大同中心地震臺體應變觀測資料干擾因素分析及運行質量評價

李文超,閆美蓉,劉 發,韓 勝,彭麗娟,高存英

(1.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037008；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

大同中心地震臺(以下簡稱大同臺)體應變儀2006年開始安裝，2007年投入運行。對該儀器8年的記錄資料進行分析，識別各類非地震前兆干擾，歸納總結干擾引起記錄曲線的動態特征。同時對觀測數據的內精度進行分析，找出影響觀測質量的原因，為地震預測預報提供可靠的資料。

1 臺站背景資料

1.1 臺址概況

大同上皇莊地震臺始建于1970年，海拔高程1 175 m，位于大同市西北，距市區外圍公路約3 km。所在地行政上屬大同市南郊區馬軍營鄉上皇莊村，有鄉間道路通至市區，供電、通訊方便。臺站處于大同盆地邊緣兩大地貌單元的分界處，臺站西北部為山區，山地中溝谷發育，切割較深，東南部為洪積-沖積傾斜平原。從地質上來說，臺站位于陰山東西向復雜構造帶南緣，大同盆地北界構造復雜，有北東、北西向斷裂在臺站附近交匯，晚近期活動的口泉斷裂在臺站附近通過。臺站西部廣泛出露太古界桑干群黑云斜長片麻巖夾斜長角閃巖，混合巖化強烈，上覆蓋第四系黃土，東部為沖-洪積砂土、黃土、礫石層等[1]。

1.2 鉆孔狀況

2006年7月29日，大同臺安裝體積式鉆孔應變儀、探頭以及氣壓、水位、溫度輔助測項儀器。鉆孔開口孔徑147 mm，終孔孔徑130 mm，孔深62 m，探頭底部實際埋深62 m，有柱狀圖及巖芯保存。巖石性質為花崗巖，結構完整堅硬。裂隙、含水層、破碎帶情況是在58.6～61.7 m巖石完整，鉆孔比較干凈，沉砂比較少。

2 觀測曲線正常動態分析

大同臺鉆孔體應變自安裝以來運行穩定，取得連續可靠的觀測資料，能記錄到光滑的固體潮曲線，日變清晰，周期規律明顯(見圖1)。

圖1 大同臺體應變觀測日變曲線Fig.1 Daily variation curve of volumetric strain observation at Datong station

3 主要干擾分析

從大同臺鉆孔體應變多年的觀測數據看，能記錄到清晰的地震波形，較好地反映地下應力的變化，但在實際觀測中不可避免地受到多種因素干擾，主要有氣壓、降水、雷電、電源供電以及儀器自身工作狀態。

3.1 氣壓干擾

地面負載的增減會因氣壓變化而產生影響，從而導致巖體應力應變產生變化[2]。張學陽對高精度潮汐觀測中氣壓觀測的必要性進行論述，闡明氣壓的影響存在周期性變化，周期性變化效應在100 m深度內最大[3]。大同臺鉆孔體應變井深62 m，分析發現，受氣壓影響較大，體應變主測項記錄曲線與輔助鉆孔氣壓記錄曲線日變動態基本呈現同步變化特征。

2014年6月20日19:18大同臺體應變輔助測項鉆孔氣壓受雷雨天氣氣壓短時劇烈變化，數據產生波動，鉆孔氣壓數據從894.28 hPa上升到895.44 hPa,之后又迅速下降到894.59 hPa,同時段體應變主測項受鉆孔氣壓短時劇烈變化產生固體潮畸變，與鉆孔氣壓產生同步數據變化(見圖2)，體應變曲線在鉆孔氣壓變化趨于穩定后恢復正常變化動態。2015年9月27日17：58體應變輔助鉆孔氣壓從890.0 hPa開始急劇上升，18：23達到最高值891.44 hPa，18：45恢復到正常890.27 hPa。受短時氣壓急劇上升下降變化，體應變主測項同步產生畸變，形態類似“鼓包”，與氣壓變化吻合(見圖3)。通過鉆孔氣壓曲線和體應變主測項曲線多次數據同步變化對比看出，體應變主測項受鉆孔氣壓數據干擾明顯，尤其是短時急劇上升或下降，都會對應形成“尖谷”或“尖峰”，使固體潮曲線產生畸變。在鉆孔氣壓變化趨于穩定后，體應變主測項數據也趨于正常變化形態。

圖2 大同臺體應變儀受氣壓影響曲線圖Fig.2 Curve of volumetric strain gauge affected by pressure at Datong station

圖3 大同臺體應變儀受氣壓影響曲線圖Fig.3 Curve of volumetric strain gauge affected by pressure at Datong station

