茅遠(yuǎn)哲，張國(guó)苓，董 博 ,2，喬子云，馬 棟，曹 筠

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2. 河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050021)

鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)是地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其變化規(guī)律的重要研究手段，同時(shí)也是現(xiàn)代地震前兆觀測(cè)手段中不可或缺的技術(shù)力量 (李海亮等，2010；蘇愷之，2003)。已取得的形變觀測(cè)手段受大氣干擾因素的頻譜機(jī)制研究成果表明：相對(duì)于地表形變觀測(cè)手段，鉆孔應(yīng)變觀測(cè)雖然從一定程度上減弱了大氣壓強(qiáng)影響(馬棟，2011)，但其仍是對(duì)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果造成影響的常見(jiàn)且明顯干擾因素之一(茅遠(yuǎn)哲等，2016)。為進(jìn)一步對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究，本文選取易縣臺(tái)兩套體積式鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)結(jié)果中受到氣壓干擾的部分分鐘值資料作為研究對(duì)象，利用小波分析法對(duì)主測(cè)項(xiàng)與輔助鉆孔氣壓測(cè)項(xiàng)資料進(jìn)行同期分析，計(jì)算體應(yīng)變主測(cè)項(xiàng)與氣壓測(cè)項(xiàng)在各個(gè)頻段上的小階數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)比TJ-Ⅱ型與TJ-Ⅰ型體應(yīng)變儀受短時(shí)氣壓干擾下的頻譜響應(yīng)特征，分析兩套體應(yīng)變觀測(cè)手段識(shí)別短時(shí)氣壓干擾的能力。

1 測(cè)點(diǎn)環(huán)境與觀測(cè)儀器

河北省地震局易縣地震臺(tái)地處太行山隆起帶與華北平原拗陷區(qū)的分界部位，位于太行山北段低山丘陵地區(qū)的紫荊關(guān)斷裂帶東側(cè)，臺(tái)站地理位置及周邊斷裂分布如圖1所示。2014年臺(tái)站完成TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀安裝，并與原有TJ-Ⅰ型體應(yīng)變儀并行至2015年12月。體應(yīng)變鉆孔選址于易縣臺(tái)站院內(nèi)中部的空曠區(qū)域，其中TJ-Ⅰ型體應(yīng)變井深70.3 m，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變井深90 m，兩井相距10 m，均采用市電和UPS電源供電。TJ-Ⅱ型鉆孔體積式應(yīng)變儀相對(duì)于TJ-I型具有如下優(yōu)勢(shì)：1)具有更高的靈敏度和分辨率，理論上可以捕捉到更為微小的細(xì)節(jié)變化信息，能夠記錄到更高頻率的數(shù)據(jù)信息；2)量程擴(kuò)大1倍以上，對(duì)于觀測(cè)儀器采集的數(shù)據(jù)寬度有了明顯的提升；3)為了在遭受雷擊等情況下造成傳感器損壞后井下儀器還能繼續(xù)工作，TJ-Ⅱ型在儀器內(nèi)部加裝了一個(gè)性能完全一致的備用傳感器，進(jìn)一步提高儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

圖1 易縣地震臺(tái)地理位置及周邊斷裂示意

2 資料選取與研究方法

以易縣地震臺(tái)并行的兩套鉆孔體積式應(yīng)變儀數(shù)字觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，整理出儀器在2015年3月1日至12月31日共10個(gè)月的數(shù)字觀測(cè)分鐘值資料，挑取出其中2次分別受到高氣壓與低氣壓明顯影響事件(分別為2015年8月17日和9月8日)，選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)全天分鐘值觀測(cè)資料作為分析對(duì)象。短時(shí)氣壓波動(dòng)過(guò)程，即持續(xù)時(shí)間一般在數(shù)分鐘、數(shù)十分鐘以至數(shù)小時(shí)。目前分析氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響較為常用的方法是小波變換。小波變換主要是從不同頻段將數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，進(jìn)一步分離和識(shí)別高頻和低頻信息(喬子云等，2000),將其應(yīng)用于主測(cè)項(xiàng)與輔助氣壓測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)，提取出主測(cè)項(xiàng)與氣壓測(cè)項(xiàng)在各頻段中同步變化且形態(tài)特征一致的部分，即氣壓干擾“響應(yīng)”頻段，進(jìn)一步對(duì)比分析兩套體應(yīng)變儀對(duì)氣壓變化的響應(yīng)頻段特征。

