安徽省TJ-II型鉆孔體應(yīng)變觀測資料干擾分析

劉川琴，裴紅云，隆愛軍，孫鴻博，盧葉嘯，王燚坤

（1.安徽省合肥地震臺，合肥230031；2.安徽省地震局，合肥230031）

安徽省TJ-II型鉆孔體應(yīng)變觀測資料干擾分析

劉川琴1，裴紅云2，隆愛軍1，孫鴻博1，盧葉嘯1，王燚坤1

（1.安徽省合肥地震臺，合肥230031；2.安徽省地震局，合肥230031）

對安徽省內(nèi)同一時間安裝，不同地理位置，不同構(gòu)造條件的5個臺站TJ-II型鉆孔體應(yīng)變觀測資料進(jìn)行分析，結(jié)果表明：5個臺站體應(yīng)變受到的干擾因素存在差異，其中合肥、黃山臺體應(yīng)變受地下水位、降雨、氣壓影響明顯，兩臺體應(yīng)變和水位相關(guān)程度達(dá)到0.85以上，氣壓相關(guān)程度達(dá)到0.70以上，降雨干擾系數(shù)較大，其中合肥臺約為為0.50×10-8/cm。蚌埠臺鉆孔應(yīng)變存在嚴(yán)重抽水干擾，產(chǎn)出數(shù)據(jù)規(guī)律不明顯；六安臺鉆孔體應(yīng)變受水位干擾較小，短周期氣壓干擾明顯，嘉山臺儀器安裝在無水鉆孔內(nèi)，受降水和水位干擾較小。

TJ-II鉆孔體應(yīng)變；干擾；氣象因素；環(huán)境因素

0 前言

中國研制的體積式應(yīng)變儀器TJ-I型于1984年獲得了成功，目前已改進(jìn)為TJ-II型，2009年以來安徽在郯～廬斷裂中南段及其附近安裝了TJ-II體積式鉆孔體應(yīng)變儀器，獲得了寶貴的觀測資料，由于地理位置、地質(zhì)條件的差異，各臺觀測資料的穩(wěn)定性、可靠性及顯示出的干擾圖像、均存在差異，而判斷一個地震臺站應(yīng)變資料出現(xiàn)的異常變化是否是地震前兆異常，需要判斷這些異常是否滿足地震前兆的3個必要判據(jù)：①有正常背景；②非干擾影響；③與地震有關(guān)[1-2]，全面分析其變化特征和干擾因素是有效使用這些前兆資料、提取前兆異常的基礎(chǔ)。本文選擇同一時期安裝在蚌埠、嘉山、合肥、黃山、六安地震臺的鉆孔體應(yīng)變資料進(jìn)行分析，總結(jié)其干擾因素和變化特征，希望給地震預(yù)報提供一些基礎(chǔ)性資料。

1 臺址資料概況

表1 安徽省TJ-Ⅱ鉆孔體應(yīng)變臺站概況Table 1 General situation of TJ-Ⅱbore-hole strain stations in Anhui province

為進(jìn)一步加強(qiáng)短臨跟蹤，2009年以來，安徽省地震局陸續(xù)在郯廬斷裂帶中南段的嘉山、蚌埠、合肥、六安、黃山安裝TJ-Ⅱ體積式鉆孔應(yīng)變儀，鉆孔探頭安裝深度在60～80 m，該儀器進(jìn)行體應(yīng)變、氣壓、溫度、水位測項觀測，觀測精度達(dá)10-9。其中蚌埠臺鉆孔應(yīng)變存在嚴(yán)重抽水干擾，目前已停止觀測，其他臺站觀測質(zhì)量良好，儀器能保持較高的運(yùn)行率和數(shù)據(jù)完整率。臺站應(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。

2 主要干擾分析

從歷年產(chǎn)出的體應(yīng)變觀測資料中發(fā)現(xiàn)，體應(yīng)變觀測受到多種干擾因素的影響，主要可分為三大類：一是氣象因素和地下水位的影響；二是觀測環(huán)境的影響；三、是供電、儀器故障等影響。

