張晨蕾 何明文 楊曉東 劉 盼 史春偉 陳嘉選

（中國西安710068 陜西省地震局）

0 引言

地殼形變觀測能夠直接捕捉地震孕育、發(fā)生過程中產(chǎn)生的形變變化。鉆孔體應(yīng)變觀測是一種小空間尺度的地殼形變觀測。將鉆孔應(yīng)變儀探頭安裝在鉆孔下方的基巖中，可精細觀測到地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)的連續(xù)變化，有助于研究地震應(yīng)力、應(yīng)變的發(fā)展變化規(guī)律，為地震相關(guān)研究提供基礎(chǔ)性背景資料（李希亮等，2013）。文中以乾陵地震臺（下文簡稱乾陵臺）2018—2020 年鉆孔體應(yīng)變觀測資料為研究對象，分析觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、干擾因素及映震能力，以期為其他相關(guān)數(shù)據(jù)分析提供參考。

1 觀測環(huán)境

乾陵臺位于陜西省咸陽市乾縣陵前村，海拔高度885 m，地質(zhì)構(gòu)造上屬渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺南緣接觸帶，臺基巖性為奧陶系炭巖，形變觀測屬國家Ⅰ類觀測項目。該臺地處渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原過渡地帶，關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北（楊曉東等，2018；楊小林等，2020）。

乾陵臺鉆孔體應(yīng)變觀測始于2007 年，于該年1 月13 日架設(shè)安裝TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變測量儀，1 月14 日開始運行。該臺體應(yīng)變鉆孔井孔為干孔，開口孔徑：150 mm，終孔孔徑：130 mm，孔深：71.3 m。TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變測量儀多年來運行良好，記錄曲線緩慢正向漂移，巖石呈壓性變化。

2 觀測資料質(zhì)量分析

選取乾陵臺2018—2020 年鉆孔體應(yīng)變觀測資料，從觀測資料完整性、年零漂和資料精度方面進行分析。

2.1 觀測資料完整性

觀測數(shù)據(jù)完整性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率上。連續(xù)率是指觀測設(shè)備記錄數(shù)據(jù)個數(shù)占原始采樣總數(shù)的百分比，完整率是指經(jīng)預(yù)處理后有效數(shù)據(jù)個數(shù)占應(yīng)有數(shù)據(jù)總數(shù)的百分比。分析2018—2020 年乾陵臺體應(yīng)變觀測資料，計算觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率，結(jié)果見表1，可見該臺體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率均高于99.5%，數(shù)據(jù)完整性較高。

2.2 年零漂

年零漂用來判斷基值的穩(wěn)定性。乾陵臺體應(yīng)變儀2018 年漂移量為2 201.4×10-9，2019 年為2 886.2×10-9，2020 年為2 377.7×10-9（表1），體應(yīng)變觀測曲線呈緩慢正向漂移，漂移量較明顯，近3 年體應(yīng)變儀漂移量滿足形變學(xué)科組觀測要求，說明觀測系統(tǒng)基值穩(wěn)定性較好。

2.3 觀測資料精度

基于最小二乘法的維尼迪柯夫調(diào)和分析方法，能夠計算體應(yīng)變潮汐因子及其相對誤差（精度），得到固體潮觀測值與其理論值的偏離情況，從而判斷觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量（盧雙苓等，2018）。計算得到乾陵臺2018—2020 年體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)潮汐因子及其絕對誤差和相對誤差，結(jié)果見表2，可見：該臺體應(yīng)變潮汐因子變化較穩(wěn)定，平均值在0.69±0.01 范圍內(nèi)；觀測精度（相對誤差）較好，平均值最小為0.012 8，最大為0.016 4。

表2 鉆孔應(yīng)變儀觀測資料調(diào)和分析結(jié)果Table 2 The results of harmonic analysis of observation data of borehole strainmeter

3 干擾分析

對選取的乾陵臺鉆孔體應(yīng)變觀測資料，從自然環(huán)境、觀測系統(tǒng)和人為干擾方面進行分析。

3.1 自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境變化會改變體應(yīng)變測項的監(jiān)測條件，影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。降雨和氣壓是乾陵臺體應(yīng)變觀測中受到的主要自然環(huán)境干擾。雨水到達地表后逐漸滲入巖體孔隙，導(dǎo)致孔隙水壓力增加，使得水位上升，從而引起巖體體應(yīng)變產(chǎn)生變化；氣壓變化會導(dǎo)致地面負(fù)載產(chǎn)生變化，從而引起巖體應(yīng)力、應(yīng)變的改變（李杰等，2003）。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2018 年5 月21 日當(dāng)?shù)亟涤炅?3.1 mm，乾陵臺體應(yīng)變觀測值上升56.2×10-9；2018 年4 月4 日氣壓發(fā)生劇烈變化，變幅為11.2 hPa（圖1）；該臺體應(yīng)變觀測曲線出現(xiàn)同步趨勢性轉(zhuǎn)折，變幅為58.8×10-9（圖2）。分析乾陵臺體應(yīng)變觀測與氣壓的相關(guān)性，計算得到二者相關(guān)系數(shù)為0.928 1，均大于李杰等（2003）給出的山東省3 個臺站體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)：泰安臺0.394、長清臺0.619、煙臺臺0.876，說明乾陵臺體應(yīng)變對氣壓變化的響應(yīng)更為靈敏。

