豎直擺鉆孔傾斜儀在滎陽山洞淺井中的應(yīng)用效果分析

摘 要：本項(xiàng)目通過CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀在滎陽淺井中的傾斜潮汐觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和各測(cè)項(xiàng)的內(nèi)在質(zhì)量、觀測(cè)精度和映震效應(yīng)和震后效應(yīng)的分析，對(duì)CZB豎直擺傾斜儀在地質(zhì)條件較好地區(qū)淺井觀測(cè)的應(yīng)用效果做出正確的認(rèn)識(shí)和客觀的評(píng)價(jià)。從分析結(jié)果來看，淺井觀測(cè)能夠滿足地質(zhì)較好地區(qū)的地傾斜觀測(cè)的要求，這對(duì)鉆孔傾斜儀器的應(yīng)用拓展了空間。

關(guān)鍵詞：豎直擺傾斜；內(nèi)在精度；映震效能；傾斜潮汐

引言

大量的震例研究與巖石破裂試驗(yàn)表明，地震孕育所引起的地形變一般量級(jí)較小，且隨著震中距的增大衰減較快，因此高精度、高穩(wěn)定性的觀測(cè)儀器，才能觀測(cè)到來自地球內(nèi)部的地形變信息。我國的地傾斜觀測(cè)經(jīng)歷了金屬擺傾斜儀、石英擺傾斜儀、水管傾斜儀三個(gè)階段，觀測(cè)精度和穩(wěn)定性逐步提高。為了避開地表干擾因素和溫度影響，提高儀器的抗干擾能力，鉆孔觀測(cè)成為目前地傾斜觀測(cè)的方向之一。CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀是河南省地震局研制生產(chǎn)的高精度井下傾斜儀器，是國家地震局十五中標(biāo)觀測(cè)儀器。它的工作原理是利用一個(gè)鉛錘擺來測(cè)定地面傾斜變化。該儀器防水性能好，可在40--80 m深水下長期工作，能夠清晰地記錄到固體潮日變形態(tài)。由于深井觀測(cè)雖然觀測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺點(diǎn)如前期鉆孔成本高、維護(hù)困難等，我們決定采用淺井進(jìn)行觀測(cè)，在滎陽淺井中安裝了一套CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀，記錄方式為數(shù)字記錄。本文通過該儀器在滎陽淺井中應(yīng)用效果的分析，來判斷該儀器在淺井觀測(cè)發(fā)展的前景和應(yīng)用。

1 觀測(cè)環(huán)境簡述及儀器基本概況

1.1 臺(tái)站的地震地質(zhì)簡述

鄭州滎陽地震臺(tái)1984年建臺(tái)，1999年劃歸河南省地震局鄭州中心臺(tái)管理，擁有地傾斜、地應(yīng)變、鉆孔傾斜、鉆孔應(yīng)變等觀測(cè)項(xiàng)目，是河南省重要的綜合性的形變觀測(cè)臺(tái)站。鄭州滎陽地震臺(tái)具體位置：經(jīng)度113°18′44″，緯度34°38′22″，臺(tái)站所處地質(zhì)構(gòu)造部位為秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶北緣偏東，二級(jí)構(gòu)造單元屬華北沉降帶開封中坳和嵩（山）萁（山）中臺(tái)隆起的交界部位，臺(tái)基為第三紀(jì)灰?guī)r，地表黃土埋深30-60m。附近有須水?dāng)嗔选⑸辖謹(jǐn)嗔选⒐艤顢嗔选L(fēng)門口-五指領(lǐng)斷裂（圖1）。洞體巖性為饅頭頁巖和石英巖等，洞內(nèi)濕度很大，但溫度非常穩(wěn)定，山洞監(jiān)測(cè)環(huán)境室溫日變幅優(yōu)于0.01度，年變幅優(yōu)于0.2度，是理想的形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。2012年8月在滎陽淺井中安裝了一套CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀，鉆孔深度2.2m，基巖為砂巖，記錄方式為數(shù)字記錄。

