烏什地震臺(tái)體應(yīng)變不同頻帶對(duì)干擾因素的響應(yīng)特征

郭春生　斯琴　關(guān)冬曉　徐衍剛　朱治國(guó)

摘要：形變觀測(cè)臺(tái)站建立在地殼表層，處于各圈層的分界面上，不同程度的受到各種影響因素的影響，為研究烏什體應(yīng)變不同頻帶對(duì)干擾因素的影響特征。利用譜分析研究烏什體應(yīng)變包含的主要周期成分，并利用別爾采夫?yàn)V波及一般多項(xiàng)式擬合分解等方法將烏什體應(yīng)變測(cè)值序列進(jìn)行分解，研究不同頻帶下烏什體應(yīng)變受氣溫、氣壓及固體潮的影響因素。結(jié)果表明：① 水位是烏什體應(yīng)變?cè)虏l帶的主要影響因素；② 烏什體應(yīng)變年頻帶的主要影響因素是溫度，且烏什體應(yīng)變相位滯后氣溫約314? d；③ 氣壓對(duì)烏什體應(yīng)變的影響頻帶介于潮汐與月波頻帶之間；④ 各影響因素與體應(yīng)變之間均具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：? 體應(yīng)變； 數(shù)據(jù)綜合性； 相關(guān)系數(shù)； 烏什地震臺(tái)

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.010

地形變測(cè)量的目的是為了獲取地形變和地震地形變信息，地殼巖石應(yīng)變測(cè)量使用的主要儀器是鉆孔應(yīng)變，包括體應(yīng)變儀和分量式應(yīng)變儀2種［1］。其中，體應(yīng)變儀具有靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬等突出優(yōu)點(diǎn)，最適合揭示地殼短期應(yīng)變變化，鉆孔應(yīng)變觀測(cè)可為地震學(xué)研究提供基礎(chǔ)性的背景資料［2］?！笆濉逼陂g在重點(diǎn)地震監(jiān)測(cè)區(qū)架設(shè)了80多套國(guó)產(chǎn)的TJ-II型體應(yīng)變儀［2-5］。由于鉆孔體應(yīng)變儀的觀測(cè)深度較淺，氣象和水文等非構(gòu)造因素對(duì)測(cè)值會(huì)產(chǎn)生明顯干擾［6-7］。因此，觀測(cè)值序列具有綜合性、可分性和豐富的數(shù)學(xué)物理內(nèi)涵［8］。同時(shí)，地震的“效果”也決不是把積累起來(lái)的應(yīng)力徹底“釋放掉”，而這就意味著地震前兆信息的強(qiáng)度，比原來(lái)所認(rèn)為的要小得多［9］，因此研究觀測(cè)數(shù)據(jù)中的干擾因素特征，將對(duì)異常的識(shí)別與提取具有現(xiàn)實(shí)意義。不同因素對(duì)體應(yīng)變的影響已有學(xué)者進(jìn)行了研究，王梅［10］對(duì)山東省數(shù)字化鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)與氣壓、水位的相關(guān)性進(jìn)行了研究；劉序儼［11］從時(shí)域和頻域分別對(duì)福州臺(tái)和永安臺(tái)的體應(yīng)變和井水位資料觀的一致性進(jìn)行了分析；楊小林［12］依據(jù)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的強(qiáng)度和時(shí)空演變特征，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解等方法分析強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)東南沿海地區(qū)鉆孔應(yīng)變影響。本文中基于觀測(cè)序列的可分析，研究不同頻帶體應(yīng)變影響因素的響應(yīng)特征。這對(duì)研究地形變觀測(cè)包含的信息、物理意義和前兆異常識(shí)別等具有重要的參考價(jià)值。

1研究方法

車用太［13］在研究地下水干擾異常時(shí)指出，識(shí)別干擾異常需要把握成因上的相關(guān)性、空間上的相關(guān)性、時(shí)間上的相關(guān)性與強(qiáng)度上的相關(guān)性。基于此下面討論體應(yīng)變與各影響因素之間的響應(yīng)機(jī)制。

承壓含水層井水位觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)體應(yīng)變的影響是一種線性時(shí)不變響應(yīng)，井水位埋深與體應(yīng)變的關(guān)系［11］，

b=（1/ρgk）θ .（1）

式中：b為水位，ρ為含水層流體密度，g為重力加速度，θ為體應(yīng)變，k為承壓含水層彈性介質(zhì)的壓縮系數(shù)， b，ρ，θ均為相對(duì)觀測(cè)值。由式（1），體應(yīng)變與水位為線性關(guān)系，這與本文研究結(jié)果中在月波頻段體應(yīng)變與水位具有較高線性相關(guān)性結(jié)果一致。

