代縣地震臺體應(yīng)變資料受氣壓影響分析及排除

孟彩菊，楊世英，沈曉松，任瑞國，趙春華，張紅秀

(1.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺,山西 太原 030025；2.山西省地震局臨汾中心地震臺,山西 臨汾 041000；3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 前言

氣壓對體應(yīng)變觀測存在一定的影響，張凌空等研究體應(yīng)變觀測中的氣壓干擾機制和排除方法；王梅做了數(shù)字化體應(yīng)變與氣壓、水位相關(guān)性研究；盧雙苓等、劉川琴等對鉆孔體應(yīng)變觀測的干擾異常進行分析；李光科分析總結(jié)重慶庫區(qū)各臺鉆孔應(yīng)變受氣壓、水位影響情況，并進行了氣壓、水位改正[1-6]。

文章對山西省地震局代縣中心地震臺體應(yīng)變資料進行氣壓影響及排除分析，對氣壓影響程度及排除效果進行總結(jié)。

1 資料選取及整理

數(shù)據(jù)選取以日均值為主，資料來源于山西省地震局前兆預(yù)處理數(shù)據(jù)庫，以“十五”數(shù)字化以來(2008-2017年)連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)為主。

分析時，首先對收集到的原始數(shù)據(jù)進行初步整理，發(fā)現(xiàn)觀測曲線有數(shù)據(jù)波動、臺階時，進行日值查詢、儀器維護記錄查詢，并進行原始庫分鐘值數(shù)據(jù)查詢，在此基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行刪除、抬升等處理。

2 氣壓影響及排除分析

2.1 體應(yīng)變與氣壓相關(guān)性分析

張凌空從理論上推導(dǎo)出，對于同一口觀測井，各項參數(shù)基本恒定，即體應(yīng)變與大氣壓保持一種線性關(guān)系[1]。因此處理資料時，可以建立線性回歸方程，求得體應(yīng)變與大氣壓關(guān)系，以排除干擾。

代縣臺體應(yīng)變觀測采用TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀，其設(shè)計原理為：應(yīng)變值增加表示壓性，減小表示張性。

以代縣臺2017年數(shù)據(jù)為例進行分析，由于代縣體應(yīng)變每年夏秋季干擾較大，觀測數(shù)據(jù)起伏變化，分析時選取受干擾小、趨勢單一(近似于一條斜線)的冬季(1-3月份)時段的資料，該時段體應(yīng)變與氣壓曲線形態(tài)如圖1所示。

圖1 代縣臺氣壓及體應(yīng)變觀測曲線Fig.1 Observation curve of barometric pressure and volume strain in Daixian station

從圖1看出，2017年1-3月份的氣壓曲線無長趨勢漂移，體應(yīng)變曲線存在向下漂移(張性)趨勢。在趨勢變化的影響下，氣壓影響不明顯。當(dāng)氣壓曲線存在很大波動時，體應(yīng)變曲線僅觀察到微弱的波動。

針對體應(yīng)變的漂移變化，對其進行去趨勢處理，研究時采用一般多項式最小二乘法對體應(yīng)變資料進行去趨勢擬合處理。第11頁圖2為處理后的體應(yīng)變與氣壓曲線對比圖，為便于觀察，進行曲線重合對比排列，可以看出，二者形態(tài)非常相似，曲線存在較好的一致性。

計算2017年1-3月的相關(guān)系數(shù)，R分別為0.91、0.99、0.86，總相關(guān)系數(shù)為0.93。查閱計算結(jié)果可得，30個(研究時段中的按月分段)統(tǒng)計數(shù)據(jù)相關(guān)性檢驗顯著性水平α為0.01時，rα為0.449；顯著性水平α為0.01時，f1,28為7.64，計算出1月的F檢驗值為126.9，說明數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性顯著(2、3月份結(jié)果相似)；90(研究時段中的1-3月份總時段)個統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯著性水平α為0.01時，rα為0.267。顯著性水平α為0.01時，f1,88為6.93，計算出1-3月的F檢驗值為570.2，遠遠大于檢驗值，說明代縣體應(yīng)變按1個月或3個月進行的相關(guān)統(tǒng)計均符合檢驗要求，相關(guān)性顯著。

對1-3月份數(shù)據(jù)進行一元線性回歸計算，得到回歸方程如下:

Y=-2 880.74+3.18X，

(1)

式中：Y表示因變量體應(yīng)變值；X表示自變量氣壓值。氣壓系數(shù)為3.18×10-9hPa，表示每hPa引起的體應(yīng)變變化量。

由于觀測過程中不可避免地存在儀器故障，數(shù)據(jù)因更換儀器造成波動。結(jié)合儀器維修更換記錄，引用潮汐因子作為數(shù)據(jù)穩(wěn)定性判斷依據(jù)，對更換儀器造成跳動較大的數(shù)據(jù)進行校正，給出校正后的氣壓系數(shù)。

為全面了解代縣氣壓的影響情況，對該臺體應(yīng)變與氣壓數(shù)據(jù)進行多個時段(選取缺數(shù)較少、其他干擾相對少、故障少的時段)計算，結(jié)果如表1所示。

