豎直擺鉆孔傾斜儀在滎陽山洞淺井中的應用效果分析

摘 要：本項目通過CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀在滎陽淺井中的傾斜潮汐觀測數據統計和各測項的內在質量、觀測精度和映震效應和震后效應的分析，對CZB豎直擺傾斜儀在地質條件較好地區(qū)淺井觀測的應用效果做出正確的認識和客觀的評價。從分析結果來看，淺井觀測能夠滿足地質較好地區(qū)的地傾斜觀測的要求，這對鉆孔傾斜儀器的應用拓展了空間。

關鍵詞：豎直擺傾斜；內在精度；映震效能；傾斜潮汐

引言

大量的震例研究與巖石破裂試驗表明，地震孕育所引起的地形變一般量級較小，且隨著震中距的增大衰減較快，因此高精度、高穩(wěn)定性的觀測儀器，才能觀測到來自地球內部的地形變信息。我國的地傾斜觀測經歷了金屬擺傾斜儀、石英擺傾斜儀、水管傾斜儀三個階段，觀測精度和穩(wěn)定性逐步提高。為了避開地表干擾因素和溫度影響，提高儀器的抗干擾能力，鉆孔觀測成為目前地傾斜觀測的方向之一。CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀是河南省地震局研制生產的高精度井下傾斜儀器，是國家地震局十五中標觀測儀器。它的工作原理是利用一個鉛錘擺來測定地面傾斜變化。該儀器防水性能好，可在40--80 m深水下長期工作，能夠清晰地記錄到固體潮日變形態(tài)。由于深井觀測雖然觀測精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，但也存在一些缺點如前期鉆孔成本高、維護困難等，我們決定采用淺井進行觀測，在滎陽淺井中安裝了一套CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀，記錄方式為數字記錄。本文通過該儀器在滎陽淺井中應用效果的分析，來判斷該儀器在淺井觀測發(fā)展的前景和應用。

1 觀測環(huán)境簡述及儀器基本概況

1.1 臺站的地震地質簡述

鄭州滎陽地震臺1984年建臺，1999年劃歸河南省地震局鄭州中心臺管理，擁有地傾斜、地應變、鉆孔傾斜、鉆孔應變等觀測項目，是河南省重要的綜合性的形變觀測臺站。鄭州滎陽地震臺具體位置：經度113°18′44″，緯度34°38′22″，臺站所處地質構造部位為秦嶺東西復雜構造帶北緣偏東，二級構造單元屬華北沉降帶開封中坳和嵩（山）萁（山）中臺隆起的交界部位，臺基為第三紀灰?guī)r，地表黃土埋深30-60m。附近有須水斷裂、上街斷裂、古滎斷裂、風門口-五指領斷裂（圖1）。洞體巖性為饅頭頁巖和石英巖等，洞內濕度很大，但溫度非常穩(wěn)定，山洞監(jiān)測環(huán)境室溫日變幅優(yōu)于0.01度，年變幅優(yōu)于0.2度，是理想的形變監(jiān)測點。2012年8月在滎陽淺井中安裝了一套CZB型豎直擺鉆孔傾斜儀，鉆孔深度2.2m，基巖為砂巖，記錄方式為數字記錄。

圖1 鄭州滎陽測點附近斷裂帶分布圖

1.2 儀器的基本參數及鉆孔的基本情況

CZB豎直擺鉆孔傾斜儀是一種測量地殼微量傾斜和記錄地球傾斜固體潮的儀器。儀器核心部分是采用豎直方向懸掛的重力擺，分辨率10-10m量級的位移，實現對微小傾斜量的測量。它可以安裝在數十米深的豎直鉆孔底部，大大削弱了地表的各種干擾，用來捕捉大地震發(fā)生前的地殼變形和擾動信息，為地震預測預報提供依據。它靈敏度高，穩(wěn)定性好，適應性強。滎陽觀測山洞經優(yōu)化改造后進行部分觀測環(huán)境的改造（安裝船艙密封門等），測點基巖和覆蓋層良好，山洞監(jiān)測環(huán)境室溫日變幅優(yōu)于0.01度，年變幅優(yōu)于0.2度，符合《地震及前兆數字觀測技術規(guī)范》，是理想的形變監(jiān)測點，完全能夠滿足CZB-1型豎直擺傾斜儀觀測條件。

