代縣地震臺體應變資料受氣壓影響分析及排除

孟彩菊，楊世英，沈曉松，任瑞國，趙春華，張紅秀

(1.山西省地震局太原基準地震臺,山西 太原 030025；2.山西省地震局臨汾中心地震臺,山西 臨汾 041000；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 前言

氣壓對體應變觀測存在一定的影響，張凌空等研究體應變觀測中的氣壓干擾機制和排除方法；王梅做了數字化體應變與氣壓、水位相關性研究；盧雙苓等、劉川琴等對鉆孔體應變觀測的干擾異常進行分析；李光科分析總結重慶庫區各臺鉆孔應變受氣壓、水位影響情況，并進行了氣壓、水位改正[1-6]。

文章對山西省地震局代縣中心地震臺體應變資料進行氣壓影響及排除分析，對氣壓影響程度及排除效果進行總結。

1 資料選取及整理

數據選取以日均值為主，資料來源于山西省地震局前兆預處理數據庫，以“十五”數字化以來(2008-2017年)連續、可靠的數據為主。

分析時，首先對收集到的原始數據進行初步整理，發現觀測曲線有數據波動、臺階時，進行日值查詢、儀器維護記錄查詢，并進行原始庫分鐘值數據查詢，在此基礎上對數據進行刪除、抬升等處理。

2 氣壓影響及排除分析

2.1 體應變與氣壓相關性分析

張凌空從理論上推導出，對于同一口觀測井，各項參數基本恒定，即體應變與大氣壓保持一種線性關系[1]。因此處理資料時，可以建立線性回歸方程，求得體應變與大氣壓關系，以排除干擾。

代縣臺體應變觀測采用TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應變儀，其設計原理為：應變值增加表示壓性，減小表示張性。

以代縣臺2017年數據為例進行分析，由于代縣體應變每年夏秋季干擾較大，觀測數據起伏變化，分析時選取受干擾小、趨勢單一(近似于一條斜線)的冬季(1-3月份)時段的資料，該時段體應變與氣壓曲線形態如圖1所示。

圖1 代縣臺氣壓及體應變觀測曲線Fig.1 Observation curve of barometric pressure and volume strain in Daixian station

從圖1看出，2017年1-3月份的氣壓曲線無長趨勢漂移，體應變曲線存在向下漂移(張性)趨勢。在趨勢變化的影響下，氣壓影響不明顯。當氣壓曲線存在很大波動時，體應變曲線僅觀察到微弱的波動。

針對體應變的漂移變化，對其進行去趨勢處理，研究時采用一般多項式最小二乘法對體應變資料進行去趨勢擬合處理。第11頁圖2為處理后的體應變與氣壓曲線對比圖，為便于觀察，進行曲線重合對比排列，可以看出，二者形態非常相似，曲線存在較好的一致性。

計算2017年1-3月的相關系數，R分別為0.91、0.99、0.86，總相關系數為0.93。查閱計算結果可得，30個(研究時段中的按月分段)統計數據相關性檢驗顯著性水平α為0.01時，rα為0.449；顯著性水平α為0.01時，f1,28為7.64，計算出1月的F檢驗值為126.9，說明數據之間的相關性顯著(2、3月份結果相似)；90(研究時段中的1-3月份總時段)個統計數據顯著性水平α為0.01時，rα為0.267。顯著性水平α為0.01時，f1,88為6.93，計算出1-3月的F檢驗值為570.2，遠遠大于檢驗值，說明代縣體應變按1個月或3個月進行的相關統計均符合檢驗要求，相關性顯著。

對1-3月份數據進行一元線性回歸計算，得到回歸方程如下:

Y=-2 880.74+3.18X，

(1)

式中：Y表示因變量體應變值；X表示自變量氣壓值。氣壓系數為3.18×10-9hPa，表示每hPa引起的體應變變化量。

由于觀測過程中不可避免地存在儀器故障，數據因更換儀器造成波動。結合儀器維修更換記錄，引用潮汐因子作為數據穩定性判斷依據，對更換儀器造成跳動較大的數據進行校正，給出校正后的氣壓系數。

為全面了解代縣氣壓的影響情況，對該臺體應變與氣壓數據進行多個時段(選取缺數較少、其他干擾相對少、故障少的時段)計算，結果如表1所示。

從表1看出，各時段體應變與氣壓呈顯著正相關，相關系數多次達到0.90；氣壓系數存在一定的波動，在(4.10～8.62)×10-9/hPa的范圍內變化。氣壓系數的波動，可能是季節原因，冬夏季節不同，孔隙含水量不同，巖石響應不同(見表1中2012年、2014年不同時段系數)；數據處理方法或過程的差異也可能對分析結果造成一定的差異，如1-3月，擬合處理時體應變值進行去趨勢處理，氣壓曲線由于趨勢變化不明顯，未進行去趨勢處理，實際上氣壓存在微弱的趨勢下降變化(圖2中的1月份、3月份曲線吻合程度較2月份的差)，這種數據處理的差異引起計算結果存在一定誤差，1-3月各月系數變化范圍為(5.44～6.98)×10-9/hPa。