2.1 氣象因素

2.1.1 降雨影響

體應(yīng)變數(shù)據(jù)普遍受天氣影響明顯，特別降雨天氣，體應(yīng)變主要表現(xiàn)為兩種變化，一是連續(xù)降雨天氣，雨水逐漸滲入巖體孔隙中，孔隙壓力增加，水位上升，使巖體體應(yīng)變產(chǎn)生壓縮變形，體應(yīng)變數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)上升趨勢一致，時間上體應(yīng)變降雨響應(yīng)滯后于水位變化，隨著降雨天數(shù)的增加一般會持續(xù)數(shù)日；二是強(qiáng)降雨天氣體應(yīng)變出現(xiàn)快速上升變化，強(qiáng)降雨帶來大地負(fù)荷效應(yīng)，降雨結(jié)束后體應(yīng)變數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，體應(yīng)變和水位高值時間基本一致，后隨水位下降，體應(yīng)變恢復(fù)正常。

圖1 2015年6月5至20日黃山臺體應(yīng)變、水位分鐘值、降雨日值曲線Fig.1 The curves of body strain,minute value of water level and daily value of rainfull from 5th to 20th，June，2015

圖2 2015年6月17日合肥臺水位、體應(yīng)變、降雨分鐘值曲線Fig.2 The minute value curves of water level，body strain and rainfall of Hefei seismic station on the 17th June，2015

表2 各臺降雨情況及干擾系數(shù)Table 2 Rain conditions and inference coefficient

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，合肥臺和黃山臺受降雨影響嚴(yán)重，降雨干擾特征相似，在降雨季節(jié)，體應(yīng)變會隨著降雨的持續(xù)，處于一直上升的變化；強(qiáng)降雨天氣體應(yīng)變會隨著水位的快速上升，出現(xiàn)同步的快速上升變化，時間上體應(yīng)變滯后于水位變化（如圖1和圖2）；這可能和兩個臺站所處的地理位置、井孔地質(zhì)條件有關(guān)，黃山臺和合肥臺處于山區(qū)環(huán)境，兩個臺站海拔高程相近，周邊有山，鉆孔巖性主要為砂巖，井孔有水，在降雨季節(jié)，水位受降雨影響明顯，水位的變化會引起體應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化，但兩個臺站體應(yīng)變受降雨影響也存在一定的差異，兩者的驅(qū)動降雨量不同，合肥臺的驅(qū)動降雨量，約為30 mm，黃山體應(yīng)變驅(qū)動降雨量約為50 mm。表2統(tǒng)計了幾次比較典型的降雨情況和干擾系數(shù)，從表2中可以看出合肥體應(yīng)變，井孔水位對降雨的放大倍率最大，降雨干擾系數(shù)約為0.50×10-8/cm；黃山體應(yīng)變水位對降雨的放大倍率比合肥臺小很多，降雨干擾系數(shù)變化較大，可能和井孔及儀器安裝情況、降雨效率不同有關(guān)；而嘉山臺和六安臺體應(yīng)變受降雨干擾影響較小，在連續(xù)降雨天氣，存在一定的趨勢上升變化，但對強(qiáng)降雨天氣即時效應(yīng)不明顯，可能和嘉山臺井孔地質(zhì)條件及鉆孔無水有關(guān)。而六安臺鉆孔36 m以下的巖石以長石、石英石體為主，巖體致密度較高，多呈閉合式長柱狀，少量節(jié)理裂隙，降雨天氣，水分滲透較慢，水位上升緩慢，對體應(yīng)變的影響主要為趨勢性變化，短時快速變化不明顯。

2.2.2 氣壓干擾

氣壓是影響鉆孔應(yīng)變觀測的主要因素之一。大氣壓對體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)的主要影響作用于地殼表面和作用在井孔水面上，兩者共同作用的結(jié)果，引起巖石中孔隙壓的波動，從而致使體應(yīng)變發(fā)生變化，氣壓波可分為周期性和非周期性變化[3]，氣壓的周期性變化在不同的季節(jié)表現(xiàn)出的強(qiáng)弱也不同，其中短周期擾動比較顯著[4]。安徽省鉆孔體應(yīng)變普遍受到氣壓變化的影響，并在不同季節(jié)表現(xiàn)出強(qiáng)弱不同，一般春、秋、冬季影響較大，由于資料存在固體潮、水位升降及不同程度的其他干擾因素，這些變化與氣壓無關(guān)，故選取體應(yīng)變小時值數(shù)據(jù)資料，并選擇環(huán)境干擾、降水干擾等相對較少的時間段進(jìn)行分析，由于嘉山臺數(shù)據(jù)開閥頻繁，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)向上漂移趨勢，對體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合處理，對處理后的數(shù)據(jù)和氣壓進(jìn)行回歸相關(guān)分析，以回歸系數(shù)作為干擾系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 各臺體應(yīng)變氣壓相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient between the bore-hole strain and air pressure