3 頻譜對(duì)比分析

氣壓干擾能夠在一定程度上掩蓋地殼形變的真實(shí)變化，因此識(shí)別與排除體應(yīng)變觀測(cè)中的氣壓干擾非常重要(喬子云等,2000)。根據(jù)對(duì)潮汐形變觀測(cè)受干擾情況的初步分析，氣壓干擾對(duì)潮汐形變觀測(cè)的影響主要為觀測(cè)系統(tǒng)受到高氣壓與低氣壓環(huán)境控制下產(chǎn)生的變化，所以本文將干擾體應(yīng)變觀測(cè)的氣壓變化類(lèi)型分為兩類(lèi)：高壓環(huán)境干擾與低壓環(huán)境干擾(孫伶俐等,2014)。

3.1 高氣壓對(duì)體應(yīng)變的干擾

高氣壓控制的區(qū)域其中心地帶氣壓較高，氣流呈輻散狀態(tài)向周?chē)较蜻\(yùn)動(dòng)，受控中心區(qū)域下沉氣流占主要優(yōu)勢(shì)。此時(shí)響應(yīng)形態(tài)在觀測(cè)曲線上的反映特征多為密切震顫狀，結(jié)合微觀反應(yīng)考慮，很可能是由于地表氣壓波動(dòng)會(huì)造成區(qū)域負(fù)荷發(fā)生變化，同理儀器所在鉆孔水面負(fù)荷發(fā)生增減導(dǎo)致。根據(jù)中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)處理系統(tǒng)記錄顯示，易縣臺(tái)兩套體應(yīng)變觀測(cè)曲線均于2015年9月8日20～23時(shí)出現(xiàn)畸變(如圖2)。觀測(cè)系統(tǒng)所在地區(qū)畸變時(shí)段內(nèi)未發(fā)生水位與溫度的明顯變化，鉆孔氣壓觀測(cè)曲線出現(xiàn)與主測(cè)項(xiàng)變化形態(tài)接近的震顫?；冃螒B(tài)在分鐘值觀測(cè)曲線上呈震顫狀，與上述特征相符，推斷主測(cè)項(xiàng)曲線畸變主要是由高氣壓干擾類(lèi)型引起的。

3.2 低氣壓對(duì)體應(yīng)變的干擾

低氣壓時(shí)區(qū)域中地面中心附近的氣壓相對(duì)低，受控區(qū)域的中心盛行上升氣流，由于空氣上升運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致此類(lèi)情況通常伴隨著降水發(fā)生，此時(shí)潮汐曲線的形態(tài)多為起伏抖動(dòng)狀。后者是氣流受洞腔內(nèi)空氣振蕩發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致潮汐觀測(cè)上出現(xiàn)抖動(dòng)響應(yīng)。根據(jù)中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)處理系統(tǒng)中記錄到的易縣臺(tái)兩套體應(yīng)變觀測(cè)曲線均在2015年08月17日16時(shí)至20時(shí)出現(xiàn)畸變，且記錄到該時(shí)段中出現(xiàn)少量降雨，與低氣壓環(huán)境背景條件相符合，畸變?cè)谟^測(cè)曲線上呈起伏抖動(dòng)狀形態(tài)，測(cè)點(diǎn)附近在畸變時(shí)段內(nèi)未出現(xiàn)明顯溫度變化，且與水位變化無(wú)相關(guān)性，鉆孔氣壓觀測(cè)曲線出現(xiàn)相近的抖動(dòng)變化。推斷主測(cè)項(xiàng)觀測(cè)曲線發(fā)生畸變是由低氣壓干擾引起，如圖3所示。

