大同中心地震臺鉆孔應變數據異常調查分析

白偉利，李宏偉，高龍飛，韓 勝，梁大勇，張文慧

(1.山西省地震局大同地震監測中心站，山西 大同 037000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局忻州地震監測中心站，山西 忻州 034200；4.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 引言

鉆孔應變觀測是研究地殼運動的主要觀測手段，在地震地球物理觀測中占有重要地位[1]。21世紀初，YRY-4型四分量應變儀開始進入中國地震觀測網，為地震預測、預報服務，至今國內布設的四分量鉆孔應變儀已近百臺，多次記錄到大震前后的應變異常[2]。如,四川蘆山Ms7.0地震和汶川地震前，姑咱臺鉆孔應變觀測數據分別出現應變階躍和短周期的“毛刺”形態變化，有可能是強震的臨震前兆信號[3-5]。通過與汶川地震前姑咱臺的變化數據進行初步對比，發現大同臺與姑咱臺的數據變化形態相似，均呈現出短周期的“毛刺”。為調查大同臺數據變化原因，下面對數據變化特征進行分析，排查數據異常原因并進行解決。

1 臺站及鉆孔應變觀測概況

大同中心地震臺(以下簡稱大同臺，目前更名為大同地震監測中心站)位于陰山東西向復雜構造帶南緣，大同盆地北界，有北東、北西向斷裂在臺站附近交匯，晚近期活動的口泉斷裂在臺站附近通過。YRY-4應變儀鉆孔位于臺站西約800 m處的山溝內，鉆孔深50.2 m,探頭安裝在30 m深處，口泉斷裂下盤，出露巖性為太古界花崗偉晶巖、蝕變花崗偉晶巖和蝕變片麻巖，基巖完整，地下水位變化幅度不大。鉆孔遠離大型振動源、主干公路、電臺發射天線、大型電機。儀器自運行以來的主要干擾因素有雷電、氣壓、系統故障和井口結冰等。

2 異常概述

大同臺YRY-4型鉆孔應變儀安裝于2011年10月，記錄的固體潮清晰，觀測質量較好。2018年9月更換數采主機后，觀測數據出現規律性的小幅噪聲變化，數據曲線形態如第41頁圖1所示。

第41頁表1為數據變化前后的精度統計，顯示2018年8月至11月受儀器故障和干擾影響，儀器自檢內精度值和固體潮精度值明顯增大。表明，異常數據影響大同臺的觀測質量，也影響固體潮內精度和自檢精度。

表1 2018年大同臺YRY-4鉆孔應變觀測數據精度Table 1 The accuracy of strain observation data of borehole YRY-4 at Datong station in 2018

3 干擾分析及排查

3.1 觀測環境調查

圖1中各測道數據同步出現“毛刺”形態的干擾，之后數月內數據變化幅度減小。汶川地震前，位于龍門山斷裂帶西南端的姑咱臺鉆孔應變儀，記錄到異常應變變化，數據異常變化以短周期(數分鐘至數小時)的“毛刺”形態為特征[3]。通過與姑咱臺的數據對比，發現姑咱臺的“毛刺”形態多為單邊變化，大同臺的異常數據屬于上下突跳的噪聲變化，一般出現在18時至次日07時左右，因數據變化在時間上存在明顯的周期性，推測可能不是地球物理異常。

圖1 大同臺YRY-4鉆孔應變數據曲線Fig.1 Strain data curve of YRY-4 borehole at Datong station

這種時間上表現為規律性的干擾，通常是由周圍環境存在振動施工或大型電臺發射等人為活動引起。臺站第一時間對觀測環境進行大范圍的調查，檢查鉆孔的井口裝置正常，也未發現周圍有大型振動源等施工活動，距離臺站最近的上皇莊村也無大型施工改造、設備改造等，認為不存在對鉆孔應變的影響。

