白偉利，李宏偉，高龍飛，韓 勝，梁大勇，張文慧

(1.山西省地震局大同地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 大同 037000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局忻州地震監(jiān)測(cè)中心站，山西 忻州 034200；4.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

鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是研究地殼運(yùn)動(dòng)的主要觀測(cè)手段，在地震地球物理觀測(cè)中占有重要地位[1]。21世紀(jì)初，YRY-4型四分量應(yīng)變儀開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)地震觀測(cè)網(wǎng)，為地震預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)服務(wù)，至今國(guó)內(nèi)布設(shè)的四分量鉆孔應(yīng)變儀已近百臺(tái)，多次記錄到大震前后的應(yīng)變異常[2]。如,四川蘆山Ms7.0地震和汶川地震前，姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)分別出現(xiàn)應(yīng)變階躍和短周期的“毛刺”形態(tài)變化，有可能是強(qiáng)震的臨震前兆信號(hào)[3-5]。通過(guò)與汶川地震前姑咱臺(tái)的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行初步對(duì)比，發(fā)現(xiàn)大同臺(tái)與姑咱臺(tái)的數(shù)據(jù)變化形態(tài)相似，均呈現(xiàn)出短周期的“毛刺”。為調(diào)查大同臺(tái)數(shù)據(jù)變化原因，下面對(duì)數(shù)據(jù)變化特征進(jìn)行分析，排查數(shù)據(jù)異常原因并進(jìn)行解決。

1 臺(tái)站及鉆孔應(yīng)變觀測(cè)概況

大同中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大同臺(tái)，目前更名為大同地震監(jiān)測(cè)中心站)位于陰山東西向復(fù)雜構(gòu)造帶南緣，大同盆地北界，有北東、北西向斷裂在臺(tái)站附近交匯，晚近期活動(dòng)的口泉斷裂在臺(tái)站附近通過(guò)。YRY-4應(yīng)變儀鉆孔位于臺(tái)站西約800 m處的山溝內(nèi)，鉆孔深50.2 m,探頭安裝在30 m深處，口泉斷裂下盤(pán)，出露巖性為太古界花崗偉晶巖、蝕變花崗偉晶巖和蝕變片麻巖，基巖完整，地下水位變化幅度不大。鉆孔遠(yuǎn)離大型振動(dòng)源、主干公路、電臺(tái)發(fā)射天線(xiàn)、大型電機(jī)。儀器自運(yùn)行以來(lái)的主要干擾因素有雷電、氣壓、系統(tǒng)故障和井口結(jié)冰等。

2 異常概述

大同臺(tái)YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀安裝于2011年10月，記錄的固體潮清晰，觀測(cè)質(zhì)量較好。2018年9月更換數(shù)采主機(jī)后，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)規(guī)律性的小幅噪聲變化，數(shù)據(jù)曲線(xiàn)形態(tài)如第41頁(yè)圖1所示。

第41頁(yè)表1為數(shù)據(jù)變化前后的精度統(tǒng)計(jì)，顯示2018年8月至11月受儀器故障和干擾影響，儀器自檢內(nèi)精度值和固體潮精度值明顯增大。表明，異常數(shù)據(jù)影響大同臺(tái)的觀測(cè)質(zhì)量，也影響固體潮內(nèi)精度和自檢精度。

表1 2018年大同臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)精度Table 1 The accuracy of strain observation data of borehole YRY-4 at Datong station in 2018

3 干擾分析及排查

3.1 觀測(cè)環(huán)境調(diào)查

圖1中各測(cè)道數(shù)據(jù)同步出現(xiàn)“毛刺”形態(tài)的干擾，之后數(shù)月內(nèi)數(shù)據(jù)變化幅度減小。汶川地震前，位于龍門(mén)山斷裂帶西南端的姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀，記錄到異常應(yīng)變變化，數(shù)據(jù)異常變化以短周期(數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí))的“毛刺”形態(tài)為特征[3]。通過(guò)與姑咱臺(tái)的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)姑咱臺(tái)的“毛刺”形態(tài)多為單邊變化，大同臺(tái)的異常數(shù)據(jù)屬于上下突跳的噪聲變化，一般出現(xiàn)在18時(shí)至次日07時(shí)左右，因數(shù)據(jù)變化在時(shí)間上存在明顯的周期性，推測(cè)可能不是地球物理異常。

圖1 大同臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線(xiàn)Fig.1 Strain data curve of YRY-4 borehole at Datong station

這種時(shí)間上表現(xiàn)為規(guī)律性的干擾，通常是由周?chē)h(huán)境存在振動(dòng)施工或大型電臺(tái)發(fā)射等人為活動(dòng)引起。臺(tái)站第一時(shí)間對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行大范圍的調(diào)查，檢查鉆孔的井口裝置正常，也未發(fā)現(xiàn)周?chē)写笮驼駝?dòng)源等施工活動(dòng)，距離臺(tái)站最近的上皇莊村也無(wú)大型施工改造、設(shè)備改造等，認(rèn)為不存在對(duì)鉆孔應(yīng)變的影響。

