大同中心地震臺(tái)體應(yīng)變觀測資料干擾因素分析及運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)

李文超,閆美蓉,劉 發(fā),韓 勝,彭麗娟,高存英

(1.山西省地震局大同中心地震臺(tái)，山西 大同 037008；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

大同中心地震臺(tái)(以下簡稱大同臺(tái))體應(yīng)變儀2006年開始安裝，2007年投入運(yùn)行。對該儀器8年的記錄資料進(jìn)行分析，識(shí)別各類非地震前兆干擾，歸納總結(jié)干擾引起記錄曲線的動(dòng)態(tài)特征。同時(shí)對觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)精度進(jìn)行分析，找出影響觀測質(zhì)量的原因，為地震預(yù)測預(yù)報(bào)提供可靠的資料。

1 臺(tái)站背景資料

1.1 臺(tái)址概況

大同上皇莊地震臺(tái)始建于1970年，海拔高程1 175 m，位于大同市西北，距市區(qū)外圍公路約3 km。所在地行政上屬大同市南郊區(qū)馬軍營鄉(xiāng)上皇莊村，有鄉(xiāng)間道路通至市區(qū)，供電、通訊方便。臺(tái)站處于大同盆地邊緣兩大地貌單元的分界處，臺(tái)站西北部為山區(qū)，山地中溝谷發(fā)育，切割較深，東南部為洪積-沖積傾斜平原。從地質(zhì)上來說，臺(tái)站位于陰山東西向復(fù)雜構(gòu)造帶南緣，大同盆地北界構(gòu)造復(fù)雜，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。臺(tái)站西部廣泛出露太古界桑干群黑云斜長片麻巖夾斜長角閃巖，混合巖化強(qiáng)烈，上覆蓋第四系黃土，東部為沖-洪積砂土、黃土、礫石層等[1]。

1.2 鉆孔狀況

2006年7月29日，大同臺(tái)安裝體積式鉆孔應(yīng)變儀、探頭以及氣壓、水位、溫度輔助測項(xiàng)儀器。鉆孔開口孔徑147 mm，終孔孔徑130 mm，孔深62 m，探頭底部實(shí)際埋深62 m，有柱狀圖及巖芯保存。巖石性質(zhì)為花崗巖，結(jié)構(gòu)完整堅(jiān)硬。裂隙、含水層、破碎帶情況是在58.6～61.7 m巖石完整，鉆孔比較干凈，沉砂比較少。

2 觀測曲線正常動(dòng)態(tài)分析

大同臺(tái)鉆孔體應(yīng)變自安裝以來運(yùn)行穩(wěn)定，取得連續(xù)可靠的觀測資料，能記錄到光滑的固體潮曲線，日變清晰，周期規(guī)律明顯(見圖1)。

圖1 大同臺(tái)體應(yīng)變觀測日變曲線Fig.1 Daily variation curve of volumetric strain observation at Datong station

3 主要干擾分析

從大同臺(tái)鉆孔體應(yīng)變多年的觀測數(shù)據(jù)看，能記錄到清晰的地震波形，較好地反映地下應(yīng)力的變化，但在實(shí)際觀測中不可避免地受到多種因素干擾，主要有氣壓、降水、雷電、電源供電以及儀器自身工作狀態(tài)。

3.1 氣壓干擾

地面負(fù)載的增減會(huì)因氣壓變化而產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致巖體應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生變化[2]。張學(xué)陽對高精度潮汐觀測中氣壓觀測的必要性進(jìn)行論述，闡明氣壓的影響存在周期性變化，周期性變化效應(yīng)在100 m深度內(nèi)最大[3]。大同臺(tái)鉆孔體應(yīng)變井深62 m，分析發(fā)現(xiàn)，受氣壓影響較大，體應(yīng)變主測項(xiàng)記錄曲線與輔助鉆孔氣壓記錄曲線日變動(dòng)態(tài)基本呈現(xiàn)同步變化特征。

