短時氣壓干擾下TJ-Ⅰ、TJ-Ⅱ型體應變觀測頻譜對比分析

茅遠哲，張國苓，董 博 ,2，喬子云，馬 棟，曹 筠

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2. 河北地質大學，河北 石家莊 050021)

鉆孔體應變觀測是地殼應力應變狀態及其變化規律的重要研究手段，同時也是現代地震前兆觀測手段中不可或缺的技術力量 (李海亮等，2010；蘇愷之，2003)。已取得的形變觀測手段受大氣干擾因素的頻譜機制研究成果表明：相對于地表形變觀測手段，鉆孔應變觀測雖然從一定程度上減弱了大氣壓強影響(馬棟，2011)，但其仍是對鉆孔應變觀測結果造成影響的常見且明顯干擾因素之一(茅遠哲等，2016)。為進一步對此問題進行研究，本文選取易縣臺兩套體積式鉆孔應變儀觀測結果中受到氣壓干擾的部分分鐘值資料作為研究對象，利用小波分析法對主測項與輔助鉆孔氣壓測項資料進行同期分析，計算體應變主測項與氣壓測項在各個頻段上的小階數據結果，對比TJ-Ⅱ型與TJ-Ⅰ型體應變儀受短時氣壓干擾下的頻譜響應特征，分析兩套體應變觀測手段識別短時氣壓干擾的能力。

1 測點環境與觀測儀器

河北省地震局易縣地震臺地處太行山隆起帶與華北平原拗陷區的分界部位，位于太行山北段低山丘陵地區的紫荊關斷裂帶東側，臺站地理位置及周邊斷裂分布如圖1所示。2014年臺站完成TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應變儀安裝，并與原有TJ-Ⅰ型體應變儀并行至2015年12月。體應變鉆孔選址于易縣臺站院內中部的空曠區域，其中TJ-Ⅰ型體應變井深70.3 m，TJ-Ⅱ型體應變井深90 m，兩井相距10 m，均采用市電和UPS電源供電。TJ-Ⅱ型鉆孔體積式應變儀相對于TJ-I型具有如下優勢：1)具有更高的靈敏度和分辨率，理論上可以捕捉到更為微小的細節變化信息，能夠記錄到更高頻率的數據信息；2)量程擴大1倍以上，對于觀測儀器采集的數據寬度有了明顯的提升；3)為了在遭受雷擊等情況下造成傳感器損壞后井下儀器還能繼續工作，TJ-Ⅱ型在儀器內部加裝了一個性能完全一致的備用傳感器，進一步提高儀器產出數據的連續率。

圖1 易縣地震臺地理位置及周邊斷裂示意

2 資料選取與研究方法

以易縣地震臺并行的兩套鉆孔體積式應變儀數字觀測資料為基礎，整理出儀器在2015年3月1日至12月31日共10個月的數字觀測分鐘值資料，挑取出其中2次分別受到高氣壓與低氣壓明顯影響事件(分別為2015年8月17日和9月8日)，選取兩個測點全天分鐘值觀測資料作為分析對象。短時氣壓波動過程，即持續時間一般在數分鐘、數十分鐘以至數小時。目前分析氣壓對體應變的影響較為常用的方法是小波變換。小波變換主要是從不同頻段將數據進行分解，進一步分離和識別高頻和低頻信息(喬子云等，2000),將其應用于主測項與輔助氣壓測項數據，提取出主測項與氣壓測項在各頻段中同步變化且形態特征一致的部分，即氣壓干擾“響應”頻段，進一步對比分析兩套體應變儀對氣壓變化的響應頻段特征。

3 頻譜對比分析

氣壓干擾能夠在一定程度上掩蓋地殼形變的真實變化，因此識別與排除體應變觀測中的氣壓干擾非常重要(喬子云等,2000)。根據對潮汐形變觀測受干擾情況的初步分析，氣壓干擾對潮汐形變觀測的影響主要為觀測系統受到高氣壓與低氣壓環境控制下產生的變化，所以本文將干擾體應變觀測的氣壓變化類型分為兩類：高壓環境干擾與低壓環境干擾(孫伶俐等,2014)。