CZB-1型鉆孔傾斜儀一般是安裝在地面下數十米的豎直鉆孔里，這次在山洞內使用是在這種環(huán)境下大膽的嘗試，由于該儀器的與大地需要鉆孔耦合，我們借鑒中國地震局地殼應力研究所鉆淺井的方法，2012年8月20日至27日在滎陽觀測山洞打鉆孔，鉆孔深度2.2m，鉆孔直徑135mm，鉆孔周圍是整體的頁巖，無破裂、空隙，井底儀器工作段巖石較完整，井孔內無巖石裂隙滲透水。

因為井孔才打好會產生一段時間的變形，儀器安裝完成初期，存在著較大的零漂，為了得到理想的觀測效果，井孔打好穩(wěn)定兩個月后再安裝儀器。鄭州的磁偏角是3°50′西，所以正北方向在磁北+3°50′，在井口定出正北方向線，轉動底座使斜面缺口對準正北向，打開鎖緊裝置，卡爪順利將底座固定在井壁，再吊一重錘敲擊底座使其結合緊密。地面主機安裝于監(jiān)測室機房，數據電纜用金屬管進行防雷屏蔽，井口已作密封處理。

1.3 儀器工作狀態(tài)和觀測數據情況

該儀器靈敏度為0.0015\"/mV左右，符合地形變觀測規(guī)范要求，記錄的數據能夠清晰地記錄到地球固體潮變化及地震波。（如圖2）

數據情況：2012年8月17日滎陽淺井安裝設備，10月9日正式觀測。2012年11月25日由于UPS電源故障，鉆孔傾斜儀25日18：24分至26日09：59分缺記。連續(xù)8個月觀測數據連續(xù)率、完整率99.62%，說明CZB-1型豎直擺鉆孔傾斜儀系統工作基本穩(wěn)定。

圖2 滎陽臺CZB-1型鉆孔傾斜儀記錄到的固體潮

和加拿大海域7.7級地震

2 觀測資料分析

2.1 資料預處理

選取CZB-1型豎直擺傾斜儀EW和SN方向2012年10月-2013年6月的固體潮觀測資料，儀器記錄到的數據為來自地球內部、外部以及儀器本身漂移的總和，其中地球內部信息是由于天體對地球的作用力引起的地形變，即潮汐變化以及周圍構造運動的影響。外部影響即大氣壓、地溫（熱形變）、降雨、地表負荷等；儀器本身也會有規(guī)則和不規(guī)則的漂移。諸因素中唯有地球潮汐變化部分是可計算的[1]。在進行Venedikov調和分析計算前，需要對原始豎直擺傾斜觀測資料進行預處理：（1）將電壓量轉換成物理量。即用觀測值乘以格值或用觀測值除以靈敏度系數，便得到了傾斜量，并轉換成10 量級。（2）應用基于GIS的地震分析預報系統Mapsis軟件[2]的拆分功能，將連續(xù)數據逐月進行拆分。（3）將臺站觀測的傾斜資料與相應的傾斜固體潮理論值作對比，糾正有明顯錯誤的數據。（4）由于維修儀器、電源故障、漂移等原因造成的數據階躍，按照規(guī)范，選用適當方法進行拼接，數據短缺或中斷的，一律用“999999”補齊。

2.2 儀器標定精度

儀器標定的重復性是觀測儀器的重要指標。該儀器2012年11月7日、2013年3月28日、6月3日共進行了3次標定，標定結果分別為NS：0.001451\"/mV、0.001453\"/mV，0.001450\"/mV；EW：0.0015

35\"/mV、0.001536\"/mV、0.001539\"/mV。標定精度分別為NS：0.033、0.027、0.049，EW：0.038、0.046、0.052，豎直擺鉆孔傾斜儀標定重復性大大優(yōu)于1%。

