昭通地震中心站YRY-4鉆孔應變儀觀測數(shù)據(jù)干擾分析

彭登靖

（中國云南 671000 云南省地震局昭通中心站）

0 引言

昭通地處云、貴、川3 省交界地區(qū)，地層地質(zhì)構(gòu)造復雜，境內(nèi)斷裂帶縱橫交錯，是云南地震活動較頻繁的地區(qū)之一。YRY-4 型鉆孔應變儀是記錄地殼應力變化規(guī)律的儀器，觀測精度高，運行穩(wěn)定，但受干擾影響較大（侯躍偉等，2020）。昭通地震中心站YRY-4 型鉆孔應變儀自2007 年投入觀測以來，產(chǎn)出了大量連續(xù)、可靠的資料，清晰地記錄了昭通及周邊地區(qū)地震，映震能力較強，如2014 年8 月3 日清晰記錄了魯?shù)镸S6.5 地震，2021 年5 月21 日清晰記錄了大理漾濞MS6.3 地震。但隨著城市的發(fā)展，昭通地震中心站已被大中型建筑包圍，臺站背靠鳳凰山，距街道僅有幾米，周邊有間斷性施工，街道車流量大，這導致YRY-4 型鉆孔應變儀觀測數(shù)據(jù)毛刺增多。除場地干擾影響外，降雨干擾也較明顯。當降雨量達到某個值時，便會對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響（白偉利等，2021），這通常表現(xiàn)為趨勢性轉(zhuǎn)折向下或向上，且降雨影響具有滯后性。為驗證YRY-4 型鉆孔應變儀工作是否可靠，觀測數(shù)據(jù)是否可信，本文擬利用YRY-4 型鉆孔應變儀四分量數(shù)據(jù)S1、S2、S3、S4進行自洽檢驗。

1 觀測概況

1.1 昭通地震中心站背景資料

昭通地震中心站始建于1964 年，位于昭通市昭陽區(qū)團結(jié)路東延線的元寶山腳下。觀測山洞始建于1978 年，臺基為晚古生代二疊紀玄武巖。臺站周邊主要有小江斷裂、峨眉—金陽斷裂、漢源—甘洛斷裂、威寧—大關(guān)馬邊斷裂、巧家—蓮峰斷裂、灑漁河斷裂、迤車斷裂、昭魯斷裂等斷裂帶（李大虎等，2019）。昭通地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，地震活動頻繁，2003 年以來發(fā)生MS≥5.0 地震10 余次，這些地震與該地區(qū)斷裂帶有很大聯(lián)系。

昭通中心站觀測儀器中，受干擾較明顯的儀器是鉆孔應變儀。通過整理觀測數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，降雨干擾最明顯，連續(xù)性降雨導致觀測曲線大幅波動后緩慢恢復，分析認為可能是降雨影響具有遲滯性所致。

1.2 YRY-4 鉆孔應變儀

YRY-4 型鉆孔應變儀架設于昭通市昭陽區(qū)團結(jié)路東沿線的元寶山腳下，鉆孔深45 m，玄武巖地層。安裝時水位距井口31 m。套管下到22 m深，31—35 m裸孔段多處破碎、掉塊。探頭安裝在44.7 m 深處的完整段。

YRY-4 型鉆孔應變儀自2007 年投入觀測以來，觀測數(shù)據(jù)年變形態(tài)穩(wěn)定，中途無儀器配件更換情況，整體運行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)曲線日變、月變、年變清晰，對國內(nèi)外中強震都有較好的同震效應，在部分地震前固體潮曲線常伴有速率加快、轉(zhuǎn)折、脈沖突跳、脈動畸變等異常現(xiàn)象。圖1 為儀器正常運行時的數(shù)據(jù)曲線。

圖1 2021 年2 月1—2 日YRY-4 型鉆孔應變儀正常運行觀測曲線Fig.1 Normal operation curve of borehole strain gauge from February 1 to 2,2021

1.3 儀器相關(guān)系數(shù)及映震能力檢驗

為判斷YRY-4 型鉆孔應變儀觀測數(shù)據(jù)的可靠性，利用自檢相關(guān)系數(shù)K值進行檢驗（宋俊朋等，2019）。其原理是兩相互正交的分量數(shù)據(jù)之和相等，選取儀器6 月觀測數(shù)據(jù)，計算（S1+S3）、（S2+S4）并繪制相關(guān)系數(shù)曲線，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見，2 條正相關(guān)曲線自相關(guān)系數(shù)K值為0.94，說明儀器的觀測數(shù)據(jù)是可靠的。

