福州地震臺TJ-2型鉆孔體應變觀測資料干擾分析

陳小云 黃永模 薛 飛 盧兆輝李毅偉 巫繼蘭 多布拉

1）中國福建 350003福州地震臺

2）中國福建351100莆田地震臺

3）中國西藏自治區850000拉薩地震臺

0 引言

鉆孔體應變能夠觀測地殼應變狀態隨時間的連續變化（中國地震局監測預報司，2008）。TJ-2型鉆孔體應變儀是鉆孔體應變儀的一種，觀測靈敏度為10-9的量級（中國地震局監測預報司，2003），可以觀測豐富的信息，不可避免地夾雜一些非構造運動的外界干擾信息，這些信息在地震預測研究中被認為是有害的干擾因素，因此對于觀測到非構造運動信息的識別是非常重要的（高福旺等，2004）。雖然鉆孔體應變探頭埋在地下，可以避開地表的一些干擾。但在鉆孔體應變實際觀測中，由于各臺站井孔條件、觀測環境的不同，使體應變儀記錄到的固體潮受到很多因素的干擾（如地殼應變場本身受到氣壓、水位擾動；而雷電、儀器故障、儀器調試、電源波動等直接影響觀測數據）。為了產出高質量的觀測數據，臺站人員需要對數據資料進行預處理，屬于干擾因素造成曲線畸變的需及時處理并作說明。本文分析各干擾因素對福州地震臺體應變造成的干擾動態特征，有利于干擾識別。

1 儀器安裝

福州地震臺位于福州市大夢山，海拔高程為7.7 m，地處長樂—詔安斷裂帶北段。體應變觀測井位于福州地震臺院內西北角井，鉆孔孔深83.16 m，鉆孔巖性為二長花崗巖。TJ-2型數字鉆孔體應變儀于2010年1月6日安裝，體應變探頭下到82.2 m處，同時安裝水位氣壓計，水位探頭在水下5.5 m處。該儀器于2011年9月27日通過福建省地震局專家組驗收，2012年2月26日進行正式觀測。

2 正常動態特征

福州地震臺鉆孔體應變自安裝以來能取得連續可靠的觀測資料，從近兩年的觀測資料來看，能記錄到固體潮曲線（圖1），但在無干擾情況下曲線不光滑，噪聲干擾明顯，可能與該鉆孔的巖體破碎程度有關。

3 主要干擾分析

從福州地震臺鉆孔體應變觀測兩年來產出的體應變資料來看，觀測過程受到多種因素干擾，主要有：降雨、氣壓、水位、雷電、電源以及儀器工作狀態的影響。

3.1 降雨干擾

降雨對體應變的影響可分為兩類：①降雨可帶來大地負荷效應，即為大暴雨時，此效應在觀測曲線上可明顯看到； 2013年6月20日福州市出現特大暴雨天氣，降雨量達到73.9 mm，體應變和水位固體潮均出現畸變，呈壓性變化（圖2）；②降雨后延遲一段時間，雨水逐漸滲入巖體孔隙，孔隙水壓力增加。福州地震臺鉆孔體應受降雨影響屬于第一類情況。

圖1 2013年2月2日福州臺體應變固體潮曲線Fig.1 The diagram of borehole strain earth tide at Fuzhou Seismic Station on February 2, 2013

圖2 2013年6月20日福州臺體應變受降雨干擾曲線Fig.2 The diagram of borehole strain infl uenced by rainfall at Fuzhou Seismic Station on June 20, 2013

3.2 臺風氣壓干擾

氣壓對體應變的影響主要是大氣壓力以負載荷的方式作用于地殼表面，造成巖體孔隙壓力的改變，從而導致體應變測值發生變化（李杰等，2003）。張學陽（中國地震局監測預報司，2003）對高精度潮汐觀測中氣壓觀測的必要性進行論述，闡明了氣壓影響存在周期性變化。而且它的周期性變化效應在100 m內深度為最大，而福州臺鉆孔體應變井孔深為83.16 m，因此受氣壓影響較大。分析發現，體應變與氣壓的日變曲線基本呈同步的動態變化特征（圖3）。

