三分量應變儀觀測數據自檢分析★

李宏偉 王 霞

(山西省地震局，山西 太原 030021)

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三分量應變儀觀測數據自檢分析★

李宏偉 王 霞

(山西省地震局，山西 太原 030021)

利用應變矢量合成與分解原理，分析了離石地震臺三分量應變儀數據變化的可靠性，結果表明，NS分量與EW分量合成的NE分量與實際觀測的NE分量的比值時序圖以及利用回歸模型得到的外推數據與實際觀測值對比圖均不符合自檢理論，因此，NS分量2014年8月的快速變化不是地殼應變引起的，可能由于儀器本身問題造成的。

應變儀，應變矢量，二元回歸模型，自檢分析

0 引言

應變觀測對象是兩基準點之間的水平距離隨時間的相對變化[1,2]，用于監測地殼構造應變和固體潮水平分量的連續變化，為研究地震孕育過程提供依據，已有學者利用應變觀測數據對孕震過程的映震效能進行了多角度的探索研究，并已取得很好的效果[3-6]。假如觀測點下方是一塊完整的基巖，理論上，任何一個方向上有應變的改變都可以分解為NS向與EW向上的分量變化；同理，也可將NS向與EW向上的變化合成為實際方向的變化量。離石地震臺應變觀測除了有NS分量與EW分量，還增加了NE分量觀測，為數據變化的真實性提供了自檢分析的可能。

1 三分量應變儀測點概況

離石地震臺應變觀測儀安放于山洞硐室內，洞深31 m，洞體覆蓋厚度43 m，三分量應變觀測儀平面布設如圖1所示。山洞開挖于關帝山強烈隆起區，該區新構造運動以來以持續抬升為主，斷塊內差異運動極弱，屬穩定的新構造單元。距離洞室最近的斷裂為劉家岔斷裂，位于洞室北東向1.6 km處，斷裂為前第四紀斷裂，屬非活動斷裂。洞室周邊500 m范圍內無活動斷裂，且節理裂隙也不發育。儀器洞室位于呂梁期花崗巖體中，該花崗巖巖性為淺紅色細粒～中粗粒黑云二長花崗巖，巖石有輕微的混合巖化，屬極硬巖石，微風化，巖體屬堅硬巖[7]。

離石地震臺應變觀測儀從2010年9月開始安裝試運行，2012年后儀器穩定運行，由于測點所在處巖體較穩定，且附近斷裂活動較弱，所以自儀器穩定運行以來，數據平穩變化。2014年8月后，應變儀NS分量數據出現加速變化，另外兩個分量數據變化幅度沒有出現同步加速變化(見圖2)，因此初步判定屬于構造活動的可能性較小，具體原因需進一步論證。

2 模型構建與分析

2.1 矢量模型分析

應變是表示物體變形的程度，即在應力作用下物體形狀和大小的改變量，線應變是指物體受力發生變形后，所增加或縮短的長度與變形前長度的比值，即以其相對變形來量度，沒有量綱。理論上，對同一巖體而言，應力與應變之比是一個常數模量，根據力的合成與分解原理，可以將NS向與EW向應變合成NE向應變，用式(1)表示。

(1)

由式(1)可知，由NS向與EW向合成的應變矢量與實際觀測的NE向應變矢量之比為1，考慮到實際觀測環境可能還受其他因素的影響，實際的比值不是嚴格等于1，但基本應該在1的附近。基于此，將2013年—2014年的應變觀測值按式(1)轉化為比值時序圖(見圖3)，由圖3可知，2014年8月之后，比值時序圖曲線明顯偏離理論值，不符合理論模型，因此認為觀測值不符合自檢結果。

2.2 回歸模型分析

變量之間的關系一般分為兩種：一種是完全確定關系，即函數關系；一種是相關關系，即變量之間既存在著密切聯系，但又不能由一個或多個變量的值求出另一個變量的值。對于彼此聯系比較緊密的變量，通過建立一定的公式，可以在變量之間互相推測，回歸分析的目的就是用數學表達式來描述相關變量之間的關系。

由2.1可知，三分量應變儀各個分量之間存在聯系，因此針對此次變化，采用MATLAB中的regress函數進行多元回歸分析，具體步驟如下：

1)將三分量的日均值曲線進行預處理，去除缺數以及異常點數據，采用線性插值方法將數據補齊，然后將NE分量作為因變量，NS分量、EW分量作為自變量，建立二元回歸模型。