圖2 自檢相關(guān)系數(shù)K 值檢驗Fig.2 Self-check correlation coefficient K value test

為檢驗YRY-4 型鉆孔應變儀映震能力（蘇維剛等，2021），遠震及近震各選出1 次代表性的震例。遠震震例：2021 年7 月29 日美國阿拉斯加州以南海域MS8.1 地震，震源深度10 km，震中距為8 048 km，此次地震為國外特大型地震，震級大，震源淺；近震震例：2021 年5 月21 日中國漾濞MS6.5 地震，震源深度10 km，震中距616 km。2 次震例同震響應見圖3、圖4。

圖3 2021 年7 月29 日美國阿拉斯加州以南海域MS 8.1 地震應變量同震響應Fig.3 Coseismic response to the July 29,2021 MS 8.1 earthquake in the south of Perryville,Alaska,USA

圖4 2021 年5 月21 日中國漾濞MS 6.4 地震應變量同震響應Fig.4 Coseismic response of the MS 6.4 earthquake in Yangbi,China on May 21,2021

2 干擾分析

2.1 自然環(huán)境干擾

昭通中心站地處云、貴、川3 省結(jié)合部的烏蒙山區(qū)腹地，地勢西南高、東北低，屬于熱帶、暖溫帶共存的高原季風立體氣候，夏季多雨，冬季多雪。一般情況下，昭通地區(qū)雨季集中在5—8 月。降雪集中在當年10 月至次年2 月。5—8 月的雨季，YRY-4 型鉆孔應變儀觀測曲線會出現(xiàn)加速壓縮變化，而且持續(xù)時間較長，應變幅度大，趨勢性轉(zhuǎn)折變化明顯，僅2020—2021 年強降雨導致曲線趨勢性轉(zhuǎn)折異常就達到5 次。昭通地區(qū)2021 年6—8 月持續(xù)強降雨，累計降雨量達336 mm，連續(xù)的強降雨導致YRY-4 型鉆孔應變儀觀測數(shù)據(jù)發(fā)生趨勢性轉(zhuǎn)折。自2021 年6 月24 日起，YRY-4 型鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)整體走勢向下，曲線下降過程中，出現(xiàn)階段性曲線走勢向上繼而轉(zhuǎn)向下的過程。因每當強降雨過后曲線開始下降（圖5）（孫藝玫等，2021），調(diào)查后并未發(fā)現(xiàn)周邊大型施工、場地塌陷、儀器工作不穩(wěn)定等異常情況，故認為是斷斷續(xù)續(xù)的強降雨導致地下地質(zhì)不規(guī)律變化所致。YRY-4 型鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)的變化為：自6 月24 日起，NS 分量曲線整體走勢向下，下降幅度最大為12 214×10-8應變單位；EW 分量曲線整體走勢向下，下降幅度最大為15 224×10-8；NE 分量曲線整體走勢向下，下降幅度為12 524×10-8應變單位；NW分量曲線整體走勢向下，下降幅度最大為3 688×10-8。8 月2 日，YRY-4 型鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)開始后恢復正常。7 月7、27 日強降雨后觀測曲線又開始下降，天氣晴朗后，曲線逐步恢復正常形態(tài)。

圖5 降雨干擾Fig.5 Rainfall interference

2021 年1 月，昭通地區(qū)出現(xiàn)強降雪天氣，積雪厚達10 cm，從1 月15 日開始積雪融化，融化的積雪導致臺站地下地質(zhì)形變，而相應時段儀器運行正常，無大型施工、場地變化等情況。YRY-4 型鉆孔應變儀清晰地記錄到了此變化（圖6）。融雪導致YRY-4 型鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生趨勢性轉(zhuǎn)折，數(shù)據(jù)下降明顯，NS、EW、NE、NW 四分量下降幅度分別為8 101×10-8應變單位、8 442×10-8應變單位、4 460×10-8應變單位、2 360×10-8應變單位，自2 月26 日起曲線開始恢復至正常工作形態(tài)。

圖6 融雪干擾Fig.6 Snowmelt interference

降雨、融雪對YRY-4 型鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)的影響在時間上和曲線形態(tài)變化上基本一致，所以只截取NS 分量作分析。降雨、融雪對觀測曲線的影響具有滯后性，即該影響效應不會立刻引起變化，而是待降雨或融雪結(jié)束后，延遲一段時間曲線才發(fā)生變化（圖6）。