2.3 在質量評定

該觀測儀器具有較好的固體潮汐效應，能明顯的記錄到傾斜固體潮。觀測儀器記錄到的數據是來自地球內部、外部以及儀器本身漂移的總和，在這些諸因素中唯有地球潮汐變化部分是可計算的[3]。M2波潮汐因子及誤差是一項用來評定固體潮觀測內在質量優(yōu)劣的定量指標，使用M2波月序列潮汐因子離差值（即中誤差）一是因為中緯度地區(qū)M2波振幅最大，具有較大的信噪比；二是連續(xù)1個月觀測資料計算的波潮汐因子相對穩(wěn)定。所以在正常情況下，波月序列潮汐因子離散誤差（或相對誤差）可以反映儀器觀測精度及其穩(wěn)定性。中誤差可以反映數據觀測質量和觀測環(huán)境的影響，同時觀測環(huán)境的變化也可以影響中誤差，對異常的判別有參考作用。應用Mapsis軟件對豎直擺傾斜EW，SN向整點值連續(xù)數據使用維尼狄可夫（Venedikov）調和分析方法對正常時段整點值觀測數據進行調和分析兩日（48h）調和分析（表1），正常時段M2 波潮汐因子變化范圍EW 向為0.4059～0.4787，SN向為0.578-0.6161；總體上看EW 向變化幅度為0.0728，SN向變化幅度為0.0581，而NS向潮汐因子要相對優(yōu)于EW向。相對誤差變化幅度EW向為0.0099～0.0428，SN向為0.0054-0.0395，結果表明分析該儀器觀測數據結果內在質量較高。

表1 2012年10月-2013年5月月調和分析結果

2.4 映震能力統計

地震的孕育和發(fā)生是地殼應力-應變能量逐漸積累和釋放的過程，從本質上說是一個力學過程[4]，這必然導致地殼外表的形狀變化，因此地形變資料中的映震能力是判斷儀器性能、檢測能力的重要指標。從鄭州滎陽觀測點豎直擺鉆孔傾斜地震映震能力目錄（表2）統計測算可知，包裹近震目錄（最小震級ML3.5，距離100Km～1000Km）、遠震目錄（最小震級ML4.0，距離≥1000Km）。在觀測數據期間共監(jiān)測到地震（包括地方震、遠震、余震等），映震數目占到國家地震目錄的75%以上，說明豎直擺鉆孔傾斜地震映震能力較強。

2.5 強震的震后效應

強震除產生涉及地球局部運動的體波和面波外，還能激發(fā)全球規(guī)模的維持數天的地球自由振蕩。鉆孔傾斜儀檢測的是地殼局部性形變的過程。一般說來，地殼形變的大小或形式與外力的作用時間的長短有關，如果變形力的作用時間很短，或變形力的變化很快，區(qū)域局部地殼的形變是彈性的，這意味著一旦撤除作用力，即恢復原樣。如果作用力時間很長，由這種變形力引起的局部地殼形變響應則是粘滯性的，如斷層的蠕滑、擴容等，這種形變是與時間有關。強震引發(fā)的地球自由振蕩而出現的震后效應是地殼運動的必然反映[5]。對震后效應規(guī)律性的理解有助于正確判斷地殼局部區(qū)域的異常變化。筆者用滎陽鉆孔傾斜儀檢測到的全球ML≥5.0以上地震數據顯示，由于本華北地區(qū)沒有觀測到地方震，本文給出強遠震映震的三個實例（圖3），2012年11月11日 09：12和18：54分別在緬甸（北緯22.8，東經96.0）發(fā)生7.0、6.2級地震（圖3a）；2013年02月06-07日在圣克魯斯群島附近海域（南緯10.9，東經165.2） 發(fā)生11次6.2-7.6級地震及余震（圖3b）；2013年02月14日21：13在俄羅斯（北緯67.6，東經142.6） 發(fā)生7.3級地震（圖3c）。表明強震后強震震后效應一般為3～7天后逐漸恢復正常形態(tài)。