圖1 鄭州滎陽測(cè)點(diǎn)附近斷裂帶分布圖

1.2 儀器的基本參數(shù)及鉆孔的基本情況

CZB豎直擺鉆孔傾斜儀是一種測(cè)量地殼微量傾斜和記錄地球傾斜固體潮的儀器。儀器核心部分是采用豎直方向懸掛的重力擺，分辨率10-10m量級(jí)的位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小傾斜量的測(cè)量。它可以安裝在數(shù)十米深的豎直鉆孔底部，大大削弱了地表的各種干擾，用來捕捉大地震發(fā)生前的地殼變形和擾動(dòng)信息，為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)。滎陽觀測(cè)山洞經(jīng)優(yōu)化改造后進(jìn)行部分觀測(cè)環(huán)境的改造（安裝船艙密封門等），測(cè)點(diǎn)基巖和覆蓋層良好，山洞監(jiān)測(cè)環(huán)境室溫日變幅優(yōu)于0.01度，年變幅優(yōu)于0.2度，符合《地震及前兆數(shù)字觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》，是理想的形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)，完全能夠滿足CZB-1型豎直擺傾斜儀觀測(cè)條件。

CZB-1型鉆孔傾斜儀一般是安裝在地面下數(shù)十米的豎直鉆孔里，這次在山洞內(nèi)使用是在這種環(huán)境下大膽的嘗試，由于該儀器的與大地需要鉆孔耦合，我們借鑒中國地震局地殼應(yīng)力研究所鉆淺井的方法，2012年8月20日至27日在滎陽觀測(cè)山洞打鉆孔，鉆孔深度2.2m，鉆孔直徑135mm，鉆孔周圍是整體的頁巖，無破裂、空隙，井底儀器工作段巖石較完整，井孔內(nèi)無巖石裂隙滲透水。

因?yàn)榫撞糯蚝脮?huì)產(chǎn)生一段時(shí)間的變形，儀器安裝完成初期，存在著較大的零漂，為了得到理想的觀測(cè)效果，井孔打好穩(wěn)定兩個(gè)月后再安裝儀器。鄭州的磁偏角是3°50′西，所以正北方向在磁北+3°50′，在井口定出正北方向線，轉(zhuǎn)動(dòng)底座使斜面缺口對(duì)準(zhǔn)正北向，打開鎖緊裝置，卡爪順利將底座固定在井壁，再吊一重錘敲擊底座使其結(jié)合緊密。地面主機(jī)安裝于監(jiān)測(cè)室機(jī)房，數(shù)據(jù)電纜用金屬管進(jìn)行防雷屏蔽，井口已作密封處理。

1.3 儀器工作狀態(tài)和觀測(cè)數(shù)據(jù)情況

該儀器靈敏度為0.0015\"/mV左右，符合地形變觀測(cè)規(guī)范要求，記錄的數(shù)據(jù)能夠清晰地記錄到地球固體潮變化及地震波。（如圖2）

數(shù)據(jù)情況：2012年8月17日滎陽淺井安裝設(shè)備，10月9日正式觀測(cè)。2012年11月25日由于UPS電源故障，鉆孔傾斜儀25日18：24分至26日09：59分缺記。連續(xù)8個(gè)月觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率99.62%，說明CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀系統(tǒng)工作基本穩(wěn)定。

