無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行模式及探討

唐 磊 邱澤華 郭燕平 唐小勇 徐 斌

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無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行模式及探討

唐 磊1）邱澤華1）郭燕平1）唐小勇2）徐 斌3）

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京100085?2）重慶市地震局，重慶401147?3）北京市地震局，北京100080

根據(jù)13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行狀況、觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和潮汐因子相對中誤差以及日常維護(hù)情況等，本文總結(jié)了無人值守臺站相比有人值守臺站的優(yōu)勢及存在的問題，探討了未來無人值守臺站的建設(shè)及運(yùn)行時需要注意的問題，旨在為無人值守模式鉆孔應(yīng)變臺站的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

鉆孔應(yīng)變觀測 無人值守臺站 數(shù)據(jù)質(zhì)量

引言

隨著城市化的快速發(fā)展，其對現(xiàn)有地震臺站的觀測儀器影響也日益增大。由于受工程建設(shè)、抽水灌溉、礦產(chǎn)開采等外部環(huán)境因素的影響，地震臺站的儀器觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量也受到了越來越明顯的影響，這給地震臺站的異常信息分析及識別帶來了很大的困難。在地震前兆臺網(wǎng)觀測儀器中，鉆孔應(yīng)變儀的觀測靈敏度較高，其靈敏度系數(shù)可達(dá)10-10（邱澤華等，2002），受外部環(huán)境干擾影響較大，所以在臺站安裝鉆孔應(yīng)變儀前，臺址和臺站運(yùn)行模式的選擇就顯得尤為重要。

從2006年開始，國家地震前兆臺網(wǎng)中心與部分區(qū)域臺網(wǎng)中心嘗試?yán)脽o人值守運(yùn)行模式進(jìn)行鉆孔應(yīng)變觀測。到2008年底，共在北京、重慶、甘肅等地建設(shè)無人值守鉆孔應(yīng)變臺站13個。通過近年來的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，這些鉆孔應(yīng)變臺站與有人值守臺站相比有其自身的特點(diǎn)，但也存在著明顯的不足。隨著地震臺站數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快，無人值守鉆孔應(yīng)變臺站將會成為未來地震臺站觀測的重要運(yùn)行模式之一，但如何改進(jìn)無人值守運(yùn)行模式存在的缺點(diǎn)，將成為急需解決的關(guān)鍵問題。為此，筆者根據(jù)13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行狀況、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及日常維護(hù)情況等，總結(jié)了無人值守鉆孔應(yīng)變臺站相比有人值守臺站的優(yōu)勢以及存在的問題，探討了未來無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的建設(shè)及運(yùn)行時需要特別關(guān)注的問題，以期為無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行模式提供參考。

1 無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的基本概況

在國家地震前兆臺網(wǎng)中，共有13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站較早安裝了鉆孔應(yīng)變儀，具體情況如表1所示。這些鉆孔應(yīng)變臺站并未集中分布在同一地震斷裂帶或同一區(qū)域，而是分別布設(shè)在北京、甘肅、重慶、四川等四個區(qū)域。同時，這些鉆孔應(yīng)變臺站分別由不同的項(xiàng)目資助完成，其中，北京、四川及重慶合川云門的鉆孔應(yīng)變臺站由中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目資助；重慶地區(qū)的其他6個鉆孔應(yīng)變臺站由三峽庫區(qū)重慶段地震監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目資助（陳敏等，2011）；甘肅地區(qū)的2套體應(yīng)變儀由臺陣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資助。這種根據(jù)不同項(xiàng)目布設(shè)鉆孔應(yīng)變臺站的模式，未來還會被各種項(xiàng)目繼續(xù)沿用，所以在制定鉆孔應(yīng)變臺站的規(guī)劃中，可將已經(jīng)（或未來準(zhǔn)備）布設(shè)的鉆孔應(yīng)變臺站一并進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，如此可形成密度較大的區(qū)域鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)。同時，目前已經(jīng)運(yùn)行的無人值守鉆孔應(yīng)變臺站，又可為未來建設(shè)更多的無人值守鉆孔應(yīng)變臺站提供借鑒和參考。

