長(zhǎng)治中心地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)干擾識(shí)別

竇立婷，蘭思萱，成 誠(chéng)，耿 偉，李 云,平 旗

(1.山西省地震局長(zhǎng)治中心地震臺(tái)，山西 長(zhǎng)治 046000;2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,山西 太原 030025)

0 引言

在山西地震臺(tái)站“十五”數(shù)字化觀測(cè)項(xiàng)目建設(shè)以來(lái)，觀測(cè)儀器記錄的數(shù)據(jù)量明顯增多，由原來(lái)的小時(shí)值變成了分鐘值。分鐘值和整點(diǎn)值資料未被很好地運(yùn)用，主要原因是數(shù)字化數(shù)據(jù)中各種干擾信息與地震異常信息混雜，無(wú)論從形態(tài)上還是變化幅度的量級(jí)上都不易區(qū)分。因此，正確識(shí)別數(shù)字化觀測(cè)資料中的各種干擾因素，以便較為準(zhǔn)確地提取地震前兆信息的工作就顯得尤為重要[1-3]。

文章應(yīng)用EIS2000地震前兆信息處理軟件及MapInfo軟件系統(tǒng)，對(duì)長(zhǎng)治中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)治臺(tái))體應(yīng)變2012年9月至2017年7月形變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對(duì)影響觀測(cè)質(zhì)量的故障問(wèn)題和引起固體潮畸變的因素進(jìn)行分析。

1 臺(tái)站背景資料

1.1 臺(tái)站概況

長(zhǎng)治老頂山地震臺(tái)屬于長(zhǎng)治臺(tái)的子臺(tái)之一，位于長(zhǎng)治市老頂山鹽店溝村，距長(zhǎng)治臺(tái)辦公地址約10 km，海拔高度1 036 m,處于太行山地區(qū)。臺(tái)站附近出露地層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組(O2S)石灰?guī)r、豹皮壯灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，產(chǎn)狀為350°<3°。

1.2 鉆孔概況

長(zhǎng)治臺(tái)TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀是“山西省地震局安全信息服務(wù)工程”項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，于2012年9月17日安裝完成。臺(tái)站選用交流供電方式，有防雷保護(hù)措施。鉆孔井為石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，儀器靈敏度優(yōu)于1×10-9，鉆孔孔深63 m，孔徑130 mm。長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變井孔位于老頂山上，在打井過(guò)程中未打出地下水，故為干孔，可有效避免水位、水溫干擾的影響。TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀鉆孔點(diǎn)遠(yuǎn)離大型振動(dòng)源、主干公路、大型變壓器、電臺(tái)發(fā)射天線、大型電機(jī)等，基巖比較完整，適合作為應(yīng)變觀測(cè)場(chǎng)地[4]。

1.3 正常動(dòng)態(tài)分析

儀器自安裝以來(lái)運(yùn)行正常，觀測(cè)曲線光滑，固體潮日變?yōu)檎５碾p峰雙谷型，觀測(cè)資料完整率和預(yù)處理率均大于99.95%，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。正常觀測(cè)日變分鐘值曲線如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變儀分鐘值曲線圖Fig.1 The minute value of the volumetric strain gauge at Changzhi station

2 形變觀測(cè)干擾分析

2.1 自然環(huán)境因素

2.1.1 雷電干擾

雷電是自然環(huán)境中主要干擾因素之一。體應(yīng)變儀安裝于老頂山頂部，地勢(shì)較高，周圍無(wú)更高的建筑，當(dāng)雷電與山體接觸后，會(huì)形成地電位的急劇升高，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生高達(dá)幾萬(wàn)伏的電位差，導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷經(jīng)接地裝置不能迅速流入地下，從而直接導(dǎo)致體應(yīng)變儀探頭產(chǎn)生感應(yīng)電荷，使儀器輸出的mV值瞬間增大[5]。

體應(yīng)變儀值(ΔV/V)=(格值B)×(儀器輸出mV值)。

每年6至8月長(zhǎng)治地區(qū)雷電降雨高發(fā)，伴隨雷電的發(fā)生，體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)瞬間增大，出現(xiàn)向上的階變。如圖2所示，2016年6月13日15：00-24：00降雨并伴有3次明顯的強(qiáng)雷電，每次雷電導(dǎo)致曲線出現(xiàn)相似的向上突跳，易識(shí)別。強(qiáng)雷電可能擊壞儀器，必須提升防雷級(jí)別，減少雷電的影響。