2014年6月20日19:18大同臺(tái)體應(yīng)變輔助測項(xiàng)鉆孔氣壓受雷雨天氣氣壓短時(shí)劇烈變化，數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)，鉆孔氣壓數(shù)據(jù)從894.28 hPa上升到895.44 hPa,之后又迅速下降到894.59 hPa,同時(shí)段體應(yīng)變主測項(xiàng)受鉆孔氣壓短時(shí)劇烈變化產(chǎn)生固體潮畸變，與鉆孔氣壓產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)變化(見圖2)，體應(yīng)變曲線在鉆孔氣壓變化趨于穩(wěn)定后恢復(fù)正常變化動(dòng)態(tài)。2015年9月27日17：58體應(yīng)變輔助鉆孔氣壓從890.0 hPa開始急劇上升，18：23達(dá)到最高值891.44 hPa，18：45恢復(fù)到正常890.27 hPa。受短時(shí)氣壓急劇上升下降變化，體應(yīng)變主測項(xiàng)同步產(chǎn)生畸變，形態(tài)類似“鼓包”，與氣壓變化吻合(見圖3)。通過鉆孔氣壓曲線和體應(yīng)變主測項(xiàng)曲線多次數(shù)據(jù)同步變化對比看出，體應(yīng)變主測項(xiàng)受鉆孔氣壓數(shù)據(jù)干擾明顯，尤其是短時(shí)急劇上升或下降，都會(huì)對應(yīng)形成“尖谷”或“尖峰”，使固體潮曲線產(chǎn)生畸變。在鉆孔氣壓變化趨于穩(wěn)定后，體應(yīng)變主測項(xiàng)數(shù)據(jù)也趨于正常變化形態(tài)。

圖2 大同臺(tái)體應(yīng)變儀受氣壓影響曲線圖Fig.2 Curve of volumetric strain gauge affected by pressure at Datong station

圖3 大同臺(tái)體應(yīng)變儀受氣壓影響曲線圖Fig.3 Curve of volumetric strain gauge affected by pressure at Datong station

3.2 降水干擾

大同臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù)受降水干擾顯著，通過選取典型降雨天氣的干擾分析發(fā)現(xiàn)，干擾分為兩類：一是降雨可造成大地負(fù)荷效應(yīng)。即當(dāng)降雨為大暴雨時(shí)，這一效應(yīng)可在觀測曲線上體現(xiàn)出來；二是降雨后一段時(shí)間，隨著雨水逐漸滲透到巖體間隙，導(dǎo)致含水層或破碎帶中孔隙水的飽和程度發(fā)生變化，影響體應(yīng)變觀測值。

2015年8月24日15:31開始出現(xiàn)雷暴雨天氣，根據(jù)臺(tái)站輔助觀測氣象三要素記錄15:31至16:16降雨量為12 mm，鉆孔水位從15:31至16:16上升1.14 cm，體應(yīng)變主測項(xiàng)受短時(shí)急劇降雨影響導(dǎo)致山體負(fù)荷增加，體應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化，呈向上壓性變化，變化量為6.7×10-9(見圖4)。在此次降雨的影響下，鉆孔水位從24日15：31的446.6 cm上升到25日11：21的478.8 cm峰值，上升32.2 cm。體應(yīng)變固體潮曲線出現(xiàn)趨勢性上升變化，采用整點(diǎn)值計(jì)算，體應(yīng)變主測項(xiàng)應(yīng)變變化量為20.8×10-9，呈壓性上升，幅度較大。

圖4 大同臺(tái)體應(yīng)變主測項(xiàng)和降雨量原始曲線圖Fig.4 Original curve of the main measurement items of volumetric strain and rainfall

分析認(rèn)為，降雨干擾引起體應(yīng)變主測項(xiàng)曲線動(dòng)態(tài)呈壓性上升變化。降雨后，體應(yīng)變觀測數(shù)值持續(xù)性變化時(shí)間與降雨量的大小有關(guān)。降雨量越大，持續(xù)性變化時(shí)間越長；反之，則越短。

