宋曉煜，馬廣慶，王志敏，張 帆，池海江

（1.河北省地震局張家口地震監(jiān)測中心站，河北 張家口 075400；2.河北地震臺，河北 石家莊 050021）

地殼應(yīng)力的狀態(tài)變化是引起褶皺、斷裂及地震等地表變形及破壞發(fā)生的根本因素，發(fā)生在地殼表面的各種地質(zhì)災(zāi)害都與地應(yīng)力的作用息息相關(guān)。鉆孔應(yīng)變觀測是研究地殼應(yīng)力狀態(tài)及其變化規(guī)律的主要手段，同時也是地震觀測與研究中不可或缺的主要技術(shù)（白金朋，2013）。TJ－Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀作為地球動力學儀器在觀測和研究地殼形變方面發(fā)揮著重要作用（李海亮等，2010；蘇愷之等，2003）。河北省地震局懷來地震臺地處于首都圈及京西北地震監(jiān)視區(qū)，在地震監(jiān)測中具有重要作用，該臺對本區(qū)及鄰區(qū)近震有著較好的映震能力和震前異常反映（王曰風等，2018）。2008年1月7日安裝TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀，探頭放置于古界花崗片麻巖層，經(jīng)過石英砂漿固化、探頭和井孔禍合、鉆孔溫度恢復(fù)、儀器調(diào)整平衡等過程，儀器能記錄到清晰、規(guī)則的固體潮引起的變化。通過多年觀測積累了豐富的資料，但是在觀測過程中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳及干擾現(xiàn)象，為準確識別各類非地震前兆干擾，本文主要針對懷來臺體應(yīng)變觀測出現(xiàn)的干擾因素進行分類總結(jié)，分析鉆孔溫度、鉆孔氣壓、鉆孔水位與體應(yīng)變之間的關(guān)系，同時對TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀器運行質(zhì)量進行評價，對剔除干擾因素有積極的意義，以便在資料處理時發(fā)現(xiàn)規(guī)律，為地震監(jiān)測提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 臺站概況

懷來地震臺地質(zhì)構(gòu)造處于延懷盆地中部、延慶山字型前弧西翼與新華夏系構(gòu)造體系大海沱構(gòu)造帶的復(fù)合部位（池海江等，2003）。定點形變觀測測項主要有SQ-70DSI型水平擺傾斜儀、VP型垂直擺傾斜儀、DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型洞體應(yīng)變伸縮儀、TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀。其中體應(yīng)變鉆孔深74.0 m，終孔孔徑為130.0 mm，探頭位置放置于井下64.0 m處，用膨脹水泥固定，該段有5.0 m完整花崗片麻巖，儀器主機和數(shù)采安裝在觀測室內(nèi)的大理石墩上，采用聚乙稀泡沫板保溫套將儀器密封，有利于降低外界氣候變化帶來的干擾。懷來地震臺TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀自運行以來，觀測數(shù)據(jù)曲線有一定的動態(tài)變化規(guī)律，曲線光滑，測值的日變動態(tài)清楚，由圖1可看出呈現(xiàn)規(guī)律的固體潮形態(tài)。

圖1 懷來地震臺體應(yīng)變?nèi)沼^測曲線

2 體應(yīng)變儀觀測影響因素分析

為準確識別各類非地震前兆干擾，針對懷來臺體應(yīng)變觀測出現(xiàn)的主要干擾因素進行分類總結(jié)（張紅秀等，2019），目前主要受自然環(huán)境（大風、氣壓、降雨）、電源干擾和人為干擾。

2.1 大風、氣壓和降雨的影響

通過分析對比2018～2020年體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)，由于春季張家口地區(qū)風力較大，局部風力達到7級以上，2018年4月6日02∶01～07∶29，2019年3月30日07∶47～20∶19（圖2a），2020年3月30日07∶41～17∶20（圖2b），大風影響體應(yīng)變觀測，表現(xiàn)為曲線“毛刺”現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