3.2 觀測系統檢查

YRY-4型鉆孔應變儀為長圓筒徑向位移式儀器，在圓筒中部位置安裝四個方向互相間成45°交角的四組徑向測微傳感器，測量四個方向圓筒直徑的微小變化。當把圓筒探頭放入地層鉆孔，并用耦合介質將探頭與地層連為一體后，通過儀器測量系統獲得地層鉆孔四個方向的鉆孔孔壁徑向位移。大同臺鉆孔探頭1路應變方位相對磁南北為25°，2路、3路、4路應變方位分別為70°、115°、160°。將四路元件的θ代入下式得到對應觀測方向的應變值：

Sθ=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-φ)，

(1)

式中：ε1為最大主應變，即沿θ方向；ε2為最小主應變；φ為應變主方向；A、B為待定常數，稱為耦合系數。A、B 的大小與套筒、水泥及周圍巖石的材料和尺寸以及周圍巖石性質等有關系[6]。

圖2 大同臺應變觀測元件方位角Fig.2 Azimuth angle of strain observation element at Datong station

從儀器觀測原理可知，當儀器工作正常時，4個分量的觀測值 Sθ應滿足“自檢條件”：

ΔS1+ΔS3=ΔS2+ΔS4[3]。

圖3是2018年9月11日至27日干擾最嚴重時段，圖中S1+S3和S2+S4曲線幾乎一致，經計算其相關系數超過0.97，說明觀測系統運行正常，觀測數據可靠。基于以上結論，分析認為干擾可能是由觀測室內機柜、接地線、其他儀器或用電設備漏電引起。

圖3 大同臺YRY-4鉆孔應變儀分鐘值曲線和同時段數據自洽分析Fig.3 Minute value curve of YRY-4 borehole strain gauge at Datong Station and self-consistent analysis of simultaneous data

3.3 觀測室干擾排查

大同臺YRY-4鉆孔應變儀觀測室位于臺站西800 m處的山溝內，面積約13 m2，中間采用隔斷，分為測震擺房和形變觀測室。觀測室內有2個專業機柜和UPS不間斷電源、配電箱等公用設備。觀測室和機柜內設備分布如圖4和圖5所示。

圖4 大同臺YRY-4鉆孔應變觀測室內部布設Fig.4 Indoor layout of strain observation in borehole YRY-4 at Datong station

圖5 大同臺YRY-4觀測室內機柜示意圖Fig.5 Schematic diagram of indoor cabinet for YRY-4 observation at Datong station

觀測室內對應變數據產生干擾的用電設備可能很多，經過分析，列出了可能的干擾因素并逐一進行排查，具體排查措施和結果如表2所示。在排查期間，由于每次主機測試數據所需恢復時間較長，導致整個干擾排查持續時間較長。

表2看出，停用防雷隔離電源后干擾消失。防雷隔離電源通過與UPS不間斷電源連接，輸入220 V交流，內部由皮帶帶動發電機工作，將電能轉化為機械能，再轉化為電能，輸出穩定的 12 V直流給主機供電。檢查電源內部電機和線路，發現電源內部接入交流的電線有磨損漏電，磨損位置在電源內部，不拆開電源很難發現。更換電源后，數據噪聲干擾消失，曲線恢復正常。選取干擾前后9月的數據曲線對比如圖6所示。

表2 觀測室干擾排查措施及試驗結果Table 2 Investigation measures and test results of interference in observation room

圖6 大同臺YRY-4鉆孔應變觀測干擾排除前后對比曲線Fig.6 Interference period of strain observation in borehole YRY-4 at Datong station and contrast curve after interference elimination

4 結語

對于大同臺更換數采主機后出現的噪聲干擾，臺站工作人員開展多方面的調查、檢查和處理分析工作，逐項排除測區周邊環境、觀測儀器、觀測室內機柜和探頭防雷器等因素的影響，最終判定數據異常是由防雷隔離電源內部線路磨損漏電產生。同時，該干擾在時間上具有規律性，變化周期短，呈現出高頻的“噪聲”形態。初步分析可能是由于新數采主機有較高頻的采樣，對該干擾敏感，在觀測室內智能電源和UPS不間斷電源充電工作時受干擾較嚴重，導致干擾呈現時間上的周期性。