2)將此次數據快速變化前(2013年1月1日～2014年7月31日)的日均值作為模型建立的輸入數據，得到合成后的NE向觀測曲線，以及回歸函數。圖4是實際觀測曲線與合成觀測曲線的對比圖，式(2)為得到的回歸函數。

YNE=-681.37+0.771 5XNS+0.491 3XEW

(2)

其中，YNE為NE向觀測值；XNS為NS向觀測值；XEW為EW向觀測值。

通過分析異常變化前NE向與NS向、EW向的相關性(相關系數為0.743 4)，說明NE向與NS向、EW向本身之間存在較強相關性，建立的回歸模型可靠。

根據式(2)建立的回歸模型，利用NS，EW向觀測數據外推數

據異常期間(2014年8月1日～2014年12月31日)的NE向觀測數據，得到外推NE向曲線與原始NE向觀測曲線對比圖(見圖5)。由圖5可知，異常期間NE向原始觀測值與外推的觀測值差異較大，綜合分析認為，本次數據變化不滿足三分量自檢分析，因此數據異常變化為地震前兆異常的可能較小。

3 結語

洞體應變儀安放于地震觀測山洞，觀測墩位于基巖上，任何一個分量的變化都不能是獨立的，必定會使另外兩個分量中的一個或者兩個也發生變化；換言之，其中一個分量必定與另外兩個分量存在一定的相關性。

通過應變矢量合成與分解原理，將合成的NE分量與實際觀測的NE分量作比值運算，結果表明2014年8月后比值時序圖出現大幅度的偏離理論值1，因此NS分量2014年8月的大幅度變化不屬于地殼應變變化的作用。

二元相關性計算結果顯示NE分量確實與NS分量、EW分量有較高的相關系數，并建立二元回歸模型，其模擬結果與實際觀測值有較高的一致性，但依據二元線性回歸模型外推出數據異常時段的NE分量數據與實際觀測的數據存在較大偏離，因此再次證實NS分量此次異常變化不是地震前兆異常變化。

通過構建應變矢量模型和回歸模型均得出數據異常時段不符合三分量應變儀的自檢理論，因此認為離石地震臺三分量應變儀2014年8月的加速變化不是由地殼應變引起的，可能是儀器傳感器本身問題造成的。

[1] 左 艷,冀林旺，商 亮，等.數字伸縮儀三分量空間合成分析及映震研究[J].華南地震，2011,31(3):101-111.

[2] 中國地震局監測預報司.地形變測量(試用版)[M].北京:地震出版社,2008:212-226.

[3] 池順良,池 毅,鄧 濤，等.從5.12汶川地震前后分量應變儀觀測到的應變異常看建設密集應變觀測網絡的必要性[J].國際地震動態,2009(1):1-13.

[4] 彭 華,馬秀敏,姜景捷.山丹地應力監測站體應變儀的地震效應[J].地質力學學報,2008(2):97-108.

[5] 馮建琴,董甲弟,程冬焱，等.淺析山西應變儀及鉆孔傾斜儀在日本9.0級地震前后映震特征[J].山西地震,2013(2):29-34，48.

[6] 呂 芳，張淑亮，胡玉良，等.山西靜樂井水位異常調查與分析[J].山西地震，2013(3):28-31.

[7] 山西省地震局.山西省地震監測志[M].北京:地震出版社,2006:172-176.

The self-test analysis on the observation value of three-component strain meter★

Li Hongwei Wang Xia

(EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030021,China)

The reliability of observation data from three-component strain meter at Lishi seismic station is analyzed by the synthesis and decomposition principle of strain vector and the bivariate regression model. The results show that the ratio of NE component compounded by NS component and EW component and the observed NE component, and the contrast figure of extrapolation data obtained by regression model and the observed value are not in conformity with the theory of self-test. Therefore, the rapid change of NS component in August, 2014 is not caused by crustal strain, and probably due to the instrument itself.

strain meter, strain vector, the bivariate regression model, self-test analysis

1009-6825(2016)32-0054-02

2016-09-04

李宏偉(1986- )，男，碩士，工程師； 王 霞(1987- )，女，碩士，工程師

P315.61

A

★：山西省地震局科研項目(項目編號：SBK-1604)；2016年度震情跟蹤青年課題(課題編號：2016010219)共同資助