地球固體潮是一種人們可以預測和精確測量到的自然現象。固體潮汐波的變化是反映地殼介質的物性變化，當介質的力學狀態(tài)和外部觀測環(huán)境保持不變時，固體潮汐應是個不變的量。當地殼內的應變積累到一定程度，力學狀態(tài)明顯改變時，介質物性發(fā)生變化，潮汐就會發(fā)生明顯變化。日月引潮力持續(xù)作用于地球，地球對引潮力的響應反映了其內部的物性特征。形變潮汐觀測值可反映地殼在潮汐作用下發(fā)生的微形變場變化，通過對地殼介質物性參數（潮汐因子等）的計算，分析地震前地殼巖石彈性的變化，判定其由線性進入非線性狀態(tài)的短期階段。潮汐因子特征的物理本質上和空間距離上，反映了震源區(qū)域地殼介質在不同方向的受力變化，從時間上給出了震源的短臨前兆信息。這種變化過程可歸納為趨勢性背景變化—增大（或減小）—達到極值—恢復—平靜等待—發(fā)震。潮汐參數在地震前呈趨勢性變化和突變性非穩(wěn)定擾動變化，反映了巖石介質應變積累進入了非彈性變化的失穩(wěn)階段和突變過程，應為震前短期異常信息。地震研究關注的是從實際觀測資料中分離出與地震孕育有關的非潮汐因素所引起的傾斜變化，實踐初步表明地震平靜期時值相當穩(wěn)定，而在5級以上地震前，近臺（震距中100km），發(fā)生值的變化是經常的。當值出現系統偏離，越出置信區(qū)間時，可視為短期異常。臨近發(fā)震時，可能出現潮汐因子值的急劇增大或不穩(wěn)定跳動。本文以2倍均方差潮汐因子變化（圖3d、圖3e），結果發(fā)現潮汐因子變化均在1-2倍均方差之內，說明了滎陽附近地區(qū)區(qū)域性水平傾斜變化系統偏離不明顯，這也與鄭州地區(qū)沒有發(fā)生地方震相吻合。

3 思考和認識

由于社會經濟的發(fā)展，大部分臺站觀測環(huán)境遭到了不同程度的破壞，地面干擾源較多，嚴重影響了臺站觀測質量，儀器由地面觀測轉到地下深井觀測是今后地震觀測的發(fā)展方向之一，但深井觀測也存在一些條件制約，包括資金、技術，維護等方面都受到一定的制約。本文通過對CZB豎直擺傾斜儀在地質條件較好地區(qū)淺井地傾斜潮汐形變觀測資料的精度、映震效能做出正確的認識和客觀的評價，對形變臺網未來的發(fā)展和臺網布局具有一定的現實意義。

（1）該儀器靈敏度為0.0015\"/mV左右，符合地形變觀測規(guī)范要求，記錄的數據能夠清晰地記錄到地球固體潮變化及地震波。

（2）M2波潮汐因子及誤差是一項用來評定固體潮觀測內在質量優(yōu)劣的定量指標。使用M2波月序列潮汐因子離差值（即中誤差）在正常情況下，波月序列潮汐因子離散誤差（或相對誤差）可以反映儀器觀測精度及其穩(wěn)定性。儀器標定的重復性是選擇觀測儀器的重要指標。從以上統計可看出，滎陽淺井豎直擺傾斜各項觀測指標完全能夠滿足正常的觀測需要，符合地傾斜觀測的要求。

（3）從映震能力來統計分析和震后效應來看，該儀器在滎陽淺井中的映震效能比較理想。由于鉆孔傾斜儀檢測的是地殼局部性形變的過程。一般說來，地殼形變的大小或形式與外力的作用時間的長短有關，如果變形力的作用時間很短，或變形力的變化很快，區(qū)域局部地殼的形變是彈性的，這意味著一旦撤除作用力，即恢復原樣。表現在震后2-5天形態(tài)恢復正常變化。

（4）從豎直擺鉆孔傾斜儀標定精度、內在質量評價，映震效應和震后效應的分析統計來看，淺井觀測能夠滿足地質較好地區(qū)的觀測要求。

參考文獻

[1]國家地震局科技監(jiān)測司.1995.地震地形變觀測技術[M].北京：地震出版社.3-10.

[2]蔣駿，李勝樂，張雁濱，等.2002.地震前兆信息與軟件系統EIS2000[M].北京：地震出版社.

[3]陳德福.地殼形變動力學觀測與研究，北京：海洋出版社，1993.

[4]范桂英，丁建國，蘇澤云.2001.常熟地傾斜固體潮調和分析及預報效能[J].地震學刊，21（1）：4-8.

[5]韓育平等：CZB-2型豎直擺鉆孔傾斜儀用于地震預報的檢測能力分析.53.

作者簡介：李海峰，45，男，工程師，河南省鄭州地震臺，從事臺站地震監(jiān)測和分析。