從表中可以看出省內(nèi)臺站普遍受到氣壓影響，體應(yīng)變和氣壓相關(guān)系數(shù)以月為窗長基本都達(dá)到0.7以上，說明氣壓對鉆孔體應(yīng)變干擾明顯，但長趨勢氣壓影響容易區(qū)分和排除，對前兆異常提取影響不大。短周期內(nèi)，氣壓擾動影響更為顯著，在其他干擾較小時，省內(nèi)臺站體應(yīng)變受氣壓影響特征較為一致，隨著氣壓的波動變化呈現(xiàn)一致性變化，如圖3中a和b列舉了六安臺和嘉山臺氣壓和體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線，兩者趨勢性一致；在氣壓驟變時，體應(yīng)變隨著氣壓的變化出現(xiàn)快速響應(yīng)變化，如圖3中c所示。

2.2 水位影響

含水層孔隙水壓力變化帶動水位的變化，孔隙壓力變化又會帶來體應(yīng)變的變化。井區(qū)周邊干旱、降雨、抽水、灌水對水位產(chǎn)生顯著影響，水位變化使體應(yīng)變出現(xiàn)和水位同步的變化特征，在提取異常時，需要去除水位干擾。安徽省內(nèi)體應(yīng)變受到水位干擾，主要表現(xiàn)在自然井水位的變化、周邊環(huán)境變化促使井水位變化，如井區(qū)周邊井孔施工及周邊抽水井抽水影響等。

2.2.1 井水位變化

對省內(nèi)臺站的分析發(fā)現(xiàn)，受地下水動態(tài)變化影響較大的是合肥、黃山體應(yīng)變，體應(yīng)變年變動態(tài)和水位的年變動態(tài)基本一致，兩者呈顯著相關(guān)。選擇其干擾較小的時段以月為窗長計算體應(yīng)變與水位的相關(guān)系數(shù)，表4中列出了2013年10至12月合肥臺和2013年12月至2014年2月黃山臺體應(yīng)變、水位相關(guān)系數(shù)和干擾系數(shù)，在所選在的時間段中體應(yīng)變和水位相關(guān)性達(dá)到0.85以上。從圖4可以明顯的看出合肥臺水位和體應(yīng)變年變化趨勢基本一致，水位和體應(yīng)變高值一般出現(xiàn)在每年4至10月份，可能和合肥地區(qū)季節(jié)性降雨有關(guān)，合肥地區(qū)降雨主要集中在每年4至10月份，降雨補(bǔ)給使水位升高致使體應(yīng)變發(fā)生變化。六安、嘉山體應(yīng)變受水位影響較小，其中嘉山臺鉆孔為無水鉆孔。水位對體應(yīng)變的影響主要和井孔所處的地理位置和鉆孔巖性有關(guān)；而安裝儀器時井孔的密封性也會對體應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。

2.3 環(huán)境干擾

圖3 氣壓、體應(yīng)變分鐘值曲線Fig.3 The minute value curves of the air pressure and volume strain of Hefei seismic station

表4 體應(yīng)變水位相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient between the body strain and the water level

圖4 合肥臺水位、體應(yīng)變?nèi)站登€Fig.4 The mean value curves of the water level and body strain of Hefei seismic station from 2012 to 2015

2.3.1 施工干擾

鉆孔觀測環(huán)境可比喻為井下儀器的外延，或者說鉆孔觀測環(huán)境是井下地形變連續(xù)觀測儀器的重要組分，所以井區(qū)周邊環(huán)境變化對體應(yīng)變干擾較大，特別是井區(qū)周邊施工、抽水、注水都會使數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度干擾變化[5]，不易識別數(shù)據(jù)真?zhèn)危o數(shù)據(jù)處理帶來困難。