圖2 滎陽臺(tái)CZB-1型鉆孔傾斜儀記錄到的固體潮

和加拿大海域7.7級(jí)地震

2 觀測(cè)資料分析

2.1 資料預(yù)處理

選取CZB-1型豎直擺傾斜儀EW和SN方向2012年10月-2013年6月的固體潮觀測(cè)資料，儀器記錄到的數(shù)據(jù)為來自地球內(nèi)部、外部以及儀器本身漂移的總和，其中地球內(nèi)部信息是由于天體對(duì)地球的作用力引起的地形變，即潮汐變化以及周圍構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。外部影響即大氣壓、地溫（熱形變）、降雨、地表負(fù)荷等；儀器本身也會(huì)有規(guī)則和不規(guī)則的漂移。諸因素中唯有地球潮汐變化部分是可計(jì)算的[1]。在進(jìn)行Venedikov調(diào)和分析計(jì)算前，需要對(duì)原始豎直擺傾斜觀測(cè)資料進(jìn)行預(yù)處理：（1）將電壓量轉(zhuǎn)換成物理量。即用觀測(cè)值乘以格值或用觀測(cè)值除以靈敏度系數(shù)，便得到了傾斜量，并轉(zhuǎn)換成10 量級(jí)。（2）應(yīng)用基于GIS的地震分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)Mapsis軟件[2]的拆分功能，將連續(xù)數(shù)據(jù)逐月進(jìn)行拆分。（3）將臺(tái)站觀測(cè)的傾斜資料與相應(yīng)的傾斜固體潮理論值作對(duì)比，糾正有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。（4）由于維修儀器、電源故障、漂移等原因造成的數(shù)據(jù)階躍，按照規(guī)范，選用適當(dāng)方法進(jìn)行拼接，數(shù)據(jù)短缺或中斷的，一律用“999999”補(bǔ)齊。

2.2 儀器標(biāo)定精度

儀器標(biāo)定的重復(fù)性是觀測(cè)儀器的重要指標(biāo)。該儀器2012年11月7日、2013年3月28日、6月3日共進(jìn)行了3次標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果分別為NS：0.001451\"/mV、0.001453\"/mV，0.001450\"/mV；EW：0.0015

35\"/mV、0.001536\"/mV、0.001539\"/mV。標(biāo)定精度分別為NS：0.033、0.027、0.049，EW：0.038、0.046、0.052，豎直擺鉆孔傾斜儀標(biāo)定重復(fù)性大大優(yōu)于1%。

2.3 在質(zhì)量評(píng)定

該觀測(cè)儀器具有較好的固體潮汐效應(yīng)，能明顯的記錄到傾斜固體潮。觀測(cè)儀器記錄到的數(shù)據(jù)是來自地球內(nèi)部、外部以及儀器本身漂移的總和，在這些諸因素中唯有地球潮汐變化部分是可計(jì)算的[3]。M2波潮汐因子及誤差是一項(xiàng)用來評(píng)定固體潮觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)劣的定量指標(biāo)，使用M2波月序列潮汐因子離差值（即中誤差）一是因?yàn)橹芯暥鹊貐^(qū)M2波振幅最大，具有較大的信噪比；二是連續(xù)1個(gè)月觀測(cè)資料計(jì)算的波潮汐因子相對(duì)穩(wěn)定。所以在正常情況下，波月序列潮汐因子離散誤差（或相對(duì)誤差）可以反映儀器觀測(cè)精度及其穩(wěn)定性。中誤差可以反映數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量和觀測(cè)環(huán)境的影響，同時(shí)觀測(cè)環(huán)境的變化也可以影響中誤差，對(duì)異常的判別有參考作用。應(yīng)用Mapsis軟件對(duì)豎直擺傾斜EW，SN向整點(diǎn)值連續(xù)數(shù)據(jù)使用維尼狄可夫（Venedikov）調(diào)和分析方法對(duì)正常時(shí)段整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析兩日（48h）調(diào)和分析（表1），正常時(shí)段M2 波潮汐因子變化范圍EW 向?yàn)?.4059～0.4787，SN向?yàn)?.578-0.6161；總體上看EW 向變化幅度為0.0728，SN向變化幅度為0.0581，而NS向潮汐因子要相對(duì)優(yōu)于EW向。相對(duì)誤差變化幅度EW向?yàn)?.0099～0.0428，SN向?yàn)?.0054-0.0395，結(jié)果表明分析該儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果內(nèi)在質(zhì)量較高。

表1 2012年10月-2013年5月月調(diào)和分析結(jié)果

2.4 映震能力統(tǒng)計(jì)

地震的孕育和發(fā)生是地殼應(yīng)力-應(yīng)變能量逐漸積累和釋放的過程，從本質(zhì)上說是一個(gè)力學(xué)過程[4]，這必然導(dǎo)致地殼外表的形狀變化，因此地形變資料中的映震能力是判斷儀器性能、檢測(cè)能力的重要指標(biāo)。從鄭州滎陽觀測(cè)點(diǎn)豎直擺鉆孔傾斜地震映震能力目錄（表2）統(tǒng)計(jì)測(cè)算可知，包裹近震目錄（最小震級(jí)ML3.5，距離100Km～1000Km）、遠(yuǎn)震目錄（最小震級(jí)ML4.0，距離≥1000Km）。在觀測(cè)數(shù)據(jù)期間共監(jiān)測(cè)到地震（包括地方震、遠(yuǎn)震、余震等），映震數(shù)目占到國家地震目錄的75%以上，說明豎直擺鉆孔傾斜地震映震能力較強(qiáng)。