圖7 為2021 年8 月降雨對YRY-4 型鉆孔應變儀觀測數(shù)據(jù)影響的滯后性。由圖7（a）可見，降雨開始于2021 年7 月8、25 日，曲線轉(zhuǎn)折開始于同月10、27 日，降雨之后2 天曲線才開始變化。由圖7（b）可見，融雪開始于2021 年1 月14 日，可曲線轉(zhuǎn)折開始于當月18 日。這可能是臺站周圍松軟土質(zhì)吸收水分、土質(zhì)形變遲滯所致。因此，每年雨季維護人員都要對觀測環(huán)境、供電系統(tǒng)、儀器工作狀態(tài)及避雷設施進行全面系統(tǒng)的排查，及時對儀器周圍排水溝進行疏通（解孟雨等，2021），以保證強降雨后積水可以順利排出，進而預防積水對儀器產(chǎn)生觀測干擾。

圖7 降雨（a）、融雪（b）對YRY-4 型鉆孔應變儀觀測的滯后性影響Fig.7 Hysteresis effect of rainfall (a) and snowmelt (b) on the observation of YRY-4 borehole strain gauge

2.2 調(diào)零干擾和人為干擾

隨著鉆孔應變儀長時間的運行，數(shù)據(jù)采集器容易老化，偶爾會出現(xiàn)故障［圖8（a）］。由圖8（a）可見，2020 年7 月8 日數(shù)據(jù)采集器故障產(chǎn)生的干擾，其表現(xiàn)為臺階。圖8（b）為儀器調(diào)零標定產(chǎn)生的人為干擾。2020 年1 月18 日由于儀器超量程，對EW、NE 兩分量調(diào)零，這導致數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變，數(shù)據(jù)變化達21 452×10-8應變量，手動調(diào)零后儀器恢復正常工作。儀器故障統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖8 數(shù)采故障（a）、調(diào)零標定干擾（b）Fig.8 Data acquisition failure (a) and zero adjustment calibration interference (b)

表1 鉆孔應變儀數(shù)據(jù)采集器故障統(tǒng)計Table 1 Data mining failure statistics table of borehole strain gauges

數(shù)據(jù)采集器老化不可避免。由數(shù)據(jù)采集器故障所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化明顯，在數(shù)據(jù)曲線上主要表現(xiàn)為臺階、亂碼或缺記。發(fā)生此情況后，經(jīng)過重啟數(shù)據(jù)采集器基本能恢復工作。由此可見，熟悉數(shù)據(jù)采集器故障特點，有助于區(qū)分異常和干擾。

2.3 場地環(huán)境干擾

昭通中心站于2021 年12 月1 日啟動云南省地震局臺站觀測環(huán)境提升改造項目，1 日10 時起大型挖掘機在距鉆孔應變儀器安裝地直線30 m 處開始施工，鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)受施工干擾明顯，干擾曲線如圖9 所示。此次施工主要為大型碎石機作業(yè)，每次碎石都會產(chǎn)生強度不等的地面震動。大型碎石機碎石作業(yè)對鉆孔應變儀的干擾影響在觀測曲線上表現(xiàn)為應變量變化不等的毛刺。分析其為施工干擾的原因如下：對比分析同期碎石機碎石作業(yè)時水平擺、水管儀、伸縮儀等形變儀器觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)形變儀器數(shù)據(jù)曲線相同時間同步記錄毛刺；對比分析當日差分序列值圖（趙慧琴等，2015），發(fā)現(xiàn)碎石機施工時數(shù)據(jù)變化明顯，應變量最大變化量為412×10-8，說明此數(shù)據(jù)變化應為碎石機施工干擾；施工期間儀器工作正常，無市電/UPS 電源切換情況。

圖9 NS 分量施工干擾差分序列值Fig.9 Difference sequence value of North-South component construction interference

3 結(jié)論

利用YRY-4 鉆孔應變儀四分量觀測數(shù)據(jù)S1、S2、S3、S4進行自洽檢驗，K值為0.94，說明儀器運行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)可靠；YRY-4 型鉆孔應變儀可清晰記錄固體潮變化特征，對地震有較好的同震響應，說明YRY-4 型鉆孔應變儀映震能力強。

分析了YRY-4 型鉆孔應變儀所受干擾的類型，并淺析了干擾原因。干擾有：①自然環(huán)境干擾。降雨、融雪常年對鉆孔應變儀產(chǎn)生干擾，且干擾具有滯后性，即降雨、融雪干擾不會使數(shù)據(jù)曲線立刻發(fā)生變化，而是待降雨、融雪結(jié)束后，數(shù)據(jù)曲線才產(chǎn)生延遲變化。②人為干擾。鉆孔應變儀投入運行時間較長，數(shù)據(jù)采集器會出現(xiàn)故障，致使維修儀器、調(diào)零時產(chǎn)生人為干擾。③場地施工干擾。YRY-4 型鉆孔應變儀觀測數(shù)據(jù)受碎石機碎石作業(yè)施工干擾明顯，在觀測數(shù)據(jù)曲線上出現(xiàn)應變量變化不等的毛刺。