懷來臺(tái)體應(yīng)變干擾因素分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)

宋曉煜，馬廣慶，王志敏，張 帆，池海江

（1.河北省地震局張家口地震監(jiān)測(cè)中心站，河北 張家口 075400；2.河北地震臺(tái)，河北 石家莊 050021）

地殼應(yīng)力的狀態(tài)變化是引起褶皺、斷裂及地震等地表變形及破壞發(fā)生的根本因素，發(fā)生在地殼表面的各種地質(zhì)災(zāi)害都與地應(yīng)力的作用息息相關(guān)。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是研究地殼應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要手段，同時(shí)也是地震觀測(cè)與研究中不可或缺的主要技術(shù)（白金朋，2013）。TJ－Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀作為地球動(dòng)力學(xué)儀器在觀測(cè)和研究地殼形變方面發(fā)揮著重要作用（李海亮等，2010；蘇愷之等，2003）。河北省地震局懷來地震臺(tái)地處于首都圈及京西北地震監(jiān)視區(qū)，在地震監(jiān)測(cè)中具有重要作用，該臺(tái)對(duì)本區(qū)及鄰區(qū)近震有著較好的映震能力和震前異常反映（王曰風(fēng)等，2018）。2008年1月7日安裝TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀，探頭放置于古界花崗片麻巖層，經(jīng)過石英砂漿固化、探頭和井孔禍合、鉆孔溫度恢復(fù)、儀器調(diào)整平衡等過程，儀器能記錄到清晰、規(guī)則的固體潮引起的變化。通過多年觀測(cè)積累了豐富的資料，但是在觀測(cè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳及干擾現(xiàn)象，為準(zhǔn)確識(shí)別各類非地震前兆干擾，本文主要針對(duì)懷來臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)出現(xiàn)的干擾因素進(jìn)行分類總結(jié)，分析鉆孔溫度、鉆孔氣壓、鉆孔水位與體應(yīng)變之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀器運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)剔除干擾因素有積極的意義，以便在資料處理時(shí)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為地震監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺(tái)站概況

懷來地震臺(tái)地質(zhì)構(gòu)造處于延懷盆地中部、延慶山字型前弧西翼與新華夏系構(gòu)造體系大海沱構(gòu)造帶的復(fù)合部位（池海江等，2003）。定點(diǎn)形變觀測(cè)測(cè)項(xiàng)主要有SQ-70DSI型水平擺傾斜儀、VP型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型洞體應(yīng)變伸縮儀、TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀。其中體應(yīng)變鉆孔深74.0 m，終孔孔徑為130.0 mm，探頭位置放置于井下64.0 m處，用膨脹水泥固定，該段有5.0 m完整花崗片麻巖，儀器主機(jī)和數(shù)采安裝在觀測(cè)室內(nèi)的大理石墩上，采用聚乙稀泡沫板保溫套將儀器密封，有利于降低外界氣候變化帶來的干擾。懷來地震臺(tái)TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀自運(yùn)行以來，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線有一定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，曲線光滑，測(cè)值的日變動(dòng)態(tài)清楚，由圖1可看出呈現(xiàn)規(guī)律的固體潮形態(tài)。

圖1 懷來地震臺(tái)體應(yīng)變?nèi)沼^測(cè)曲線

2 體應(yīng)變儀觀測(cè)影響因素分析

為準(zhǔn)確識(shí)別各類非地震前兆干擾，針對(duì)懷來臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)出現(xiàn)的主要干擾因素進(jìn)行分類總結(jié)（張紅秀等，2019），目前主要受自然環(huán)境（大風(fēng)、氣壓、降雨）、電源干擾和人為干擾。

2.1 大風(fēng)、氣壓和降雨的影響

通過分析對(duì)比2018～2020年體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)，由于春季張家口地區(qū)風(fēng)力較大，局部風(fēng)力達(dá)到7級(jí)以上，2018年4月6日02∶01～07∶29，2019年3月30日07∶47～20∶19（圖2a），2020年3月30日07∶41～17∶20（圖2b），大風(fēng)影響體應(yīng)變觀測(cè)，表現(xiàn)為曲線“毛刺”現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