2.5 強(qiáng)震的震后效應(yīng)

強(qiáng)震除產(chǎn)生涉及地球局部運(yùn)動(dòng)的體波和面波外，還能激發(fā)全球規(guī)模的維持?jǐn)?shù)天的地球自由振蕩。鉆孔傾斜儀檢測(cè)的是地殼局部性形變的過程。一般說來，地殼形變的大小或形式與外力的作用時(shí)間的長短有關(guān)，如果變形力的作用時(shí)間很短，或變形力的變化很快，區(qū)域局部地殼的形變是彈性的，這意味著一旦撤除作用力，即恢復(fù)原樣。如果作用力時(shí)間很長，由這種變形力引起的局部地殼形變響應(yīng)則是粘滯性的，如斷層的蠕滑、擴(kuò)容等，這種形變是與時(shí)間有關(guān)。強(qiáng)震引發(fā)的地球自由振蕩而出現(xiàn)的震后效應(yīng)是地殼運(yùn)動(dòng)的必然反映[5]。對(duì)震后效應(yīng)規(guī)律性的理解有助于正確判斷地殼局部區(qū)域的異常變化。筆者用滎陽鉆孔傾斜儀檢測(cè)到的全球ML≥5.0以上地震數(shù)據(jù)顯示，由于本華北地區(qū)沒有觀測(cè)到地方震，本文給出強(qiáng)遠(yuǎn)震映震的三個(gè)實(shí)例（圖3），2012年11月11日 09：12和18：54分別在緬甸（北緯22.8，東經(jīng)96.0）發(fā)生7.0、6.2級(jí)地震（圖3a）；2013年02月06-07日在圣克魯斯群島附近海域（南緯10.9，東經(jīng)165.2） 發(fā)生11次6.2-7.6級(jí)地震及余震（圖3b）；2013年02月14日21：13在俄羅斯（北緯67.6，東經(jīng)142.6） 發(fā)生7.3級(jí)地震（圖3c）。表明強(qiáng)震后強(qiáng)震震后效應(yīng)一般為3～7天后逐漸恢復(fù)正常形態(tài)。

地球固體潮是一種人們可以預(yù)測(cè)和精確測(cè)量到的自然現(xiàn)象。固體潮汐波的變化是反映地殼介質(zhì)的物性變化，當(dāng)介質(zhì)的力學(xué)狀態(tài)和外部觀測(cè)環(huán)境保持不變時(shí)，固體潮汐應(yīng)是個(gè)不變的量。當(dāng)?shù)貧?nèi)的應(yīng)變積累到一定程度，力學(xué)狀態(tài)明顯改變時(shí)，介質(zhì)物性發(fā)生變化，潮汐就會(huì)發(fā)生明顯變化。日月引潮力持續(xù)作用于地球，地球?qū)σ绷Φ捻憫?yīng)反映了其內(nèi)部的物性特征。形變潮汐觀測(cè)值可反映地殼在潮汐作用下發(fā)生的微形變場(chǎng)變化，通過對(duì)地殼介質(zhì)物性參數(shù)（潮汐因子等）的計(jì)算，分析地震前地殼巖石彈性的變化，判定其由線性進(jìn)入非線性狀態(tài)的短期階段。潮汐因子特征的物理本質(zhì)上和空間距離上，反映了震源區(qū)域地殼介質(zhì)在不同方向的受力變化，從時(shí)間上給出了震源的短臨前兆信息。這種變化過程可歸納為趨勢(shì)性背景變化—增大（或減小）—達(dá)到極值—恢復(fù)—平靜等待—發(fā)震。潮汐參數(shù)在地震前呈趨勢(shì)性變化和突變性非穩(wěn)定擾動(dòng)變化，反映了巖石介質(zhì)應(yīng)變積累進(jìn)入了非彈性變化的失穩(wěn)階段和突變過程，應(yīng)為震前短期異常信息。地震研究關(guān)注的是從實(shí)際觀測(cè)資料中分離出與地震孕育有關(guān)的非潮汐因素所引起的傾斜變化，實(shí)踐初步表明地震平靜期時(shí)值相當(dāng)穩(wěn)定，而在5級(jí)以上地震前，近臺(tái)（震距中100km），發(fā)生值的變化是經(jīng)常的。當(dāng)值出現(xiàn)系統(tǒng)偏離，越出置信區(qū)間時(shí)，可視為短期異常。臨近發(fā)震時(shí)，可能出現(xiàn)潮汐因子值的急劇增大或不穩(wěn)定跳動(dòng)。本文以2倍均方差潮汐因子變化（圖3d、圖3e），結(jié)果發(fā)現(xiàn)潮汐因子變化均在1-2倍均方差之內(nèi)，說明了滎陽附近地區(qū)區(qū)域性水平傾斜變化系統(tǒng)偏離不明顯，這也與鄭州地區(qū)沒有發(fā)生地方震相吻合。