表1 代縣臺氣壓影響一覽表Table 1 The influence of atmospheric pressure in Daixian station

2.2 氣壓影響的排除

將1-3月份的氣壓值作為自變量代入式(1)，得到受氣壓影響的體應變擬合理論曲線，進一步計算出體應變(去趨勢后的)與理論體應變的差值，得到去除氣壓影響的體應變值，完成體應變(去趨勢后)受氣壓影響的排除工作(見第12頁圖3)。

由圖3可見，處理后效果顯著，曲線大的波動消除，變得非常光滑，與原曲線相比，曲線幅度也明顯減小。經統計，1-3月份去趨勢后，代縣體應變幅度為61.6×10-9，處理后的殘差值(去除氣壓影響的去趨勢體應變值)幅度為18.3×10-9，僅為原值的三分之一。

第12頁圖4給出代縣體應變原始曲線a、按回歸系數計算的氣壓影響下的理論體應變曲線b、c及原始與理論體應變差值(去除氣壓影響體應變)曲線對比圖，從曲線d可以看出，處理后的體應變曲線變得光滑，排除氣壓干擾效果較好。

為分析氣壓對體應變年變的影響，曲線c縱坐標范圍為參照體應變原始數據年變幅度(曲線a)設置，從該曲線可以看出，理論體應變曲線壓縮為接近直線，

圖3 代縣臺氣壓與去趨勢后體應變數據散點圖Fig.3 Scatter plot of barometric pressure and volume strain data after removal of the trend in Daixian station

說明氣壓對代縣體應變影響程度較小，幅度約占體應變年變的十分之一。對比a、b曲線看出，代縣體應變年變化的大致形態沒變，氣壓造成的微小波動被除掉。

2.3 影響分析

氣壓系數為每hpa氣壓變化引起的體應變變化量，從表1的氣壓系數值可知，每hpa的氣壓變化引起代縣體應變(4.0～8.0)×10-9的變化，一年中氣壓的年變幅最大(每年的最高值與最低值之差)約為35.0 hPa，氣壓年最大變化量引起體應變(1.4～2.8)×10-7的變化，代縣臺每年的體應變幅度變化為(2.0～10.0)×10-6(校正后)，氣壓造成的影響占年變化百分之幾的量(<10%)，在年變及更長趨勢(<1%)變化中影響較小。如圖4中，從曲線b可以看出氣壓變化造成體應變的總變化幅度為76.6×10-9，體應變原始曲線(曲線a)的總變化幅度為984×10-9，二者的比值為7.8%，這個結果說明體應變的大幅度年變化(或季節變化)不是受氣壓影響形成(研究顯示，年變的主要影響因素為水位變化所致，在此不展開討論)，氣壓對體應變年變化影響較小。

圖4 代縣臺體應變去趨勢、氣壓影響下的理論體應變及二者殘差曲線Fig.4 Theoretical volume strain after removal of the trend and the barometric pressure influence and the residual curve

在周、月會商分析中，用到分鐘值數據做較短時段的數據分析，體應變短時段變化幅度小，氣壓的影響相對變大，應注意氣壓劇烈波動造成的數據“異常”[7-8]。

3 結論

通過定量分析體應變與氣壓關系，得出回歸公式，為排除代縣體應變氣壓影響提供解決方法。

分析發現，代縣臺體應變與氣壓的相關性顯著，多個時段的相關系數達到0.9；氣壓與去趨勢后的體應變曲線形態相似，無明顯滯后現象；經一元線性回歸處理后，去除氣壓影響的曲線幅度明顯變小，波形更光滑，說明干擾排除的效果顯著。

參考文獻：

[1] 張凌空,何世海,劉北順.體應變觀測中的氣壓干擾機制和排除方法的研究[J].地震,1996,16(2):144-152.

[2] 王 梅.數字化體應變與氣壓、水位相關性研究[J].地震地磁觀測與研究,2002,22(4):85-88.

[3] 盧雙苓,于慶民,曲保安,等.山東數字化鉆孔體應變觀測的干擾異常分析[J].西北地震學報,2010,32(2):186-190.

[4] 劉川琴,裴紅云,隆愛軍,等.安徽省TJ-II型鉆孔體應變觀測資料干擾分析[J].華南地震,2016,36(3):68-74.

[5] 劉川琴,隆愛軍,盧葉嘯,等.合肥地震臺鉆孔體應變干擾分析[J].地震地磁觀測與研究,2014,35(5/6):208-212.

[6] 李光科,陳 凱,鞏浩波.重慶庫區鉆孔應變與水位相關性分析[J].地震地磁觀測與研究,2015,36(5):51-58.

[7] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測干擾因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[8] 李惠玲，高云峰，程冬焱，等.VP寬頻帶垂直擺傾斜儀觀測干擾識別[J].地震地磁觀測與研究，2018，39(2)：100-107.