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)檢查

YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀為長(zhǎng)圓筒徑向位移式儀器，在圓筒中部位置安裝四個(gè)方向互相間成45°交角的四組徑向測(cè)微傳感器，測(cè)量四個(gè)方向圓筒直徑的微小變化。當(dāng)把圓筒探頭放入地層鉆孔，并用耦合介質(zhì)將探頭與地層連為一體后，通過(guò)儀器測(cè)量系統(tǒng)獲得地層鉆孔四個(gè)方向的鉆孔孔壁徑向位移。大同臺(tái)鉆孔探頭1路應(yīng)變方位相對(duì)磁南北為25°，2路、3路、4路應(yīng)變方位分別為70°、115°、160°。將四路元件的θ代入下式得到對(duì)應(yīng)觀測(cè)方向的應(yīng)變值：

Sθ=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-φ)，

(1)

式中：ε1為最大主應(yīng)變，即沿θ方向；ε2為最小主應(yīng)變；φ為應(yīng)變主方向；A、B為待定常數(shù)，稱(chēng)為耦合系數(shù)。A、B 的大小與套筒、水泥及周?chē)鷰r石的材料和尺寸以及周?chē)鷰r石性質(zhì)等有關(guān)系[6]。

圖2 大同臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)元件方位角Fig.2 Azimuth angle of strain observation element at Datong station

從儀器觀測(cè)原理可知，當(dāng)儀器工作正常時(shí)，4個(gè)分量的觀測(cè)值 Sθ應(yīng)滿(mǎn)足“自檢條件”：

ΔS1+ΔS3=ΔS2+ΔS4[3]。

圖3是2018年9月11日至27日干擾最嚴(yán)重時(shí)段，圖中S1+S3和S2+S4曲線(xiàn)幾乎一致，經(jīng)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.97，說(shuō)明觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠?；谝陨辖Y(jié)論，分析認(rèn)為干擾可能是由觀測(cè)室內(nèi)機(jī)柜、接地線(xiàn)、其他儀器或用電設(shè)備漏電引起。

圖3 大同臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變儀分鐘值曲線(xiàn)和同時(shí)段數(shù)據(jù)自洽分析Fig.3 Minute value curve of YRY-4 borehole strain gauge at Datong Station and self-consistent analysis of simultaneous data

3.3 觀測(cè)室干擾排查

大同臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)室位于臺(tái)站西800 m處的山溝內(nèi)，面積約13 m2，中間采用隔斷，分為測(cè)震擺房和形變觀測(cè)室。觀測(cè)室內(nèi)有2個(gè)專(zhuān)業(yè)機(jī)柜和UPS不間斷電源、配電箱等公用設(shè)備。觀測(cè)室和機(jī)柜內(nèi)設(shè)備分布如圖4和圖5所示。

圖4 大同臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變觀測(cè)室內(nèi)部布設(shè)Fig.4 Indoor layout of strain observation in borehole YRY-4 at Datong station

圖5 大同臺(tái)YRY-4觀測(cè)室內(nèi)機(jī)柜示意圖Fig.5 Schematic diagram of indoor cabinet for YRY-4 observation at Datong station

觀測(cè)室內(nèi)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾的用電設(shè)備可能很多，經(jīng)過(guò)分析，列出了可能的干擾因素并逐一進(jìn)行排查，具體排查措施和結(jié)果如表2所示。在排查期間，由于每次主機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)所需恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)干擾排查持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

表2看出，停用防雷隔離電源后干擾消失。防雷隔離電源通過(guò)與UPS不間斷電源連接，輸入220 V交流，內(nèi)部由皮帶帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能，輸出穩(wěn)定的 12 V直流給主機(jī)供電。檢查電源內(nèi)部電機(jī)和線(xiàn)路，發(fā)現(xiàn)電源內(nèi)部接入交流的電線(xiàn)有磨損漏電，磨損位置在電源內(nèi)部，不拆開(kāi)電源很難發(fā)現(xiàn)。更換電源后，數(shù)據(jù)噪聲干擾消失，曲線(xiàn)恢復(fù)正常。選取干擾前后9月的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)對(duì)比如圖6所示。

表2 觀測(cè)室干擾排查措施及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Investigation measures and test results of interference in observation room

圖6 大同臺(tái)YRY-4鉆孔應(yīng)變觀測(cè)干擾排除前后對(duì)比曲線(xiàn)Fig.6 Interference period of strain observation in borehole YRY-4 at Datong station and contrast curve after interference elimination

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于大同臺(tái)更換數(shù)采主機(jī)后出現(xiàn)的噪聲干擾，臺(tái)站工作人員開(kāi)展多方面的調(diào)查、檢查和處理分析工作，逐項(xiàng)排除測(cè)區(qū)周邊環(huán)境、觀測(cè)儀器、觀測(cè)室內(nèi)機(jī)柜和探頭防雷器等因素的影響，最終判定數(shù)據(jù)異常是由防雷隔離電源內(nèi)部線(xiàn)路磨損漏電產(chǎn)生。同時(shí)，該干擾在時(shí)間上具有規(guī)律性，變化周期短，呈現(xiàn)出高頻的“噪聲”形態(tài)。初步分析可能是由于新數(shù)采主機(jī)有較高頻的采樣，對(duì)該干擾敏感，在觀測(cè)室內(nèi)智能電源和UPS不間斷電源充電工作時(shí)受干擾較嚴(yán)重，導(dǎo)致干擾呈現(xiàn)時(shí)間上的周期性。