3 思考和認(rèn)識(shí)

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大部分臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境遭到了不同程度的破壞，地面干擾源較多，嚴(yán)重影響了臺(tái)站觀測(cè)質(zhì)量，儀器由地面觀測(cè)轉(zhuǎn)到地下深井觀測(cè)是今后地震觀測(cè)的發(fā)展方向之一，但深井觀測(cè)也存在一些條件制約，包括資金、技術(shù)，維護(hù)等方面都受到一定的制約。本文通過對(duì)CZB豎直擺傾斜儀在地質(zhì)條件較好地區(qū)淺井地傾斜潮汐形變觀測(cè)資料的精度、映震效能做出正確的認(rèn)識(shí)和客觀的評(píng)價(jià)，對(duì)形變臺(tái)網(wǎng)未來的發(fā)展和臺(tái)網(wǎng)布局具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

（1）該儀器靈敏度為0.0015\"/mV左右，符合地形變觀測(cè)規(guī)范要求，記錄的數(shù)據(jù)能夠清晰地記錄到地球固體潮變化及地震波。

（2）M2波潮汐因子及誤差是一項(xiàng)用來評(píng)定固體潮觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量優(yōu)劣的定量指標(biāo)。使用M2波月序列潮汐因子離差值（即中誤差）在正常情況下，波月序列潮汐因子離散誤差（或相對(duì)誤差）可以反映儀器觀測(cè)精度及其穩(wěn)定性。儀器標(biāo)定的重復(fù)性是選擇觀測(cè)儀器的重要指標(biāo)。從以上統(tǒng)計(jì)可看出，滎陽淺井豎直擺傾斜各項(xiàng)觀測(cè)指標(biāo)完全能夠滿足正常的觀測(cè)需要，符合地傾斜觀測(cè)的要求。

（3）從映震能力來統(tǒng)計(jì)分析和震后效應(yīng)來看，該儀器在滎陽淺井中的映震效能比較理想。由于鉆孔傾斜儀檢測(cè)的是地殼局部性形變的過程。一般說來，地殼形變的大小或形式與外力的作用時(shí)間的長短有關(guān)，如果變形力的作用時(shí)間很短，或變形力的變化很快，區(qū)域局部地殼的形變是彈性的，這意味著一旦撤除作用力，即恢復(fù)原樣。表現(xiàn)在震后2-5天形態(tài)恢復(fù)正常變化。

（4）從豎直擺鉆孔傾斜儀標(biāo)定精度、內(nèi)在質(zhì)量評(píng)價(jià)，映震效應(yīng)和震后效應(yīng)的分析統(tǒng)計(jì)來看，淺井觀測(cè)能夠滿足地質(zhì)較好地區(qū)的觀測(cè)要求。

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作者簡介：李海峰，45，男，工程師，河南省鄭州地震臺(tái)，從事臺(tái)站地震監(jiān)測(cè)和分析。