臺風天氣對體應變的影響屬于非周期性短時間氣壓變化影響。2013年7月13日“蘇力”強臺風在福建沿海登陸，輔助觀測氣壓在13日04 時28分氣壓值從1 000.0 hPa開始急劇減小，13日14時54分達到最低值985.7 hPa，而后轉折回升，13日21時57分測值恢復正常1 000.0 hPa， 氣壓變化量達到14.33 hPa，體應變在同一時間出現急劇的張性變化，而后隨著氣壓值的回升轉為壓性變化，應變變化量達到243.3×10-9；2013年8月22日“潭美”強臺風在福建登陸，輔助觀測氣壓在21日05 時 02分氣壓值從1 000.0 hPa急劇減小，8月22日03時23分達到最低值977.7 hPa ，而后轉折上升，22日20時53分氣壓恢復正常值1 000.0 hPa；體應變在同一時間出現急劇的張性變化，而后隨著氣壓值的回升轉為壓性變化，應變變化量達到268.3×10-9，從兩次強臺風氣壓與體應變的變化來看，體應變受氣壓影響明顯，基本是同步變化（圖4）。

另一方面，氣壓的影響與井孔條件密切相關，該井孔在10.46—11.99 m、23.53—24.09 m、37.73—38.11 m、52.93—57.02 m處存在破碎帶，破碎帶的存在，有可能是使巖體應力應變受氣壓影響較為明顯的主要原因。

圖3 2013年1月1日 福州臺體應變與氣壓分鐘值日動態對比曲線Fig.3 The diurnal dynamics diagram of thecomparison of borehole strain and the minute value of pressure at Fuzhou Seismic Station on January 1, 2013

圖4 2013年8月福州臺體應變受“潭美”臺風氣壓干擾曲線Fig.4 The Comparison of Borehole Strain and pressure affected by “Tanmei” typhoon at Fuzhou Seismic Station in August,2013

3.3 地下水影響

井水位變化的本質是含水層或破碎帶中孔隙水壓力的變化，在孔隙水壓力發生變化時，自然會帶來體應變觀測值的變化。由于降雨、抽水、干旱等因素的影響都可能使巖體含水層中孔隙的飽和程度發生變化，改變孔隙水壓力的大小（李杰等，2003）。通過對發現2013年6月水位總體呈上升趨勢，變化應變變化量為890×10-9，福州臺體應變與水福州臺水位、體應變的曲線進行對比分析，幅度為47.6 cm，造成體應變呈壓性變化，位的變化月動態存在較好的同步性（圖5）。

3.4 雷電干擾

雷電對體應變的干擾，主要表現在對儀器電路的感應（郝軍麗等，2012）。2013年6月9日20時46分至22時26分、2013年8月9日18時35至23時40分福州出現強雷電天氣，福州臺體應變在同一時段出現畸變，且變化幅度較大，基本達到體應變的日變幅度（圖6）；2013年8月14日13時25至15時35分出現雷電，但雷電強度相對弱些，體應變在同一時間出現畸變，幅度也相對小些，由此可見，體應變受雷電干擾程度的大小與雷電的強度有關。

3.5 電源影響

電源干擾是體應變觀測中比較常見的一種干擾因素，查明原因后在實際工作中可以避免。在試觀測期間，2010年2月20日體應變觀測曲線出現突跳（圖7），經落實為市電維修停電，自動切換直流供電產生的脈沖，市電恢復后正常，根據這種情況，福州地震臺配備UPS供電，可以解決因停電造成影響。

圖5 2013年6月福州臺體應變受水位干擾曲線Fig.5 The diagram of borehole strain infl uenced bywater level at Fuzhou Station June, 2013

圖6 2013年6月9日福州臺體應變受雷電干擾曲線Fig.6 The diagram of borehole strain infl uenced by thunder at Fuzhou Seismic Station on June 9, 2013

圖7 2010年2月20日福州臺體應變受停電干擾曲線Fig.7 The diagram of borehole strain infl uenced by power off at Fuzhou Seismic Station on February 20, 2010

4 結論

通過對福州臺鉆孔體應變兩年多的觀測資料進行分析，發現干擾因素為降雨、氣壓、雷電、地下水、停電等，最為突出的是臺風氣壓干擾。

（1）福州臺鉆孔體應變觀測資料的主要干擾因素有：氣壓、降雨、地下水、雷電等，但氣壓是福州臺鉆孔體應變觀測的主要干擾因素，其影響顯著。

（2）強降雨使福州體應變受到明顯干擾，且與水位呈同步的趨勢變化，說明鉆孔的含水層具有一定儲地下水的能力， 強降雨后，地下水位快速上升，巖石內部的壓力加大，體應變與水位同步上升，呈壓性變化。

（3）雷電對福州臺鉆孔體應變的干擾主要表現為曲線的固體潮畸變，強雷電對體應變的干擾主要表現為大幅度的起伏變化。

高福旺，李麗，等. 對體應變干擾因素的識別及排除[J]. 地震，2004，12（4）：90-97.

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李杰，劉敏，等. 數字化鉆孔體應變干擾機理及異常分析[J]. 地震研究，2003，26（3）：230-238.

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