在假定鉆孔所在介質(zhì)為各向同性彈性體，不考慮洞壁和水泥的力學(xué)特性影響，由于氣壓場(chǎng)均勻作用的區(qū)域較大，因此忽略水平方向應(yīng)力，依據(jù)胡可定律，在單軸應(yīng)力作用時(shí)，理論體應(yīng)變的解析解，

ε_v=（1-2v）ε_zz .（2）

ε_zz=P/E .（3）

式中：ε_v為體應(yīng)變，ε_zz為垂向應(yīng)變，P為地表氣壓負(fù)荷，E為彈性模量，v為泊松比。由式（2）、（3）可知，體應(yīng)變與氣壓為線性關(guān)系，因此，烏什體應(yīng)變的介于潮汐與月波頻帶之間主要影響因素為氣壓。

只考慮體應(yīng)變時(shí)，可以得出體應(yīng)變與氣溫變化之間的關(guān)系［14］，

ΔT=-aTΔθ .（4）

式中：“-”表示壓縮為正。在各向同性介質(zhì)的條件下，a為常數(shù)。

由于氣溫對(duì)定點(diǎn)形變的影響存在一個(gè)熱傳導(dǎo)的過程，根據(jù)干擾異常時(shí)間上的相關(guān)性，氣溫對(duì)體應(yīng)變的影響存在相位滯后，由（4）式可知?dú)鉁刈兓c體應(yīng)變變化成正比關(guān)系。

2數(shù)據(jù)分析

烏什體應(yīng)變位于新疆維吾爾自治區(qū)天山南麓阿克蘇地區(qū)烏什縣西郊的七女墳旁（41.2°N，79.2°E），NE向的闊克沙勒斷裂分布在臺(tái)站北部。臺(tái)區(qū)基巖大面積出露，巖性以石英質(zhì)砂巖為主［15］，烏什體應(yīng)變的觀測(cè)儀器型號(hào)為TJ-II型，鉆孔開口徑150 mm，終孔徑130 mm，孔深80 m，實(shí)測(cè)深度為77 m。探頭底部埋深為75.6 m，探頭處于砂巖層中。

在信號(hào)處理過程中，頻域分析往往比時(shí)域分析方便和高效，而FFT則是時(shí)域和頻域轉(zhuǎn)換的基本運(yùn)算。選取2015年1月至2021年5月烏什體應(yīng)變、輔助水位、氣溫、氣壓及理論固體潮數(shù)據(jù)為研究對(duì)象。利用FFT變換進(jìn)行頻譜分析，結(jié)合時(shí)序曲線分析（圖1），烏什體應(yīng)變主要包含有日波、半日波的潮汐頻帶、年周期頻帶和介于年周期與日波頻帶的信息。

內(nèi)陸地震? 37卷別爾采夫?yàn)V波可以把地球物理場(chǎng)觀測(cè)量分解成由日月引力作用形成的潮汐部分和儀器的零漂及其他因素引起的低頻趨勢(shì)變化［16］。因此，為研究烏什體應(yīng)變潮汐頻帶的影響因素，首先采用別爾采夫?yàn)V波將烏什體應(yīng)變、輔助水位、氣溫、氣壓分解出日波、半日波并計(jì)算體應(yīng)變與各因素之間的相關(guān)系數(shù)，烏什體應(yīng)變與理論固體潮具有較高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.777，繪制它們之間的散點(diǎn)圖（圖2a）。利用一般多項(xiàng)式分段曲線擬合濾出烏什體應(yīng)變及輔助測(cè)項(xiàng)周期在1至2個(gè)月內(nèi)的月波，并計(jì)算烏什體應(yīng)變與氣壓、氣溫和水位在月波頻帶的相關(guān)系數(shù)，僅水位與體應(yīng)變相關(guān)系數(shù)較高，為-0.905，繪制水位與體應(yīng)變散點(diǎn)（圖2b）。

烏什體應(yīng)變的固體潮記錄清晰，日波、半日波頻帶與固體潮具有較高的線性相關(guān)性，烏什體應(yīng)變?cè)谠虏l帶的主要影響因素是水位，且為線性關(guān)系。

為研究烏什體應(yīng)變年周期頻帶的主要影響因素，再利用按年分段的一般多項(xiàng)式分段曲線擬合，濾出烏什體應(yīng)變、氣溫、氣壓、水位的年頻帶的周期成分，計(jì)算體應(yīng)變與氣溫、氣壓、水位的相關(guān)系數(shù)，分別為0.607，-0.796，-0.265 3，繪制體應(yīng)變與氣溫、氣壓散點(diǎn)圖（圖3）。

氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響實(shí)際是力的作用，而氣溫對(duì)地形變的觀測(cè)是一個(gè)熱傳遞的過程，氣溫與氣壓具有負(fù)線性關(guān)系。因此，為了進(jìn)一步研究氣溫、氣壓與體應(yīng)變的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)體應(yīng)變與氣溫的相位關(guān)系（圖4）。烏什體應(yīng)變滯后氣溫約314 d，經(jīng)相位平移后，體應(yīng)變與氣溫相關(guān)系數(shù)為0.961，繪制它們的散點(diǎn)圖（圖5）。

根據(jù)圖3（a）和圖5可知，利用線性回歸分析得到，可以利用y=246.538 2x+52.603 9剔除氣壓對(duì)烏什體應(yīng)變的影響，利用y=-617.856x+45.279剔除氣溫對(duì)烏什體應(yīng)變的影響，得到其殘差曲線（圖6）。

在剔除氣溫影響之后年周期變化消失，結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果與圖5，氣溫是烏什體應(yīng)變年頻帶的主要影響因素。作用于地表的氣壓波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生達(dá)10^-9量級(jí)的地殼應(yīng)變［17］，當(dāng)周期大于2 000 s時(shí)，氣壓頻譜成份較強(qiáng)，氣壓對(duì)地殼應(yīng)變場(chǎng)影響比較大，這種響應(yīng)不容忽視［18］。本文中選取2018年1月1日至3月31日體應(yīng)變和氣壓分鐘值數(shù)據(jù)對(duì)此加以研究（圖7）。由圖7可以看出，烏什體應(yīng)變的波動(dòng)變化與氣壓具有一定的相關(guān)性。

為了進(jìn)一步研究氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響，利用小波分析將時(shí)間序列分解為［2～4）min，［4～8）min，［8～16）min，…，［16 384～32 768］min共14個(gè)頻帶，并利用相關(guān)性分析計(jì)算相關(guān)系數(shù)（表1）。由圖7、表1可知，在第12～14頻帶烏什體應(yīng)變與氣壓具有較高的線性相關(guān)性，氣壓對(duì)烏什體應(yīng)變的影響介于在潮汐和月波頻帶之間。

3結(jié)束語(yǔ)

地球物理觀測(cè)的主要目的是提取地震異常，然而地球物理觀測(cè)臺(tái)站介于不同圈層的交界面，會(huì)不同程度的受到來(lái)自不同圈層的各種影響因素。本文中基于地球物理觀測(cè)值序列的可分性，利用小波分析分解了烏什體應(yīng)變和氣壓分鐘值序列，利用別爾采夫?yàn)V波和一般多項(xiàng)式擬合將烏什體應(yīng)變分解為日波、半日波、月波和年波等頻帶，然后運(yùn)用相關(guān)性分析研究了烏什體應(yīng)變?cè)诓煌l帶的干擾因素和影響特征。本文的研究結(jié)果對(duì)了解烏什體應(yīng)變觀測(cè)值序列所包含的信息及其物理意義，加深了對(duì)其物理意義的認(rèn)識(shí)和理解，這對(duì)了解儀器觀測(cè)系統(tǒng)的誤差、地震地形變異常提取和異常可靠性分析具有積極意義。

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RESPONSE CHARACTERISTICS OF BODY STRAIN

IN DIFFERENT FREQUENCY BANDS TO

INTERFERENCE FACTORS

ON WUSHI STATION

GUO Chun-sheng， SI Qin， GUAN Dong-xiao， XU Yan-gang， ZHU Zhi-guo

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011， Xinjiang， China）

Abstract： Deformation observation station is established on the surface of the Earths crust， at the interface of various layers， and is affected to varying degrees by various influencing factors. To study the influence characteristics of different frequency bands of Wushi body strain on interference factors. Using spectral analysis to study the main periodic components of Wushi body strain， and using methods such as Bertsev filtering and general polynomial fitting decomposition to decompose the Wushi body strain measurement sequence， the factors affecting Wushi body strain under different frequency bands such as temperature， atmospheric pressure， and solid tide are studied. The results indicate that： ① water level is the main influencing factor of the monthly wave frequency band of Wushi body strain; ② The main influencing factor of the annual frequency band of Wushi body strain is temperature， and the phase lag of Wushi body strain is about 314 days behind the temperature; ③ The frequency band of the influence of atmospheric pressure on the strain of the Wushi body is between the tidal and lunar wave frequency bands; ④ There is a strong linear correlation between various influencing factors and body strain.

Key words： Body strain; Data comprehensiveness; Correlation coefficient; Wushi seismic station