3.2 降水干擾

大同臺體應變數據受降水干擾顯著，通過選取典型降雨天氣的干擾分析發現，干擾分為兩類：一是降雨可造成大地負荷效應。即當降雨為大暴雨時，這一效應可在觀測曲線上體現出來；二是降雨后一段時間，隨著雨水逐漸滲透到巖體間隙，導致含水層或破碎帶中孔隙水的飽和程度發生變化，影響體應變觀測值。

2015年8月24日15:31開始出現雷暴雨天氣，根據臺站輔助觀測氣象三要素記錄15:31至16:16降雨量為12 mm，鉆孔水位從15:31至16:16上升1.14 cm，體應變主測項受短時急劇降雨影響導致山體負荷增加，體應變數據產生變化，呈向上壓性變化，變化量為6.7×10-9(見圖4)。在此次降雨的影響下，鉆孔水位從24日15：31的446.6 cm上升到25日11：21的478.8 cm峰值，上升32.2 cm。體應變固體潮曲線出現趨勢性上升變化，采用整點值計算，體應變主測項應變變化量為20.8×10-9，呈壓性上升，幅度較大。

圖4 大同臺體應變主測項和降雨量原始曲線圖Fig.4 Original curve of the main measurement items of volumetric strain and rainfall

分析認為，降雨干擾引起體應變主測項曲線動態呈壓性上升變化。降雨后，體應變觀測數值持續性變化時間與降雨量的大小有關。降雨量越大，持續性變化時間越長；反之，則越短。

3.3 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[4]。通過對比大同臺體應變儀在雷電發生前后(2016年8月7日至13日)的連續觀測曲線，可以看出雷電發生后的數據異常和固體潮消失(見第44頁圖5)，這次雷電造成體應變儀數據模塊損壞從而產生錯誤數據。2014年6月25日15至19時，出現雷暴雨天氣，有強雷電干擾，體應變主測項觀測曲線出現多次脈沖式畸變，頻繁出現開閥階變(見圖6)。

圖5 大同臺體應變儀器雷擊故障曲線圖Fig.5 Curve of lightning stroke trouble of the volumetric strain gauge at Datong station

圖6 大同臺體應變受雷電干擾曲線圖Fig.6 Curve of interference caused by lightning to volumetric strain at Datong station

3.4 供電干擾

供電干擾是體應變觀測中較常見的一種干擾因素，多數為突變型和脈沖型兩種類型，經過排查落實具體原因后可以在實際觀測中避免。突變型變化主要由交流供電電壓、發電機供電電壓、UPS輸出電壓持續不正確導致，其數據形態通常表現為持續尖峰、錯誤數據，待儀器輸入電壓穩定、準確后，形態可恢復到正常狀態(見圖7)；脈沖型變化主要表現形態為開閥階變，多為儀器自身故障引起，主要原因為突然斷電、交直流電源切換等引起的瞬時電壓不穩，導致觀測值不正常變化。

圖7 大同臺體應變受發電機供電故障干擾曲線圖Fig.7 Curve of interference caused by generator power supply trouble to volumetric strain gauge at Datong station

4 運行質量評價

在固體潮形變分析中，利用EIS2000軟件提供的Venedikov調和分析方法，對大同臺體應變觀測資料進行計算(其中，2016年度數據截止日期為6月30日)，得到M2波潮汐因子、潮汐因子中誤差、相對誤差、潮汐相位滯后等數據(見表1)。分析看出，大同臺體應變M2波潮汐因子的中誤差、相對誤差遠小于0.05，表明體應變觀測資料的內精度、穩定性都較高。其中，2013年、2014年數據計算得出的中誤差以及相對誤差比往年偏大，原因是儀器、探頭受雷擊影響以及儀器自動開閥頻繁，導致數據內精度下滑。

表1 大同臺體應變資料調和分析逐年統計Table 1 Statistics year by year of harmonic analysis of volumetric strain gauge data at Datong station

5 結論

(1) 通過對大同臺鉆孔體應變8年的觀測資料進行分析，得出大同臺體應變資料主要受氣壓、降水、雷電、電源供電以及儀器自身工作狀態的影響，其中較為突出的是氣壓和降雨干擾。

(2) 大同臺體應變受雷雨天氣短時氣壓驟變影響顯著，鉆孔氣壓與主測項同步產生變化，強降雨導致體應變干擾明顯，且與鉆孔水位呈同步趨勢變化。強降雨后，地下水位快速上升，導致巖石內部的壓力加大，體應變主測項呈現壓性上升同步變化。

(3) 大同臺體應變具有清晰的年變規律，體應變M2波潮汐因子的相對誤差小于0.05，體應變觀測資料的內精度、穩定性都較高，其內精度除受鉆孔自身環境的影響外，受雷電、儀器故障影響顯著。