易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀觀測資料分析

[摘要] """本文選取易縣地震臺2020—2022年TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該時段體應(yīng)變數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性、年漂移量、精度進行分析。通過分析自然天氣變化、觀測系統(tǒng)故障、人為干擾對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，討論易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀的映震能力。研究表明：①易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀運行狀態(tài)良好且監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高；②自然天氣變化（降雨、氣壓）是影響易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要干擾因素，并且體應(yīng)變對氣壓變化的反應(yīng)更加靈敏，體應(yīng)變主測項與氣壓呈相同趨勢性變化；③TJ-2體積式應(yīng)變儀對全球MS≥7.0以及國內(nèi)MS≥6.0地震同震響應(yīng)極其明顯，并且震級越大、震中距越近，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線同震響應(yīng)持續(xù)時間越長。由于易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀安裝時間較早，線路老化嚴重且臺站儀器架設(shè)電路雜亂，電路干擾情況時有發(fā)生，需對儀器供電線路進行優(yōu)化，有助于提升觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] TJ-2體積式應(yīng)變儀; 觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量; 干擾因素; 映震能力" " " " " " " " " [DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-201

中圖分類號：P315.6"""""""""文獻標識碼： A""""""""""文章編號： 2096-7780（2024）09-0590-07

0 "引言

TJ-2體積式應(yīng)變儀是鉆孔應(yīng)變觀測的主要觀測設(shè)備之一，原因是在地球物理場觀測中，TJ-2體積式應(yīng)變儀具有以下優(yōu)點：①TJ-2體積式應(yīng)變儀可以連續(xù)、精準地反映體應(yīng)力在時間和空間上的變化情況；②TJ-2體積式應(yīng)變儀安裝到基巖深處部位，除人為干擾致使儀器周邊場地環(huán)境發(fā)生較大變化外，儀器所受干擾極少；③TJ-2體積式應(yīng)變儀安裝部署方便，由于是安裝在基巖鉆孔之中，平面占用面積較少，對地表觀測環(huán)境要求較低，便于選址安裝；④TJ-2體積式應(yīng)變儀觀測精度高、穩(wěn)定性好。許多學者利用TJ-2體積式應(yīng)變儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行了儀器性能、干擾因素、質(zhì)量分析和震例研究，得到了很多有用的信息。TJ-2體積式應(yīng)變儀能普遍記錄到大地震的同震效應(yīng)，同時也能記錄到大地震前的臨震異常[1]。

本文選取河北省易縣地震臺2020—2022年TJ-2體積式應(yīng)變儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過分析該儀器的數(shù)據(jù)質(zhì)量、干擾因素，探討易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀的映震能力，以期為該地區(qū)其他地球物理場相關(guān)資料分析提供支撐和依據(jù)。

1 "觀測環(huán)境

易縣地震臺位于河北省保定市易縣龍里華村，緊鄰112線國道，是隸屬于河北省地震局的國家基本臺。其構(gòu)造位置處于太行山山前大斷裂和西部紫荊關(guān)大斷裂之間。臺基巖性為中生代侵入閃長巖花崗基底巖與震旦系沉積巖和閃長巖小侵入體的接合部[2]。TJ-2體積式應(yīng)變儀安裝在臺站院內(nèi)，該儀器于2015年4月12日正式入庫，共有鉆孔溫度、氣壓、水位和TJ-2體應(yīng)變4個測項。鉆孔深 89.98 m，鉆孔巖性從上至下分為3部分：首先為第四系黃土，其次為震旦系沉積頁巖，最后為中生代侵入閃長巖[3]（圖1）。該TJ-2體積式應(yīng)變儀自安裝以來運行良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線緩慢負向漂移，巖石呈張性變化[4]。

2 "觀測資料分析

選取易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀2020—2022年觀測資料，從數(shù)據(jù)連續(xù)性、完整性、年漂移量、數(shù)據(jù)精度4個方面進行分析，探討易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.1 "觀測資料連續(xù)性與完整性

觀測資料完整性主要由數(shù)據(jù)連續(xù)率和數(shù)據(jù)完整率兩部分來考量。觀測資料連續(xù)率指在一定時間范圍內(nèi)監(jiān)測設(shè)備記錄到的數(shù)據(jù)采樣點數(shù)量與采樣總數(shù)的百分比。完整率是指在一定時間范圍內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理缺數(shù)之后保留的有效數(shù)據(jù)量與應(yīng)有采樣總數(shù)的百分比。表1為本文統(tǒng)計的2020—2022年易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)率和完整率。由表1可知，易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀觀測數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率均高于99.5%，數(shù)據(jù)完整性較高。