圖2 2019年3月30日（a）和2020年3月30日（b）體應(yīng)變受大風干擾

氣壓變化是通過地球表面產(chǎn)生邊界應(yīng)力效應(yīng)造成的，使得巖體內(nèi)部各種裂隙受到壓縮或者拉伸改變巖體的孔隙壓力（趙小賀等，2018），造成測值發(fā)生明顯變化。氣壓對體應(yīng)變短時間影響，主要表現(xiàn)在雷雨季節(jié)，氣壓會出現(xiàn)短時劇烈波動，造成曲線畸變。如：2018年6月10日17∶39～18∶19鉆孔氣壓升高，引起體應(yīng)變觀測值同步變化，曲線形態(tài)呈“鼓包”式（圖3a）；2019年6月29日00∶36～03∶34鉆孔氣壓降低，體應(yīng)變觀測曲線與鉆孔氣壓呈同步變化趨勢，曲線形態(tài)呈“凹陷”式（圖3b）。通過多年資料分析，在雷雨季節(jié)，體應(yīng)變觀測在雷雨前后出現(xiàn)的干擾次數(shù)要比平常月份頻繁。氣壓對體應(yīng)變的長時間影響主要表現(xiàn)為同步變化。選取2019年6月至9月鉆孔氣壓與體應(yīng)變整時值資料做比較，可以看出，鉆孔氣壓對體應(yīng)變觀測顯示同步變化特征（圖4）。

圖3 2018年6月10日（a）和2019年6月29日（b）氣壓對體應(yīng)變短時間干擾

圖4 2019年6～9月氣壓對體應(yīng)變長時間干擾

在體應(yīng)變觀測中，降雨能增加地殼表面的荷載量，造成地殼應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化，繼而引起體應(yīng)變測值出現(xiàn)變化（胡瀾繽等，2019）。通過分析懷來地震臺體應(yīng)變觀測資料發(fā)現(xiàn)，降雨干擾分為即時影響和延時影響。2019年6月12日懷來地區(qū)發(fā)生強降雨，降雨量達24.2 mm，且當日15時降雨量整點值達19.9 mm，體應(yīng)變觀測曲線出現(xiàn)尖峰干擾（圖5a），變化量達57.0×10－9。表明此次干擾為降雨產(chǎn)生大地負荷效應(yīng)所致。雨水隨著時間慢慢滲入巖體的孔隙中，使得孔隙壓力迅速增多，造成延時影響，引起體應(yīng)變測值發(fā)生變化（李杰等，2003）。2020年8月18日07時至10時降雨量為19.8 mm，隨著降雨緩慢滲透，體應(yīng)變觀測曲線在08∶20測值增高（圖5b），變化量達17.6×10－9。

圖5 2019年6月12日（a）和2020年8月18日（b）體應(yīng)變受降雨影響

2.2 電源干擾

2019年6月16日00∶01～01∶16電源不穩(wěn)（交直流電切換，造成輸出電壓不穩(wěn)定），產(chǎn)出錯誤數(shù)據(jù)，曲線出現(xiàn)“脈沖式”突跳（圖6），變化幅度達到94.9×10－9，01∶17電壓穩(wěn)定后，測值逐漸恢復(fù)正常。因此，定期進行巡檢維護，減少電源干擾，是保障觀測的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是提高資料完整率的重要保證。

圖6 2019年6月16日體應(yīng)變觀測受電源干擾

2.3 人為干擾

2018年9～11月臺站進行標準化改造，線路整理造成體應(yīng)變觀測儀在2018年10月16日整理線路時間段（09∶01～10∶25）內(nèi)數(shù)據(jù)突跳，曲線出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，施工改造（10∶26～12∶20）造成數(shù)據(jù)缺測（圖7a）。按照《傾斜應(yīng)變臺網(wǎng)觀測與運行管理工作細則（2015修訂）》規(guī)范要求（張英杰等，2016），2019年1月1日臺站人員對體應(yīng)變進行按時標定，造成干擾，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)“脈沖式”上升（圖7b），變化幅度達到44.5×10－9。