從表1看出，各時段體應(yīng)變與氣壓呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)多次達到0.90；氣壓系數(shù)存在一定的波動，在(4.10～8.62)×10-9/hPa的范圍內(nèi)變化。氣壓系數(shù)的波動，可能是季節(jié)原因，冬夏季節(jié)不同，孔隙含水量不同，巖石響應(yīng)不同(見表1中2012年、2014年不同時段系數(shù))；數(shù)據(jù)處理方法或過程的差異也可能對分析結(jié)果造成一定的差異，如1-3月，擬合處理時體應(yīng)變值進行去趨勢處理，氣壓曲線由于趨勢變化不明顯，未進行去趨勢處理，實際上氣壓存在微弱的趨勢下降變化(圖2中的1月份、3月份曲線吻合程度較2月份的差)，這種數(shù)據(jù)處理的差異引起計算結(jié)果存在一定誤差，1-3月各月系數(shù)變化范圍為(5.44～6.98)×10-9/hPa。

表1 代縣臺氣壓影響一覽表Table 1 The influence of atmospheric pressure in Daixian station

2.2 氣壓影響的排除

將1-3月份的氣壓值作為自變量代入式(1)，得到受氣壓影響的體應(yīng)變擬合理論曲線，進一步計算出體應(yīng)變(去趨勢后的)與理論體應(yīng)變的差值，得到去除氣壓影響的體應(yīng)變值，完成體應(yīng)變(去趨勢后)受氣壓影響的排除工作(見第12頁圖3)。

由圖3可見，處理后效果顯著，曲線大的波動消除，變得非常光滑，與原曲線相比，曲線幅度也明顯減小。經(jīng)統(tǒng)計，1-3月份去趨勢后，代縣體應(yīng)變幅度為61.6×10-9，處理后的殘差值(去除氣壓影響的去趨勢體應(yīng)變值)幅度為18.3×10-9，僅為原值的三分之一。

第12頁圖4給出代縣體應(yīng)變原始曲線a、按回歸系數(shù)計算的氣壓影響下的理論體應(yīng)變曲線b、c及原始與理論體應(yīng)變差值(去除氣壓影響體應(yīng)變)曲線對比圖，從曲線d可以看出，處理后的體應(yīng)變曲線變得光滑，排除氣壓干擾效果較好。

為分析氣壓對體應(yīng)變年變的影響，曲線c縱坐標(biāo)范圍為參照體應(yīng)變原始數(shù)據(jù)年變幅度(曲線a)設(shè)置，從該曲線可以看出，理論體應(yīng)變曲線壓縮為接近直線，

圖3 代縣臺氣壓與去趨勢后體應(yīng)變數(shù)據(jù)散點圖Fig.3 Scatter plot of barometric pressure and volume strain data after removal of the trend in Daixian station

說明氣壓對代縣體應(yīng)變影響程度較小，幅度約占體應(yīng)變年變的十分之一。對比a、b曲線看出，代縣體應(yīng)變年變化的大致形態(tài)沒變，氣壓造成的微小波動被除掉。

2.3 影響分析

氣壓系數(shù)為每hpa氣壓變化引起的體應(yīng)變變化量，從表1的氣壓系數(shù)值可知，每hpa的氣壓變化引起代縣體應(yīng)變(4.0～8.0)×10-9的變化，一年中氣壓的年變幅最大(每年的最高值與最低值之差)約為35.0 hPa，氣壓年最大變化量引起體應(yīng)變(1.4～2.8)×10-7的變化，代縣臺每年的體應(yīng)變幅度變化為(2.0～10.0)×10-6(校正后)，氣壓造成的影響占年變化百分之幾的量(<10%)，在年變及更長趨勢(<1%)變化中影響較小。如圖4中，從曲線b可以看出氣壓變化造成體應(yīng)變的總變化幅度為76.6×10-9，體應(yīng)變原始曲線(曲線a)的總變化幅度為984×10-9，二者的比值為7.8%，這個結(jié)果說明體應(yīng)變的大幅度年變化(或季節(jié)變化)不是受氣壓影響形成(研究顯示，年變的主要影響因素為水位變化所致，在此不展開討論)，氣壓對體應(yīng)變年變化影響較小。

圖4 代縣臺體應(yīng)變?nèi)ペ厔?、氣壓影響下的理論體應(yīng)變及二者殘差曲線Fig.4 Theoretical volume strain after removal of the trend and the barometric pressure influence and the residual curve

在周、月會商分析中，用到分鐘值數(shù)據(jù)做較短時段的數(shù)據(jù)分析，體應(yīng)變短時段變化幅度小，氣壓的影響相對變大，應(yīng)注意氣壓劇烈波動造成的數(shù)據(jù)“異?！盵7-8]。

3 結(jié)論

通過定量分析體應(yīng)變與氣壓關(guān)系，得出回歸公式，為排除代縣體應(yīng)變氣壓影響提供解決方法。

分析發(fā)現(xiàn)，代縣臺體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)性顯著，多個時段的相關(guān)系數(shù)達到0.9；氣壓與去趨勢后的體應(yīng)變曲線形態(tài)相似，無明顯滯后現(xiàn)象；經(jīng)一元線性回歸處理后，去除氣壓影響的曲線幅度明顯變小，波形更光滑，說明干擾排除的效果顯著。

參考文獻：

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