圖2 2019年3月30日（a）和2020年3月30日（b）體應(yīng)變受大風(fēng)干擾

氣壓變化是通過地球表面產(chǎn)生邊界應(yīng)力效應(yīng)造成的，使得巖體內(nèi)部各種裂隙受到壓縮或者拉伸改變巖體的孔隙壓力（趙小賀等，2018），造成測(cè)值發(fā)生明顯變化。氣壓對(duì)體應(yīng)變短時(shí)間影響，主要表現(xiàn)在雷雨季節(jié)，氣壓會(huì)出現(xiàn)短時(shí)劇烈波動(dòng)，造成曲線畸變。如：2018年6月10日17∶39～18∶19鉆孔氣壓升高，引起體應(yīng)變觀測(cè)值同步變化，曲線形態(tài)呈“鼓包”式（圖3a）；2019年6月29日00∶36～03∶34鉆孔氣壓降低，體應(yīng)變觀測(cè)曲線與鉆孔氣壓呈同步變化趨勢(shì)，曲線形態(tài)呈“凹陷”式（圖3b）。通過多年資料分析，在雷雨季節(jié)，體應(yīng)變觀測(cè)在雷雨前后出現(xiàn)的干擾次數(shù)要比平常月份頻繁。氣壓對(duì)體應(yīng)變的長(zhǎng)時(shí)間影響主要表現(xiàn)為同步變化。選取2019年6月至9月鉆孔氣壓與體應(yīng)變整時(shí)值資料做比較，可以看出，鉆孔氣壓對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)顯示同步變化特征（圖4）。

圖3 2018年6月10日（a）和2019年6月29日（b）氣壓對(duì)體應(yīng)變短時(shí)間干擾

圖4 2019年6～9月氣壓對(duì)體應(yīng)變長(zhǎng)時(shí)間干擾

在體應(yīng)變觀測(cè)中，降雨能增加地殼表面的荷載量，造成地殼應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化，繼而引起體應(yīng)變測(cè)值出現(xiàn)變化（胡瀾繽等，2019）。通過分析懷來地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，降雨干擾分為即時(shí)影響和延時(shí)影響。2019年6月12日懷來地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，降雨量達(dá)24.2 mm，且當(dāng)日15時(shí)降雨量整點(diǎn)值達(dá)19.9 mm，體應(yīng)變觀測(cè)曲線出現(xiàn)尖峰干擾（圖5a），變化量達(dá)57.0×10－9。表明此次干擾為降雨產(chǎn)生大地負(fù)荷效應(yīng)所致。雨水隨著時(shí)間慢慢滲入巖體的孔隙中，使得孔隙壓力迅速增多，造成延時(shí)影響，引起體應(yīng)變測(cè)值發(fā)生變化（李杰等，2003）。2020年8月18日07時(shí)至10時(shí)降雨量為19.8 mm，隨著降雨緩慢滲透，體應(yīng)變觀測(cè)曲線在08∶20測(cè)值增高（圖5b），變化量達(dá)17.6×10－9。

圖5 2019年6月12日（a）和2020年8月18日（b）體應(yīng)變受降雨影響

2.2 電源干擾

2019年6月16日00∶01～01∶16電源不穩(wěn)（交直流電切換，造成輸出電壓不穩(wěn)定），產(chǎn)出錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，曲線出現(xiàn)“脈沖式”突跳（圖6），變化幅度達(dá)到94.9×10－9，01∶17電壓穩(wěn)定后，測(cè)值逐漸恢復(fù)正常。因此，定期進(jìn)行巡檢維護(hù)，減少電源干擾，是保障觀測(cè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是提高資料完整率的重要保證。

圖6 2019年6月16日體應(yīng)變觀測(cè)受電源干擾

2.3 人為干擾

2018年9～11月臺(tái)站進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化改造，線路整理造成體應(yīng)變觀測(cè)儀在2018年10月16日整理線路時(shí)間段（09∶01～10∶25）內(nèi)數(shù)據(jù)突跳，曲線出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，施工改造（10∶26～12∶20）造成數(shù)據(jù)缺測(cè)（圖7a）。按照《傾斜應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)與運(yùn)行管理工作細(xì)則（2015修訂）》規(guī)范要求（張英杰等，2016），2019年1月1日臺(tái)站人員對(duì)體應(yīng)變進(jìn)行按時(shí)標(biāo)定，造成干擾，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)“脈沖式”上升（圖7b），變化幅度達(dá)到44.5×10－9。