2.2 "年漂移量

可以通過年漂移量來判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)基值的穩(wěn)定性。易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀2020年漂移量為585.4×10?9，2021年為1431.4×10?9，2022年為1016.4×10?9（表1），TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測曲線呈現(xiàn)緩慢漂移，2020—2022年儀器年漂移量滿足形變學科組要求。

2.3 "觀測資料精度

基于最小二乘法的維尼迪柯夫調(diào)和分析方法，能夠計算體應(yīng)變潮汐因子及其相對誤差（精度），得到固體潮觀測值與其理論值的偏離情況，從而判斷觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量[5]。表2為計算得到的易縣地震臺2020—2022年TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測數(shù)據(jù)潮汐因子及其絕對誤差和相對誤差。由表2得出以下結(jié)論：易縣地震臺體應(yīng)變儀潮汐因子平均值在1.1316±0.0299范圍之內(nèi)，可見易縣地震臺體應(yīng)變潮汐因子變化比較穩(wěn)定；潮汐因子相對誤差平均值在0.0238±0.0017范圍之內(nèi)，可見易縣地震臺體應(yīng)變觀測精度（相對誤差）較好。

3 "干擾分析

對易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測資料進行分析，從自然天氣干擾、觀測系統(tǒng)故障干擾、人為干擾3個方面對易縣地震臺體應(yīng)變常見干擾進行分析總結(jié)。

3.1 "自然天氣干擾

易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀觀測中受到的主要自然天氣干擾為降雨和氣壓。降雨干擾原因為雨水到達體應(yīng)變鉆孔周邊順巖體裂隙進入鉆孔，導(dǎo)致鉆孔水位上升，改變鉆孔壁與體應(yīng)變儀之間的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致干擾；氣壓變化導(dǎo)致儀器周邊地面負載產(chǎn)生變化[6]，從而改變巖體應(yīng)力狀態(tài)，產(chǎn)生干擾。由于降雨變化必然伴隨氣壓變化，所以本文從2020—2022年體應(yīng)變數(shù)據(jù)中選取兩天降雨天氣的體應(yīng)變數(shù)據(jù)進行舉例說明。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)：2022年6月23日記錄到降雨9.4 mm，氣壓變化幅度突升5.12 hPa，體應(yīng)變觀測值上升24.8×10?9，詳情見圖2a；2021年8月23日易縣地震臺記錄到降雨1 mm，氣壓變化幅度突降1.16 hPa，體應(yīng)變觀測值下降13.3×10?9，詳情見圖2b。由圖2紅色線框部分可見，易縣地震臺體應(yīng)變儀觀測曲線與氣壓呈相同趨勢性變化。分析易縣地震臺體應(yīng)變與降雨量、氣壓的相關(guān)性，計算得出體應(yīng)變與降雨量相關(guān)系數(shù)為0.0197，體應(yīng)變與氣壓相關(guān)系數(shù)為0.8442，說明易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀對氣壓變化的反應(yīng)更加靈敏。

3.2 "觀測系統(tǒng)故障干擾

易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀常見的觀測系統(tǒng)故障干擾主要分為電干擾和設(shè)備自身故障干擾兩類。易縣地震臺儀器設(shè)備共用一個主電源且供電線路較復(fù)雜，近年來線路老化情況較嚴重，主電源故障造成的數(shù)據(jù)干擾時有發(fā)生。由圖3a紅色線框部分可見，2021年7月3日10：27—17：29因臺站院內(nèi)變壓器故障導(dǎo)致主電源不穩(wěn)，致使體應(yīng)變曲線在該時間范圍內(nèi)出現(xiàn)多次臺階現(xiàn)象。體應(yīng)變設(shè)備自身故障干擾主要為零點死機等情況。由圖3b紅色線框部分可見，易縣地震臺體應(yīng)變主機2021年8月26日00：00—07：41死機，期間造成長時間壞數(shù)，07：42重啟主機后，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

3.3 "人為干擾

易縣地震臺TJ-2體應(yīng)變位于易縣地震臺站院內(nèi)，埋深89.98 m，觀測環(huán)境較為穩(wěn)定，受到人為干擾的情況極少，主要存在的人為干擾是單位院落內(nèi)部施工。例如2022年10月30日13：11—18：35體應(yīng)變鉆孔附近易縣地震臺四分量應(yīng)變新鉆孔進行洗井工作（圖4），向四分量鉆孔中注入大量洗井水，期間體應(yīng)變曲線大幅度下降，降幅達926.0×10?9。