3.3 雷電干擾

雷電對體應(yīng)變的干擾，主要表現(xiàn)在對儀器電路的感應(yīng)[4]。通過對比大同臺(tái)體應(yīng)變儀在雷電發(fā)生前后(2016年8月7日至13日)的連續(xù)觀測曲線，可以看出雷電發(fā)生后的數(shù)據(jù)異常和固體潮消失(見第44頁圖5)，這次雷電造成體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)模塊損壞從而產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。2014年6月25日15至19時(shí)，出現(xiàn)雷暴雨天氣，有強(qiáng)雷電干擾，體應(yīng)變主測項(xiàng)觀測曲線出現(xiàn)多次脈沖式畸變，頻繁出現(xiàn)開閥階變(見圖6)。

圖5 大同臺(tái)體應(yīng)變儀器雷擊故障曲線圖Fig.5 Curve of lightning stroke trouble of the volumetric strain gauge at Datong station

圖6 大同臺(tái)體應(yīng)變受雷電干擾曲線圖Fig.6 Curve of interference caused by lightning to volumetric strain at Datong station

3.4 供電干擾

供電干擾是體應(yīng)變觀測中較常見的一種干擾因素，多數(shù)為突變型和脈沖型兩種類型，經(jīng)過排查落實(shí)具體原因后可以在實(shí)際觀測中避免。突變型變化主要由交流供電電壓、發(fā)電機(jī)供電電壓、UPS輸出電壓持續(xù)不正確導(dǎo)致，其數(shù)據(jù)形態(tài)通常表現(xiàn)為持續(xù)尖峰、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，待儀器輸入電壓穩(wěn)定、準(zhǔn)確后，形態(tài)可恢復(fù)到正常狀態(tài)(見圖7)；脈沖型變化主要表現(xiàn)形態(tài)為開閥階變，多為儀器自身故障引起，主要原因?yàn)橥蝗粩嚯姟⒔恢绷麟娫辞袚Q等引起的瞬時(shí)電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致觀測值不正常變化。

圖7 大同臺(tái)體應(yīng)變受發(fā)電機(jī)供電故障干擾曲線圖Fig.7 Curve of interference caused by generator power supply trouble to volumetric strain gauge at Datong station

4 運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)

在固體潮形變分析中，利用EIS2000軟件提供的Venedikov調(diào)和分析方法，對大同臺(tái)體應(yīng)變觀測資料進(jìn)行計(jì)算(其中，2016年度數(shù)據(jù)截止日期為6月30日)，得到M2波潮汐因子、潮汐因子中誤差、相對誤差、潮汐相位滯后等數(shù)據(jù)(見表1)。分析看出，大同臺(tái)體應(yīng)變M2波潮汐因子的中誤差、相對誤差遠(yuǎn)小于0.05，表明體應(yīng)變觀測資料的內(nèi)精度、穩(wěn)定性都較高。其中，2013年、2014年數(shù)據(jù)計(jì)算得出的中誤差以及相對誤差比往年偏大，原因是儀器、探頭受雷擊影響以及儀器自動(dòng)開閥頻繁，導(dǎo)致數(shù)據(jù)內(nèi)精度下滑。

表1 大同臺(tái)體應(yīng)變資料調(diào)和分析逐年統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics year by year of harmonic analysis of volumetric strain gauge data at Datong station

5 結(jié)論

(1) 通過對大同臺(tái)鉆孔體應(yīng)變8年的觀測資料進(jìn)行分析，得出大同臺(tái)體應(yīng)變資料主要受氣壓、降水、雷電、電源供電以及儀器自身工作狀態(tài)的影響，其中較為突出的是氣壓和降雨干擾。

(2) 大同臺(tái)體應(yīng)變受雷雨天氣短時(shí)氣壓驟變影響顯著，鉆孔氣壓與主測項(xiàng)同步產(chǎn)生變化，強(qiáng)降雨導(dǎo)致體應(yīng)變干擾明顯，且與鉆孔水位呈同步趨勢變化。強(qiáng)降雨后，地下水位快速上升，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的壓力加大，體應(yīng)變主測項(xiàng)呈現(xiàn)壓性上升同步變化。

(3) 大同臺(tái)體應(yīng)變具有清晰的年變規(guī)律，體應(yīng)變M2波潮汐因子的相對誤差小于0.05，體應(yīng)變觀測資料的內(nèi)精度、穩(wěn)定性都較高，其內(nèi)精度除受鉆孔自身環(huán)境的影響外，受雷電、儀器故障影響顯著。