2011年合肥臺距體應(yīng)變井口5 m處測震深井施工導(dǎo)致體應(yīng)變5月10日至6月13日出現(xiàn)較大波動（圖5），其中測震井安裝套管，分別在5月19日、6月2日向井下注水，使得體應(yīng)變數(shù)據(jù)在5月20日、6月2日出現(xiàn)了上升的臺階變化，計算水位干擾系數(shù)分別為35.52×10-9/cm、30.69×10-9/ cm，水位干擾系數(shù)比降雨天氣已統(tǒng)計的水位干擾系數(shù)高2到4倍，而這次波動后6月17日距離此井孔78 km發(fā)生了桐城3.7級地震，無法判斷此次地震是否存在異常。

2.3.2 抽水干擾

蚌埠臺體應(yīng)變從2009年投入使用，一直受到嚴(yán)重干擾，對產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、跟蹤調(diào)查、現(xiàn)場實驗[6-7]發(fā)現(xiàn)，該臺體應(yīng)變觀測受到附近3口居民生活用井和1口水氡觀測井抽水影響，其中距離體應(yīng)變觀測井88.2 m的水氡觀測井抽水影響最為嚴(yán)重，居民用水井抽水時間多集中在5至8時和16～19 h，水氡井抽水在8點(diǎn)15分開始，持續(xù)抽水30 min，此時間段和圖6中體應(yīng)變所出現(xiàn)的顯著變化基本一致，體應(yīng)變基本每天呈現(xiàn)此干擾形態(tài)，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖5 鉆孔水位、體應(yīng)變2011年4～6月小時值曲線Fig.5 The hour value curves of the borehole water level and bore-hole body strain from April to July，2011

2.4 其它干擾

圖6 2009年9月18日抽水影響曲線Fig.6 The pumping interference curve of bore-hole body strain on September 18th，2009

在體應(yīng)變觀測過程中，體應(yīng)變還受到雷擊、停電、切換交直流電源、線路接觸不良、數(shù)采故障等，使數(shù)據(jù)出現(xiàn)突跳、臺階變化、脈沖變化等干擾現(xiàn)象。常見的有雷擊導(dǎo)致的臺階變化（圖7b）。2014年9月12日黃山臺附近為雷雨天氣，體應(yīng)變出現(xiàn)了臺階變化；線路接觸不良導(dǎo)致體應(yīng)變出現(xiàn)不規(guī)則的突跳現(xiàn)象，如2014年12月黃山臺體應(yīng)變出現(xiàn)了不規(guī)則的脈沖變化，經(jīng)過專家核查，認(rèn)為是線路接觸不良導(dǎo)致的變化；合肥臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)在23時55分左右出現(xiàn)突跳頻繁，疑似日期轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的突跳如圖7a所示。

針對以上情況，工作人員需要定期檢查維護(hù)儀器，及時矯正儀器參數(shù)，做到每天定時檢查儀器，發(fā)現(xiàn)死機(jī)，及時重新啟動儀器；而由于惡劣天氣或其他原因?qū)е碌膬x器故障，建議為臺站配置備用儀器。

3 結(jié)語

通過對安徽5個臺TJ-II型鉆孔應(yīng)變儀觀測資料的分析研究可知，省內(nèi)臺站體應(yīng)變觀測普遍受到氣象因素影響，同時體應(yīng)變還受到水位、環(huán)境及儀器故障等干擾，不同地理位置和鉆孔條件，使得其干擾特征和影響程度存在異同，總結(jié)如下：

（1）臺站所在位置周邊有高于臺站海拔的山峰，且?guī)r體破碎、透水性好的鉆孔，一般受到降雨和水位、氣壓干擾嚴(yán)重。如合肥和黃山臺體應(yīng)變，觀測資料干擾特征相似，體應(yīng)變年變化和水位年變化形態(tài)基本保持一致，相關(guān)程度高；且體應(yīng)變受到降雨影響顯著，特別是強(qiáng)降雨天氣，體應(yīng)變即時效應(yīng)明顯。