圖2 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變儀分鐘值受雷電干擾曲線圖Fig.2 The minute value of the volumetric strain gauge disturbed by lightning at Changzhi station

2.1.2 氣壓影響

體應(yīng)變觀測(cè)普遍會(huì)受到氣壓影響，因?yàn)闅鈮鹤兓彩且鸬貧?nèi)應(yīng)力變化的一個(gè)因素。氣壓出現(xiàn)短期急劇變化時(shí)會(huì)引起體應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的固體潮畸變，而引起氣壓變化的因素也是多方面的，如刮風(fēng)、降雨、降雪、氣溫波動(dòng)等[6]。觀測(cè)曲線出現(xiàn)階躍或波動(dòng)的時(shí)間相比氣壓的突變時(shí)間有一定滯后性，滯后時(shí)間長(zhǎng)短與鉆孔的密封性有關(guān)。

用彈性力學(xué)的知識(shí)分析，鉆孔體應(yīng)變不僅受水平方向上側(cè)向圍壓力的作用，在垂直方向還受大氣壓的直接作用。根據(jù)蘇愷之教授的推論，建立體應(yīng)變觀測(cè)受氣壓干擾的數(shù)理模型為：

ε=b×ΔPa

，

(1)

(2)

式中：ε為鉆孔體應(yīng)變量；b為氣壓影響系數(shù)；ΔPa為大氣增量；E為巖石彈性模量；μ為巖石泊松比。體應(yīng)變與氣壓一般呈正相關(guān)性[7]。

以長(zhǎng)治臺(tái)2015年5月10日觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，13：00觀測(cè)地點(diǎn)出現(xiàn)陣雨，鉆孔氣壓由882.6 hPa開(kāi)始上升，達(dá)到889.4 hPa；體應(yīng)變主測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)趨勢(shì)變化，體應(yīng)變量由678.3升高到697.9毫角秒。隨著鉆孔氣壓的穩(wěn)定，體應(yīng)變量也趨于穩(wěn)定，表明長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變與氣壓具有較高的線性相關(guān)性，且體應(yīng)變的短期波動(dòng)變化與氣壓基本同步(見(jiàn)圖3)。體應(yīng)變觀測(cè)曲線與氣壓觀測(cè)曲線保持良好的一致性，影響體應(yīng)變的固體潮記錄。

2.2 觀測(cè)系統(tǒng)因素

2.2.1 數(shù)采故障

數(shù)采故障直接影響數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

圖3 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變儀受氣壓影響動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.3 The dynamic change of the volumetric strain gauge under the influence of air pressure at Changzhi station

導(dǎo)致數(shù)采故障的原因主要有兩種，一是由于數(shù)采長(zhǎng)期工作，偶爾會(huì)出現(xiàn)死機(jī);二是斷電，數(shù)采無(wú)法正常工作。以長(zhǎng)治臺(tái)2014年6月25至27日數(shù)據(jù)為例，前兆管理系統(tǒng)顯示體應(yīng)變采數(shù)不正常，依次按下主機(jī)面板上的4個(gè)切換按鈕，主機(jī)顯示屏上數(shù)字不動(dòng)。針對(duì)這種情況，需要采取斷電，重啟主機(jī)，手動(dòng)采集數(shù)據(jù)。重啟后，前兆管理系統(tǒng)界面顯示正常(見(jiàn)圖4)。

圖4 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值受數(shù)采故障影響曲線圖Fig.4 The minute value of the volumetric strain gauge under the influence of data acquisition trouble at Changzhi station

以長(zhǎng)治臺(tái)2015年4月2至3日停電導(dǎo)致數(shù)采故障為例,14∶50網(wǎng)頁(yè)采數(shù)異常，經(jīng)電話詢問(wèn)，因老頂山停電引起(見(jiàn)圖5)。

圖5 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值因停電導(dǎo)致數(shù)采故障影響曲線圖Fig.5 The minute value of the volumetric strain gaugeunder the influence of data acquisition trouble by power outage at Changzhi station