圖7 2018年10月16日（a）和2019年1月1日（b）體應(yīng)變觀測(cè)受人為干擾影響

3 體應(yīng)變與鉆孔溫度、氣壓、水位之間的關(guān)系

在對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)干擾因素進(jìn)行分類總結(jié)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析鉆孔溫度、鉆孔氣壓、鉆孔水位與體應(yīng)變之間的關(guān)系，利用origin數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出體應(yīng)變與氣壓相關(guān)系數(shù)為0.680，與水位相關(guān)系數(shù)為－0.455，而與溫度的相關(guān)系數(shù)僅有－0.246。通過各測(cè)項(xiàng)散點(diǎn)圖對(duì)比和相關(guān)系數(shù)分析（張帆等，2021），說明鉆孔氣壓對(duì)體應(yīng)變變化呈正相關(guān)（圖8a），鉆孔水位對(duì)體應(yīng)變變化呈負(fù)相關(guān)（圖8b），而鉆孔溫度影響作用相對(duì)較弱（圖8c）。

圖8 體應(yīng)變觀測(cè)與鉆孔氣壓（a）、水位（b）、溫度（c）的關(guān)系

4 體應(yīng)變儀運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)

資料的完整性、穩(wěn)定性、可靠性是判斷觀測(cè)資料質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)。觀測(cè)資料只有達(dá)到觀測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，才能更好地判斷出觀測(cè)資料的正常動(dòng)態(tài)背景。為此，有必要對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行完整性、穩(wěn)定性、可靠性分析（尤宇星等，2012；李杰等，2002）。統(tǒng)計(jì)2018年至2020年懷來臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率，其結(jié)果分別為94.11%、99.84%、99.93%，這說懷來臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率逐年提高，造成2018年完整率數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)（≤99.5%）的主要原因在于2018年臺(tái)站標(biāo)準(zhǔn)化改造，斷續(xù)缺測(cè)影響數(shù)據(jù)觀測(cè)完整率。內(nèi)在精度方面通常采用M2波潮汐參數(shù)的穩(wěn)定性來分析儀器對(duì)應(yīng)變固體潮的觀測(cè)精度。應(yīng)變固體潮M2波潮汐因子的“內(nèi)精度”是指M2波的均方差與潮汐因子的比值，即相對(duì)誤差（李文超等，2018）。內(nèi)精度（小于0.05）代表觀測(cè)固體潮數(shù)據(jù)可靠性，數(shù)值越小，說明觀測(cè)值越可靠，選取2020年懷來地震臺(tái)體應(yīng)變的觀測(cè)資料，利用EIS2000軟件進(jìn)行Venedikov調(diào)和分析計(jì)算內(nèi)在質(zhì)量（全建軍等，2021），計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可看出2020年3月相對(duì)誤差為0.0567，8月相對(duì)誤差為0.0531，造成3月、8月內(nèi)在觀測(cè)質(zhì)量較低的原因分別為UPS故障停電缺測(cè)，氣壓及雷雨干擾。

表1 2020年懷來地震臺(tái)1～12月體應(yīng)變調(diào)和分析結(jié)果

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過對(duì)懷來臺(tái)TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀干擾因素及運(yùn)行質(zhì)量分析得出幾點(diǎn)結(jié)論：（1）運(yùn)用體應(yīng)變觀測(cè)資料分析異常與地震的關(guān)系時(shí)，排除干擾因素是前提，懷來臺(tái)體應(yīng)變資料主要受大風(fēng)、氣壓、降雨以及電源和人為干擾的影響，其中較為突出的是氣壓和降雨干擾。（2）降雨對(duì)體應(yīng)變的影響與臺(tái)站所處地區(qū)裂隙發(fā)育情況息息相關(guān)，降雨通過大地負(fù)載效應(yīng)滲入巖體孔隙中，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的壓力加大，體應(yīng)變觀測(cè)呈現(xiàn)壓性上升同步變化，造成體應(yīng)變觀測(cè)受到降雨快速影響和緩慢影響。（3）通過計(jì)算懷來體應(yīng)變觀測(cè)資料，影響資料質(zhì)量的因素除受鉆孔自身環(huán)境外，受電源故障、降雨、人為干擾較大。為進(jìn)一步分析鉆孔體應(yīng)變與鉆孔溫度、氣壓、水位之間的關(guān)系，運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：鉆孔氣壓與體應(yīng)變變化呈正相關(guān)，鉆孔水位與體應(yīng)變變化呈負(fù)相關(guān)，而鉆孔溫度影響作用相對(duì)較弱。