圖1 體應(yīng)變、降雨量觀測曲線Fig.1 Curves of body strain and rainfall observation

圖2 體應(yīng)變、氣壓觀測曲線Fig.2 Curves of body strain and barometric pressure observation

3.2 觀測系統(tǒng)干擾

近年來乾陵臺UPS 電源穩(wěn)定性有所下降，對儀器正常觀測造成干擾。2020 年9 月29日00:02—00:16，UPS 電源發(fā)生故障，重啟后恢復(fù)正常；07:34—08:40，UPS 電源再次發(fā)生故障，斷電維修，導(dǎo)致該時段體應(yīng)變資料出現(xiàn)缺數(shù)、突跳和臺階（圖3）。

圖3 UPS 不穩(wěn)定記錄曲線Fig.3 Recording curve due to UPS instability

3.3 人為干擾

對儀器進行定期的檢修維護，也會對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。2018 年8 月25 日15:45—16:26，對乾陵臺體應(yīng)變儀進行檢修，根據(jù)需要，整理供電線路時進行臨時斷電，導(dǎo)致出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)突跳現(xiàn)象（圖4）。

圖4 檢修儀器記錄曲線Fig.4 Recording curve due to maintenance equipment

4 映震能力分析

據(jù)統(tǒng)計，2018—2020 年，全球共發(fā)生7.0 級及以上地震42 次，中國共發(fā)生6.0 級及以上地震15 次，其中：乾陵臺體應(yīng)變儀記錄到全球7.0 級及以上地震25 次（震時形變波形明顯），達地震總數(shù)的59.52%；記錄中國6.0 級及以上地震8 次，達地震總數(shù)的53.33%。可見，該臺體應(yīng)變儀對全球7.0 級及以上地震和中國6.0 級及以上地震同震響應(yīng)較明顯。

2018—2020 年乾陵臺體應(yīng)變儀記錄地震78 次，結(jié)果見表3，其中：①近震（震中距在100—1 000 km 范圍內(nèi)）5 次，其中震級最大為6.0（震中距762 km），體應(yīng)變儀記錄到波形異常變化持續(xù)時間為31 min，震級最小為2.2（震中距887 km），波形異常變化持續(xù)時間為8 min；②遠震（震中距大于1 000 km）73 次，其中震級最大為8.1（震中距9 741 km），波形異常變化持續(xù)時間為134 min，震級最小為3.8（震中距1 115 km），波形異常變化持續(xù)時間最短，為7 min。因此，乾陵臺鉆孔體應(yīng)變儀記錄地震震級越大，波形異常變化持續(xù)時間越長。

表3 乾陵臺鉆孔體應(yīng)變地震記錄Table 3 Earthquake catalog recorded with borehole strainmeter at Qianling Seismic Station

以2020 年3 月25 日10:49:19 千島群島7.5 級地震（48.93°N，157.74°E，震源深度30 km）為例，分析乾陵臺體應(yīng)變儀地震記錄特征。此次地震發(fā)生后，乾陵臺體應(yīng)變儀于當(dāng)日10:53—12:30 清晰記錄到此次地震異常波形，地震引起觀測數(shù)據(jù)突變，從而導(dǎo)致記錄波型發(fā)生變化，變化幅度51.7×10-9（圖5）。

圖5 乾陵臺體應(yīng)變地震波型記錄Fig.5 The record of coseismic wave of the body strain observation at Qianling Seismic Station

5 結(jié)果

通過對2018—2020 年乾陵臺體應(yīng)變觀測資料進行分析，可以得出以下結(jié)果：體應(yīng)變運行良好，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，表現(xiàn)在數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率和精度均較高；降雨和氣壓變化會對體應(yīng)變觀測資料產(chǎn)生干擾，表明體應(yīng)變儀靈敏度較高；體應(yīng)變儀對全球7.0 級及以上地震和中國6.0 級及以上同震響應(yīng)較明顯，震級越大，地震波形異常記錄持續(xù)時間越長。由于該臺體應(yīng)變儀架設(shè)時間較長，運行過程中會出現(xiàn)系統(tǒng)故障，影響正常觀測，需對儀器進行定期維護、檢修，有助于提升觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。