圖7 2018年10月16日（a）和2019年1月1日（b）體應(yīng)變觀測受人為干擾影響

3 體應(yīng)變與鉆孔溫度、氣壓、水位之間的關(guān)系

在對體應(yīng)變觀測干擾因素進行分類總結(jié)基礎(chǔ)上，進一步分析鉆孔溫度、鉆孔氣壓、鉆孔水位與體應(yīng)變之間的關(guān)系，利用origin數(shù)據(jù)分析計算得出體應(yīng)變與氣壓相關(guān)系數(shù)為0.680，與水位相關(guān)系數(shù)為－0.455，而與溫度的相關(guān)系數(shù)僅有－0.246。通過各測項散點圖對比和相關(guān)系數(shù)分析（張帆等，2021），說明鉆孔氣壓對體應(yīng)變變化呈正相關(guān)（圖8a），鉆孔水位對體應(yīng)變變化呈負相關(guān)（圖8b），而鉆孔溫度影響作用相對較弱（圖8c）。

圖8 體應(yīng)變觀測與鉆孔氣壓（a）、水位（b）、溫度（c）的關(guān)系

4 體應(yīng)變儀運行質(zhì)量評價

資料的完整性、穩(wěn)定性、可靠性是判斷觀測資料質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標。觀測資料只有達到觀測技術(shù)標準要求時，才能更好地判斷出觀測資料的正常動態(tài)背景。為此，有必要對觀測資料進行完整性、穩(wěn)定性、可靠性分析（尤宇星等，2012；李杰等，2002）。統(tǒng)計2018年至2020年懷來臺體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)完整率，其結(jié)果分別為94.11%、99.84%、99.93%，這說懷來臺體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)完整率逐年提高，造成2018年完整率數(shù)據(jù)不達標（≤99.5%）的主要原因在于2018年臺站標準化改造，斷續(xù)缺測影響數(shù)據(jù)觀測完整率。內(nèi)在精度方面通常采用M2波潮汐參數(shù)的穩(wěn)定性來分析儀器對應(yīng)變固體潮的觀測精度。應(yīng)變固體潮M2波潮汐因子的“內(nèi)精度”是指M2波的均方差與潮汐因子的比值，即相對誤差（李文超等，2018）。內(nèi)精度（小于0.05）代表觀測固體潮數(shù)據(jù)可靠性，數(shù)值越小，說明觀測值越可靠，選取2020年懷來地震臺體應(yīng)變的觀測資料，利用EIS2000軟件進行Venedikov調(diào)和分析計算內(nèi)在質(zhì)量（全建軍等，2021），計算結(jié)果見表1。從表1可看出2020年3月相對誤差為0.0567，8月相對誤差為0.0531，造成3月、8月內(nèi)在觀測質(zhì)量較低的原因分別為UPS故障停電缺測，氣壓及雷雨干擾。

表1 2020年懷來地震臺1～12月體應(yīng)變調(diào)和分析結(jié)果

5 結(jié)論與認識

通過對懷來臺TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀干擾因素及運行質(zhì)量分析得出幾點結(jié)論：（1）運用體應(yīng)變觀測資料分析異常與地震的關(guān)系時，排除干擾因素是前提，懷來臺體應(yīng)變資料主要受大風、氣壓、降雨以及電源和人為干擾的影響，其中較為突出的是氣壓和降雨干擾。（2）降雨對體應(yīng)變的影響與臺站所處地區(qū)裂隙發(fā)育情況息息相關(guān)，降雨通過大地負載效應(yīng)滲入巖體孔隙中，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的壓力加大，體應(yīng)變觀測呈現(xiàn)壓性上升同步變化，造成體應(yīng)變觀測受到降雨快速影響和緩慢影響。（3）通過計算懷來體應(yīng)變觀測資料，影響資料質(zhì)量的因素除受鉆孔自身環(huán)境外，受電源故障、降雨、人為干擾較大。為進一步分析鉆孔體應(yīng)變與鉆孔溫度、氣壓、水位之間的關(guān)系，運用Origin軟件進行分析發(fā)現(xiàn)：鉆孔氣壓與體應(yīng)變變化呈正相關(guān)，鉆孔水位與體應(yīng)變變化呈負相關(guān)，而鉆孔溫度影響作用相對較弱。