4 "映震能力分析

2020—2022年間，全球共發(fā)生MS≥7.0地震36次，6.0≤MS＜7.0地震264次，5.0≤MS＜6.0地震902次，MS＜5.0地震2085次。其中易縣地震臺TJ-2體應(yīng)變記錄到MS≥7.0地震30次，占全球地震總數(shù)的83.33%；記錄到6.0≤MS＜7.0地震63次，占全球地震總數(shù)的23.86%；記錄到國內(nèi)MS≥6.0地震15次，占國內(nèi)地震總數(shù)的83.33%；記錄到國內(nèi)5.0≤MS＜6.0地震32次，占國內(nèi)地震總數(shù)的39.02%；記錄到國內(nèi)MS＜5.0地震1次，占國內(nèi)地震總數(shù)的0.05%。由此我們得出結(jié)論：易縣地震臺TJ-2體應(yīng)變儀對全球MS≥7.0以及全國MS≥6.0地震存在較明顯的同震響應(yīng)。

2020—2022年間，易縣地震臺TJ-2體應(yīng)變共記錄到地震122次（表3和表4），其中國內(nèi)地震31次，國外地震91次；最大震級為8.1（2021年7月29日美國阿拉斯加州以南海域），最小震級為5.1（2020年7月12日河北唐山市古冶區(qū)）；最大震中距為18612 km（2020年9月1日智利北部沿岸近海），最小震中距為267 km（2020年7月12日河北唐山市古冶區(qū)）；最長同震響應(yīng)時間為213 min（2020年3月25日千島群島），最短同震響應(yīng)時間為2 min（2022年3月26日青海海西州德令哈市）。將表3和表4震中位置相近的地震作對比發(fā)現(xiàn)：震中相近的地震，震級越大，同震響應(yīng)越明顯、持續(xù)時間越長；震級相同的地震，震中距越短，同震響應(yīng)越明顯、持續(xù)時間越長。因此，通過分析統(tǒng)計得出結(jié)論，易縣地震臺TJ-2體應(yīng)變記錄到的地震震級越大、震中距越近，同震響應(yīng)越明顯、持續(xù)時間越長。

5 "結(jié)論

通過對2020—2022年易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測資料進行分析，得出以下結(jié)論：易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀監(jiān)測資料連續(xù)率、完整率、精度均較高，說明易縣地震臺體應(yīng)變監(jiān)測資料質(zhì)量良好；氣壓和降雨對易縣地震臺體應(yīng)變均有干擾，并且體應(yīng)變對氣壓變化的反應(yīng)更加靈敏；體應(yīng)變儀對全球MS≥7.0以及國內(nèi)MS≥6.0地震同震響應(yīng)極其明顯，并且震級越大、震中距越近，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線同震響應(yīng)持續(xù)時間越長。由于易縣地震臺TJ-2體積式應(yīng)變儀安裝時間較早，線路老化嚴重且臺站儀器架設(shè)電路雜亂，電路干擾情況時有發(fā)生，需對儀器供電線路進行優(yōu)化，有助于提升觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

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Analysis of observation data of TJ-2 volumetric strain gauge at Yixian seismic station

Liu Xiaolei*， Wang Sisi

Baoding Earthquake Monitoring Center Station， Hebei Earthquake Agency， Hebei Baoding 071051， China

[Abstract] """"This article selected the monitoring data of the TJ-2 volumetric strain gauge at Yixian seismic station from 2020 to 2022， and analyzed the continuity， completeness， annual drift， and accuracy of the volumetric strain data during this period. By analyzing the impact of natural weather changes， instrument failures， and human interference on the monitoring data， the article discussed the observation and seismic reflection ability of the Yixian seismic station. The conclusion incledes： ① The TJ-2 volumetric strain gauge at Yixian seismic station operates well and has high monitoring data quality. ② Natural weather change （rainfall， atmospheric pressure） are the main interfering factors affecting the monitoring data of the TJ-2 volumetric strain gauge. ③ The TJ-2 volumetric strain gauge exhibits extremely significant co-seismic responses to earthquakes with global MS≥7.0 and domestic MS≥6.0. The larger the magnitude and closer the epicenter distance， the longer of the duration of the monitoring data curve’ s co-seismic response. Due to the early installation time of the TJ-2 volumetric strain gauge at Yixian seismic station， severe aging of the line， and disorderly installation of the station’s instrument circuits， circuit interference often occurs. Therefore， it is necessary to optimize the instrument’s power supply line to improve the quality of observation data.

[Keywords] TJ-2 volumetric strain gauge; observation data quality; interference factor; earthquake reflecting ability

*通訊作者："劉曉磊（1991-），男，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測方面的研究工作。E-mail：353298883@qq.com