圖3 2015年8月17日易縣臺(tái)TJ-Ⅰ和Ⅱ型體應(yīng)變及輔助測(cè)項(xiàng)預(yù)處理分鐘值曲線

3.3 從高階部分對(duì)比兩套體應(yīng)變頻段特征

現(xiàn)有研究表明，短時(shí)氣壓干擾對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)的響應(yīng)頻段主要出現(xiàn)在6階(32～128 min)部分(孫伶俐等,2014)，且該頻段包括更多細(xì)節(jié)信息，因此對(duì)兩套體應(yīng)變的主測(cè)項(xiàng)與輔助鉆孔氣壓觀測(cè)在高階范圍(64～128 min)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行同軸對(duì)比，對(duì)比分析兩套觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)氣壓干擾的響應(yīng)頻譜特征。(1)對(duì)于高氣壓干擾，兩套體應(yīng)變主輔觀測(cè)小波6階如圖4所示，進(jìn)一步計(jì)算，得到TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變觀測(cè)主測(cè)項(xiàng)與輔助氣壓測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)小波6階的相關(guān)系數(shù)分別為0.93與0.94。這表明TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變響應(yīng)能力相近，均可以顯示出體應(yīng)變觀測(cè)值與鉆孔氣壓之間具有較高的相關(guān)性，對(duì)兩種型號(hào)的體應(yīng)變采用小波方法得出的解析結(jié)果均易進(jìn)行高氣壓干擾的頻譜識(shí)別。(2)對(duì)于低氣壓干擾，兩套體應(yīng)變主輔觀測(cè)小波6階如圖5所示，進(jìn)一步計(jì)算，得到TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變主測(cè)項(xiàng)與輔助氣壓測(cè)項(xiàng)觀測(cè)分鐘值小波6階數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.89與0.93。結(jié)合觀測(cè)曲線觀察，TJ-Ⅱ型較TJ-Ⅰ型體應(yīng)變?cè)?階上的主測(cè)項(xiàng)與氣壓測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)變化顯示出了更好的同步性，且具有更好的相關(guān)性。說(shuō)明對(duì)于此類(lèi)呈抖動(dòng)形態(tài)的低氣壓干擾畸變，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變?cè)谛〔ǜ唠A細(xì)節(jié)上的體現(xiàn)比TJ-Ⅰ型體應(yīng)變更加靈敏，更清楚地顯示了體應(yīng)變觀測(cè)值與鉆孔氣壓觀測(cè)值的相關(guān)性，且在高階頻段上更易于識(shí)別該種氣壓干擾。

圖4 易縣臺(tái)2015年9月8日高氣壓干擾

圖5 易縣臺(tái)2015年8月17日低氣壓干擾

4 結(jié)論

利用小波分析法處理易縣地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)與鉆孔氣壓觀測(cè)分鐘值數(shù)據(jù)，對(duì)觀測(cè)中常見(jiàn)的受高氣壓環(huán)境干擾與低氣壓環(huán)境干擾情況分別進(jìn)行了相關(guān)分析，得出以下結(jié)論：(1)TJ-Ⅰ型與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變觀測(cè)主測(cè)項(xiàng)時(shí)序曲線均能響應(yīng)短時(shí)氣壓干擾變化且時(shí)間較為同步，兩套觀測(cè)曲線變化形態(tài)較一致。(2)在高氣壓下，TJ-Ⅰ型與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變的主測(cè)項(xiàng)與氣壓測(cè)項(xiàng)在高頻6階細(xì)節(jié)上的相關(guān)系數(shù)接近，說(shuō)明對(duì)于此類(lèi)呈顫動(dòng)形態(tài)的高氣壓干擾畸變，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變?cè)谛〔ń馕黾?xì)節(jié)上與TJ-Ⅰ型體應(yīng)變響應(yīng)能力相近；在低氣壓下，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變主測(cè)項(xiàng)與其鉆孔氣壓測(cè)項(xiàng)在高頻6階曲線上的變化一致性較TJ-Ⅰ型變化形態(tài)更加同步且更為靈敏，具有更高的相關(guān)系數(shù)，說(shuō)明TJ-Ⅱ型體應(yīng)變觀測(cè)更易于識(shí)別低氣壓干擾。