2.2.2 信號(hào)干擾

體應(yīng)變儀自2012年9月運(yùn)行以來(lái)，在11、12月儀器輸出數(shù)據(jù)噪聲大。經(jīng)請(qǐng)教有關(guān)專家，認(rèn)為儀器接地線沒(méi)有處理好。由于儀器外殼存在靜電，造成對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾，主測(cè)項(xiàng)頻繁出現(xiàn)毛刺(見(jiàn)圖6)。2013年1月1日重新安裝地線，7月25日對(duì)地線進(jìn)行檢查升級(jí)，把兩根電線通過(guò)焊錫組成一條，作為體應(yīng)變數(shù)采與接地的連線，之后數(shù)據(jù)再未出現(xiàn)毛刺。

圖6 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值受信號(hào)干擾曲線圖Fig.6 The minute value of the volumetric strain gauge disturbed by signal at Changzhi station

為防止遭遇雷擊，2017年6月1日在長(zhǎng)治地區(qū)雷雨高發(fā)期前對(duì)體應(yīng)變進(jìn)行防雷項(xiàng)目改造。改造完成后，7月19日數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)向下的階變，隨后曲線持續(xù)密集型數(shù)據(jù)突跳(見(jiàn)圖7)。經(jīng)檢查，儀器正常，當(dāng)天老頂山地區(qū)無(wú)雷雨天氣，疑為信號(hào)避雷器受其他地區(qū)信號(hào)影響，將避雷接線去掉后，曲線恢復(fù)正常。

圖7 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值受避雷器接線影響曲線圖Fig.7 The minute value of the volumetric strain gauge under the influence of arrester at Changzhi station

2.3 人為因素

體應(yīng)變受人為干擾主要包括儀器調(diào)零和標(biāo)定。如圖8所示，2013年12月11日人為對(duì)儀器進(jìn)行開(kāi)閥，造成數(shù)據(jù)干擾。如圖9所示，2014年1月1日對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，觀測(cè)人員將產(chǎn)生的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行缺數(shù)預(yù)處理。處理后，記錄曲線表現(xiàn)不明顯，因此人為干擾必須在工作日志中詳細(xì)記錄，便于以后觀測(cè)資料的分析。

2.4 同震階躍

通過(guò)對(duì)2002年儀器安裝以來(lái)的原始記錄分析整理，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)治臺(tái)的鉆孔體應(yīng)變共記錄到百余次地震，主要是6級(jí)以上的遠(yuǎn)距離大震及近距離的較大地震，記錄到的地震事件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響程度與地震的遠(yuǎn)近及震級(jí)的大小都有一定的關(guān)系。震級(jí)越大，距離越近，對(duì)數(shù)據(jù)幅度的影響越大，持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。如圖10所示，以2017年1月22日12∶30的所羅門群島M7.9地震為例，長(zhǎng)治臺(tái)鉆孔體應(yīng)變于12∶37記錄到該地震，持續(xù)時(shí)間160 min，可見(jiàn)地震事件對(duì)數(shù)據(jù)的影響不可忽視。

圖8 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值受人為干擾曲線圖Fig.8 The minute value of the volumetric strain gauge under the influence of human factors at Changzhi station

圖9 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值受儀器標(biāo)定影響曲線圖Fig.9 The minute value of the volumetric strain gauge under the influence of instrument calibration at Changzhi station

圖10 長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變分鐘值同震干擾曲線圖Fig.10 The minute value of the volumetric strain gauge with coseismic interference at Changzhi station

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)治臺(tái)鉆孔體應(yīng)變5年來(lái)的觀測(cè)資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)治臺(tái)體應(yīng)變資料主要受氣壓、雷電、信號(hào)以及儀器自身工作狀態(tài)的影響。其中較為突出的是氣壓與雷電干擾，此類干擾無(wú)法提前預(yù)知和避免，觀測(cè)人員應(yīng)對(duì)干擾時(shí)段的天氣狀況與自然環(huán)境的變化細(xì)心觀察、認(rèn)真記錄在工作日志中，為分析預(yù)報(bào)人員提供客觀真實(shí)的原始資料。