在目前已有的13個鉆孔應(yīng)變臺站中，共安裝了2套TJ-2型體應(yīng)變儀、5套YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀和6套RZB型分量鉆孔應(yīng)變儀。而在國家地震前兆臺網(wǎng)中，也主要是上述三種鉆孔應(yīng)變儀。上述13套儀器的探頭埋深跨度在37—100m之間，且儀器已連續(xù)運(yùn)行了5年以上（截止到2013年12月31日），已經(jīng)為探討無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行模式提供了大量可借鑒的觀測資料。

表1 無人值守鉆孔應(yīng)變臺站基本概況

2 鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量狀況

根據(jù)中國地震局地殼形變臺網(wǎng)中心觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評比細(xì)則（陳志遙等，2012），鉆孔應(yīng)變觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量主要以數(shù)據(jù)的連續(xù)率和M2波潮汐因子相對中誤差為評價指標(biāo)，如表2所示。為此，筆者將從這兩個方面分別對現(xiàn)有無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。

表2 鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價指標(biāo)

2.1 鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率

鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率可反映出某一時間段內(nèi)，觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性，一般的可表示為：

（1）

式中，N為某時間段實(shí)測數(shù)據(jù)數(shù)量；N為某時間段應(yīng)測數(shù)據(jù)數(shù)量。

對于上述13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站，筆者選取2009—2013年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表3為13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的年度觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率。需說明的是，在計(jì)算觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率時，分量鉆孔應(yīng)變儀的連續(xù)率為4個測道觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率的均值。從表3可以看出，除了寺灘鉆孔應(yīng)變臺站各年度觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率較低以外，大多數(shù)鉆孔應(yīng)變臺站各年度觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率均在95%以上（除個別年度外）。總體上而言，鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)的完整性較高。表3中，懷柔對石村臺站的鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行安裝時，由于應(yīng)變傳感器與巖石壁接觸松弛，致使觀測數(shù)據(jù)不正常無法使用，故未計(jì)算觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率及M2波潮汐因子相對中誤差。

表3 無人值守鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率

觀測數(shù)據(jù)連續(xù)是無人值守鉆孔應(yīng)變臺站必須具備的基本條件。從表3可以看出，在13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站中，部分臺站存在經(jīng)常缺失觀測數(shù)據(jù)的情況。圖1為甘肅寺灘鉆孔應(yīng)變臺站2010年的觀測曲線，從圖中可以看出，從2010年8月開始觀測數(shù)據(jù)缺失，嚴(yán)重影響了觀測數(shù)據(jù)的正常使用，致使觀測數(shù)據(jù)的利用價值較低。

筆者對13個鉆孔應(yīng)變臺站進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，引起觀測數(shù)據(jù)缺失的主要原因是供電故障和通訊故障?？紤]到無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的供電大多是利用當(dāng)?shù)氐碾娫?，由于?jīng)常會出現(xiàn)斷電的情況，所以需要由蓄電池提供相對持久的電源來維持運(yùn)行。為此筆者建議，在進(jìn)行儀器安裝時，需配備性能較高的UPS電源以防斷電，可采用市電和太陽能供電相結(jié)合的方式供電，而不采用地方電源。另外，還要盡量利用先進(jìn)和穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，以避免網(wǎng)絡(luò)中斷引起的觀測數(shù)據(jù)缺失。

2.2 鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量

對鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評價時，M2波潮汐因子相對中誤差是一項(xiàng)重要的評介指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

（2）

式中，為M2波的中誤差；R為M2波潮汐因子（形變學(xué)科通訊，2008）。

可反映出鉆孔應(yīng)變儀記錄固體潮的能力，越小，觀測數(shù)據(jù)曲線呈現(xiàn)的固體潮越清晰，表明觀測數(shù)據(jù)的可信度越高。

表4為無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的M2波潮汐因子相對中誤差，同連續(xù)率的計(jì)算一樣，分量鉆孔應(yīng)變儀的為4個測道觀測數(shù)據(jù)的均值。從表中可以看出，順義龍灣屯、墊江新民、奉節(jié)紅土、金河臺的值較高，未達(dá)到良好以上，說明這些臺站的觀測數(shù)據(jù)記錄固體潮的能力較低，在觀測曲線上呈現(xiàn)的固體潮不清晰或無固體潮；而其他9個臺站觀測數(shù)據(jù)記錄固體潮的曲線清晰，表明觀測結(jié)果可靠。

