線Y’t,將其從體應(yīng)變觀測(cè)值中減去,氣壓干擾就被去除。Yt-Y’t即為體應(yīng)變消除長(zhǎng)周期氣壓干擾的殘差值。

        選取黃山臺(tái)2017年7月體應(yīng)變和氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,二者的原始數(shù)據(jù)曲線分別為圖2a、b。經(jīng)過(guò)別爾采夫?yàn)V波后的體應(yīng)變和氣壓分別為圖3a、b,消除氣壓干擾后的體應(yīng)變?yōu)閳D3c。

        圖2 體應(yīng)變和氣壓原始曲線

        圖3 體應(yīng)變消除氣壓(長(zhǎng)周期)干擾

        3.2 短周期氣壓影響消除

        短周期氣壓對(duì)體應(yīng)變影響較大,同時(shí)固體潮汐也影響體應(yīng)變?nèi)兆?,這里只考慮短時(shí)氣壓干擾。P(t+Δt)為氣壓,Δt為干擾延時(shí),假設(shè)P(t+Δt)=Pt+Δt·P’t,則有:

        Yt=a+b·P(t+Δt),

        Yt=a+ b·(Pt+Δt×P’t)

        (6)

        帶入數(shù)據(jù),即可求得a,b,再將a,b以及氣壓Pt帶回方程中,即可得到Y(jié)’t,將其從體應(yīng)變觀測(cè)值中減去,得到殘差值,即短期氣壓干擾就被去除。

        選取黃山臺(tái)2020年7月19日至20日體應(yīng)變和氣壓觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,二者的原始數(shù)據(jù)曲線為圖4a、b。經(jīng)過(guò)別爾采夫?yàn)V波后的體應(yīng)變和氣壓分別為圖5a、b,消除氣壓干擾后的體應(yīng)變?yōu)閳D5c。

        圖4 體應(yīng)變和氣壓原始曲線

        圖5 體應(yīng)變消除氣壓(短周期)干擾

        綜合上述,可以看出,經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)改正后,典型氣壓干擾得以修正,同步擾動(dòng)幅度明顯減弱甚至消失,曲線形態(tài)顯著變化。

        4 結(jié) 論

        體應(yīng)變儀的探頭埋于地下一定程度上減小了地表干擾,但由于孔井地質(zhì)條件,如鉆孔巖層裂隙較大、穿過(guò)破碎帶、氣壓等因素都會(huì)對(duì)體應(yīng)變儀觀測(cè)造成復(fù)雜的影響。對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效修正有著重要的意義,對(duì)干擾識(shí)別、捕捉短臨地震異常有一定參考意義。通過(guò)對(duì)黃山臺(tái)歷年觀測(cè)資料分析可得結(jié)論如下:

        (1)黃山臺(tái)位于皖南山區(qū),且?guī)r性為砂巖,體應(yīng)變隨氣壓波動(dòng)而波動(dòng),相互間變化形態(tài)基本一致。通過(guò)計(jì)算,二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上,呈高度正相關(guān),黃山臺(tái)體應(yīng)變受氣壓干擾嚴(yán)重。

        (2)通過(guò)建立體應(yīng)變氣壓效應(yīng)的修正公式,分別對(duì)長(zhǎng)周期氣壓干擾和短周期氣壓干擾進(jìn)行修正,修正前后效果明顯,同步擾動(dòng)幅度明顯減弱甚至消失,曲線形態(tài)更加光滑,說(shuō)明干擾修正效果顯著。

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