3.1 高氣壓對體應變的干擾

高氣壓控制的區域其中心地帶氣壓較高，氣流呈輻散狀態向周圍方向運動，受控中心區域下沉氣流占主要優勢。此時響應形態在觀測曲線上的反映特征多為密切震顫狀，結合微觀反應考慮，很可能是由于地表氣壓波動會造成區域負荷發生變化，同理儀器所在鉆孔水面負荷發生增減導致。根據中國地震前兆臺網處理系統記錄顯示，易縣臺兩套體應變觀測曲線均于2015年9月8日20～23時出現畸變(如圖2)。觀測系統所在地區畸變時段內未發生水位與溫度的明顯變化，鉆孔氣壓觀測曲線出現與主測項變化形態接近的震顫。畸變形態在分鐘值觀測曲線上呈震顫狀，與上述特征相符，推斷主測項曲線畸變主要是由高氣壓干擾類型引起的。

3.2 低氣壓對體應變的干擾

低氣壓時區域中地面中心附近的氣壓相對低，受控區域的中心盛行上升氣流，由于空氣上升運動導致此類情況通常伴隨著降水發生，此時潮汐曲線的形態多為起伏抖動狀。后者是氣流受洞腔內空氣振蕩發生擾動，導致潮汐觀測上出現抖動響應。根據中國地震前兆臺網處理系統中記錄到的易縣臺兩套體應變觀測曲線均在2015年08月17日16時至20時出現畸變，且記錄到該時段中出現少量降雨，與低氣壓環境背景條件相符合，畸變在觀測曲線上呈起伏抖動狀形態，測點附近在畸變時段內未出現明顯溫度變化，且與水位變化無相關性，鉆孔氣壓觀測曲線出現相近的抖動變化。推斷主測項觀測曲線發生畸變是由低氣壓干擾引起，如圖3所示。

圖3 2015年8月17日易縣臺TJ-Ⅰ和Ⅱ型體應變及輔助測項預處理分鐘值曲線

3.3 從高階部分對比兩套體應變頻段特征

現有研究表明，短時氣壓干擾對體應變觀測的響應頻段主要出現在6階(32～128 min)部分(孫伶俐等,2014)，且該頻段包括更多細節信息，因此對兩套體應變的主測項與輔助鉆孔氣壓觀測在高階范圍(64～128 min)內的數據結果進行同軸對比，對比分析兩套觀測系統對氣壓干擾的響應頻譜特征。(1)對于高氣壓干擾，兩套體應變主輔觀測小波6階如圖4所示，進一步計算，得到TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應變觀測主測項與輔助氣壓測項的觀測數據小波6階的相關系數分別為0.93與0.94。這表明TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應變響應能力相近，均可以顯示出體應變觀測值與鉆孔氣壓之間具有較高的相關性，對兩種型號的體應變采用小波方法得出的解析結果均易進行高氣壓干擾的頻譜識別。(2)對于低氣壓干擾，兩套體應變主輔觀測小波6階如圖5所示，進一步計算，得到TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應變主測項與輔助氣壓測項觀測分鐘值小波6階數據的相關系數分別為0.89與0.93。結合觀測曲線觀察，TJ-Ⅱ型較TJ-Ⅰ型體應變在6階上的主測項與氣壓測項數據變化顯示出了更好的同步性，且具有更好的相關性。說明對于此類呈抖動形態的低氣壓干擾畸變，TJ-Ⅱ型體應變在小波高階細節上的體現比TJ-Ⅰ型體應變更加靈敏，更清楚地顯示了體應變觀測值與鉆孔氣壓觀測值的相關性，且在高階頻段上更易于識別該種氣壓干擾。

圖4 易縣臺2015年9月8日高氣壓干擾

圖5 易縣臺2015年8月17日低氣壓干擾

4 結論

利用小波分析法處理易縣地震臺體應變觀測與鉆孔氣壓觀測分鐘值數據，對觀測中常見的受高氣壓環境干擾與低氣壓環境干擾情況分別進行了相關分析，得出以下結論：(1)TJ-Ⅰ型與TJ-Ⅱ型體應變觀測主測項時序曲線均能響應短時氣壓干擾變化且時間較為同步，兩套觀測曲線變化形態較一致。(2)在高氣壓下，TJ-Ⅰ型與TJ-Ⅱ型體應變的主測項與氣壓測項在高頻6階細節上的相關系數接近，說明對于此類呈顫動形態的高氣壓干擾畸變，TJ-Ⅱ型體應變在小波解析細節上與TJ-Ⅰ型體應變響應能力相近；在低氣壓下，TJ-Ⅱ型體應變主測項與其鉆孔氣壓測項在高頻6階曲線上的變化一致性較TJ-Ⅰ型變化形態更加同步且更為靈敏，具有更高的相關系數，說明TJ-Ⅱ型體應變觀測更易于識別低氣壓干擾。