圖7 體應(yīng)變干擾特征Fig.7 Interference characteristics of body strain

（2）無水鉆孔，體應(yīng)變受水位及降雨干擾較小。如嘉山臺體應(yīng)變，鉆孔處于澗溪鎮(zhèn)清明山上，鉆孔為無水鉆孔，從目前記錄體應(yīng)變數(shù)據(jù)來看，未發(fā)現(xiàn)降雨對體應(yīng)變的明顯干擾，季節(jié)性降雨時，體應(yīng)變有升高趨勢，但不明顯，目前主要受到氣壓干擾和儀器故障干擾。

（3）鉆孔巖體完整致密度高，體應(yīng)變受干擾相對較小，如六安臺體應(yīng)變，巖體多呈閉合式長柱狀，少量節(jié)理裂隙，水分滲透較慢，水位上升緩慢，降雨引起水位變化對體應(yīng)變的影響較小，主要為緩慢的趨勢性上升變化，快速變化不明顯。短周期內(nèi)受到氣壓干擾和雷電干擾較多。

（4）鉆孔所在區(qū)域有其他鉆孔，且鉆孔之間有一定的聯(lián)通性時，體應(yīng)變數(shù)據(jù)受到抽水和灌水影響一般較大，如蚌埠臺和合肥臺的體應(yīng)變。蚌埠臺體應(yīng)變井周邊有幾口民用井和水氡觀測井，體應(yīng)變受到附近井孔抽水影響，而附近抽水井不定時的抽水，致使體應(yīng)變出現(xiàn)不規(guī)則的干擾形態(tài)，觀測以來體應(yīng)變數(shù)據(jù)沒有記錄到固體潮汐變化，很難辨認(rèn)數(shù)據(jù)真實形態(tài)，給前兆異常識別帶來困難。合肥臺鉆孔所在觀測平臺有幾口其他手段的觀測井，在井口施工灌水時，體應(yīng)變出現(xiàn)了異常變化。

（4）臺站體應(yīng)變受氣壓干擾的特征相似，省內(nèi)體應(yīng)變短周期變化尤其是日變化主要受到氣壓影響，體應(yīng)變隨著氣壓的波動而發(fā)生波動變化，形態(tài)基本一致；在其他干擾較小時，體應(yīng)變月變化受氣壓干擾較大，兩者相關(guān)程度較高。

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Interference Analysis of Observation Data of TJ-II Bore-Hole Body Strain Data in Anhui

LIU Chuanqin1，PEI Hongyun2，LONG Aijun1，SUN Hongbo1，LU Yexiao1，WANG Yikun1
（1.Hefei Seismic Station，Anhui Province，Hefei 230031，China；2.Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

The paper analyzed and discussed the observation data of five TJ-II bore-hole body strains which were installed at the same time with different geographical locations and tectonic conditions.The results show that the interference factors on five TJ-II body strains were different.The observations of Hefei and Huangshan body strain were obviously influenced by underground water，rainfall and atmosphere,and the correlation coefficient of their body strain and water level is more than 0.85.The correlation coefficient of their body strain and the air pressure is more than 0.7 and the interference coefficient of rainfall is larger，of which the Hefeistation is about 0.50×10-8/cm.The Bengbu station's body strain has been severely influenced by the pumping of well near borehole，and the law of output data is not obvious.The body strain of Liuan station is less influenced by water level,and is obviously influenced by air pressure in a short period.The instrument in the Jiashan sation is installed in the borehole without water，so it is less influenced by rainfall and water level.

TJ-II Bore-hole；Body strain；Interference；Meteorological factors；Environmental factors

P315.7

A

1001-8662（2016）03-0068-07

10.13512/j.hndz.2016.03.010

2015-07-29

安徽省地震局合同制項目201432

劉川琴（1981-），工程師，主要從事地形變觀測與研究工作.

E-mail：liuchuanqin1026@sina.com.

劉川琴，裴紅云，隆愛軍，等.安徽省TJ-II型鉆孔體應(yīng)變觀測資料干擾分析[J].華南地震，2016，36（3）：68-74.[LIU Chuanqin，PEI Hongyun，LONG Aijun，et al.Interference Analysis of Observation Data of TJ-II Bore-hole Body Strain Data in Anhui[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：68-74.]