表4 無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的潮汐因子相對中誤差

筆者對13個鉆孔應(yīng)變臺站的M2潮汐因子相對中誤差進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，其中奉節(jié)紅土、墊江新民，北京順義龍灣屯、懷柔對石村臺由于觀測環(huán)境差，干擾較大，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，觀測曲線固體潮不清晰，加大了從觀測數(shù)據(jù)中提取異常信號的難度，其觀測數(shù)據(jù)的實(shí)用性較低；重慶合川云門臺的第1測道、平谷茅山后村臺第3測道，由于鉆孔應(yīng)變儀的元件已出現(xiàn)故障，沒有記錄到固體潮；懷柔對石村臺鉆孔應(yīng)變儀的傳感器與巖石壁接觸松弛，導(dǎo)致鉆孔應(yīng)變儀各分量均出現(xiàn)了不正常的觀測數(shù)據(jù)，且觀測數(shù)據(jù)曲線無固體潮形態(tài)、年變化規(guī)律及同震響應(yīng)，無使用價值（見圖2）。

2.3 鉆孔應(yīng)變臺站的日常運(yùn)行與監(jiān)控

筆者對13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的日常運(yùn)行監(jiān)控進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，由于無工作人員值守，造成這些臺站缺少鉆孔應(yīng)變儀的運(yùn)行日志、工作日志以及觀測月報、年報等。當(dāng)鉆孔應(yīng)變儀出現(xiàn)故障或觀測曲線出現(xiàn)較大變化時，有人值守鉆孔應(yīng)變臺站會在日志、月報和年報中備注異常變化出現(xiàn)的原因及調(diào)查結(jié)果，數(shù)據(jù)分析人員在利用鉆孔應(yīng)變臺站的數(shù)據(jù)時，會根據(jù)日志、月報或年報中的內(nèi)容判斷異常變化。相反，無人值守鉆孔應(yīng)變臺站由于缺少上述資料，不利于數(shù)據(jù)分析人員對異常變化的判斷，而是只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷極大地降低了觀測數(shù)據(jù)的利用效率。因此，如何解決無人值守鉆孔應(yīng)變臺站日志、月報和年報的填寫，已成為無人值守鉆孔應(yīng)變臺站發(fā)展中急需解決的一個重要問題。鑒于目前無人值守鉆孔應(yīng)變臺站觀測的現(xiàn)狀，筆者建議在未來建設(shè)無人值守鉆孔應(yīng)變臺站時，應(yīng)在距離現(xiàn)有有人值守臺站較近的地區(qū)選址，這樣可以依托周圍的有人值守臺站，定期進(jìn)行巡檢并填寫相關(guān)的基礎(chǔ)資料及數(shù)據(jù)異常變化調(diào)查結(jié)果。

3 結(jié)論及建議

基于上述對13個無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的分析，經(jīng)與相關(guān)地區(qū)及臺站工作人員討論，筆者得出了以下結(jié)論及解決方案。

（1）無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的優(yōu)點(diǎn)及前景

無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的運(yùn)行管理模式可減少臺站人員編制，節(jié)約人員經(jīng)費(fèi)；無人值守鉆孔應(yīng)變臺站可布設(shè)在環(huán)境干擾較少的無人區(qū)，它可以遠(yuǎn)離江河、水庫、湖泊、鐵路、公路、采石及采礦區(qū)、城鎮(zhèn)等對觀測有較大影響的地區(qū)，這樣可提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量易于提取地震臨震異常信號；隨著城市化的快速發(fā)展，對現(xiàn)有有人值守地震臺站的觀測儀器影響日益增大，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量受環(huán)境影響越來越明顯，不利于異常信息的分析及識別，而無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的發(fā)展可改進(jìn)這種狀況。

（2）存在的問題及解決方案

與有人值守臺站相比，無人值守鉆孔應(yīng)變臺站觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率相對較低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)連續(xù)率低的主要原因有：①無人值守鉆孔應(yīng)變臺站出現(xiàn)供電故障和通訊故障的概率較高；②日常運(yùn)行維護(hù)及監(jiān)管相對較難，當(dāng)觀測設(shè)備出現(xiàn)故障時，無法及時采取處理措施，致使數(shù)據(jù)缺失率較高；③無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的防護(hù)性差，偷盜、破壞地震觀測設(shè)備的事件時有發(fā)生。針對上述情況可通過以下方式解決：①完善供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)；②區(qū)域地震臺網(wǎng)中心需配備適量的備用儀器，確保儀器出現(xiàn)故障時能夠及時更換，以確保觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性；③利用遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，完成對無人值守鉆孔應(yīng)變臺站觀測設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)觀測故障時，及時與當(dāng)?shù)乜醋o(hù)人員聯(lián)系，無法解決問題時，及時安排人員現(xiàn)場維修（陳吉鋒等，2012；左德霖等，2011）；④依托周圍的有人值守臺站，定期進(jìn)行巡檢。

考慮到部分無人值守鉆孔應(yīng)變臺站依然受環(huán)境影響嚴(yán)重，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量低，數(shù)據(jù)可用性不高，為此筆者建議在今后無人值守鉆孔應(yīng)變臺站的選址過程中，在滿足鉆孔應(yīng)變儀對觀測環(huán)境要求的前提下，應(yīng)堅(jiān)持選擇無干擾地區(qū)。既便是在一些重要的地震帶上必須布設(shè)無人值守鉆孔應(yīng)變臺站時，如果在觀測環(huán)境不理想的情況下，也應(yīng)盡量選擇干擾最少的地區(qū)。

同時，針對無人值守鉆孔應(yīng)變臺站日常運(yùn)行監(jiān)控中出現(xiàn)的問題，筆者建議在建設(shè)無人值守臺站時，應(yīng)在距離現(xiàn)有有人值守臺站較近的地區(qū)選址；臺站建設(shè)及儀器安裝的基礎(chǔ)資料應(yīng)配備齊全，包括臺站及周圍的環(huán)境、可能的干擾源、地質(zhì)構(gòu)造資料、井孔資料等（陳敏等，2011）；另外，在無人值守臺站建設(shè)時，應(yīng)考慮配備輔助的觀測設(shè)備，如氣象三要素觀測設(shè)備等。

雖然無人值守鉆孔應(yīng)變臺站目前還存在一些問題，但通過上述方案可解決一些關(guān)鍵性的問題。另外，由于鉆孔應(yīng)變儀觀測靈敏度高，受環(huán)境干擾影響大，無人值守鉆孔應(yīng)變臺站在選址時，可視觀測儀器遠(yuǎn)離環(huán)境干擾地區(qū)而靈活選定，這樣可提高觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量?？梢灶A(yù)見的是，無人值守鉆孔應(yīng)變臺站一定會成為今后鉆孔應(yīng)變臺站觀測的主要模式。

陳吉鋒，陳軍輝等，2012．無人職守地震臺站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．地震研究，35（3）：429—433．

陳敏，郭衛(wèi)英等，2011．重慶無人值守鉆孔應(yīng)變觀測臺站運(yùn)行實(shí)踐．地殼構(gòu)造與應(yīng)力文集，23：139—144．

陳志遙，李輝，呂品姬等，2012．形變學(xué)科觀測資料質(zhì)量年度評比辦法（2011修訂）．北京：中國地震局地殼應(yīng)力研究所．

邱澤華，張寶紅，2002．我國鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變地震前兆監(jiān)測臺網(wǎng)的現(xiàn)狀．國際地震動態(tài)，（6）：5—9．

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左德霖，丁文秀等，2011．無人值守GPS站點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)．大地測量與地球動力學(xué)，31（2）：153—159．

The Discussion about Operations of the Unattended Borehole Strain Observation Station

Tang Lei1), Qiu Zehua1), Guo Yanping1), Tang Xiaoyong2)and Xu Bin3)

1) Key laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA , Beijing 100085, China?2) Chongqing Earthquake Administration, Chongqing 401147, China?3) Beijing Earthquake Administration, Beijing 100080, China

Based on studying of the continuous rate of observation data and the relative error in tidal factor, the daily maintenance situation from 13 unattended borehole strain observation stations, we summarized the advantages and the existing problems in operation of unattended station compared with manned stations. We discussed the problems in construction and operation of unmanned stations in the future. This will provide the references for the further development of unattended borehole strain observation stations.

Borehole strain observation；Unattended station；Data quality

中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（ZDJ2012-10）資助

2014-10-30

唐磊，男，生于1981年。助理研究員。主要從事鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)管理及相關(guān)研究。E-mail：TangLei06@163.com