張家口地震臺兩套體應變儀觀測資料對比分析

鄭 毅，劉思宇

（1.張家口地震監測中心站，河北 張家口 075000；2.雄安新區震災預防中心，河北 雄安 071700）

0 引言

應變觀測是監測地殼變形的一種重要手段，其中鉆孔體應變觀測儀器的探頭一般安裝于地下幾十米甚至幾百米的鉆孔內，可有效降低地表干擾。連續精密的觀測地層內部的應變狀態隨時間的變化，為地震監測預報提供一種重要手段。“2013年河北省地震局開展儀器升級改造工作，在張家口地震臺增加一套TJ－2型體應變儀，2014年正式投入觀測，至今儀器工作狀態穩定，記錄固體潮汐光滑、清晰、規則；同時，張家口地震臺還有一套TJ-1型體應變儀，至今已投入觀測30多年。目前兩套儀器已并行觀測達5年以上，本文將利用并行觀測期間的資料對兩套儀器進行對比分析，探討兩套儀器的優劣性。

1 臺站觀測概況

張家口地震臺位于張家口市魚兒山下，陰山東西向構造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位，臺基基巖屬侏羅紀火山巖，地質構造復雜。區內主要斷裂有NE向蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂以及EW向狼窩溝、崇禮至赤城斷裂和懷安至宣化斷裂等（圖1）。

圖1 張家口地震臺及周邊斷裂帶分布圖Fig.1 Distribution map of Zhangjiakou Seismic Station and surrounding fault zones

TJ-1型體應變儀觀測孔與TJ-2型體應變儀觀測孔相距約10米，孔深分別為55m和77.80m。TJ-1體積式鉆孔應變儀屬于液位型體積應變儀，是傳統美國方式結構，探頭總長約2m，而TJ-2體積式鉆孔應變儀屬于液壓型體積應變儀，為我國自主研制，探頭長約1.3m，傳感器改為液壓傳感器，TJ-1型與TJ-2型體積式應變儀技術指標如表1所示。

表1 TJ-1型與TJ-2型體積式應變儀技術指標對比

2 固體潮一致性對比分析

為有效對兩套儀器固體潮進行對比分析，節選了2014年11月20日至11月30日的觀測數據（圖2）。由圖2可知，兩套儀器記錄固體潮汐規則、清晰光滑，日變形態一致，表明兩套儀器總體工作狀態具有一致性特征。但從細節部分分析，如局部固體潮汐曲線畸變與曲線光滑程度等仍存在一定差異，TJ-1型不及TJ－2型體應變儀，表明深孔觀測對地面的抗干擾能力較強。

3 年動態對比分析

TJ-1應變儀觀測數據變化顯示年動態清晰，年變規律呈緩慢線性上升（圖3）；TJ-2應變儀年動態顯示，2014年受安裝等干擾，儀器運行不穩定，2015年開始出現清晰規律的年變形態，年變規律與TJ-1型相同。對比漂移量，2014—2018年TJ-1型漂移總量為1450.3×10-9，年均漂移量為290.1×10-9；TJ-2型漂移總量為7667.9×10-9，年均漂移量為1533.6×10-9。由于儀器初裝后需要一段穩定過程，TJ-2型年均漂移量為TJ-1型的約5倍多，由于儀器初裝后需要一段穩定的過程，另據廠家的介紹，金屬材料的穩定性在最好的熱處理條件下也不小于1×10-7，所以目前TJ-2型體積式儀器的年穩定性已接近1×10-7設計要求。

圖3 張家口臺TJ-1型與TJ-2型體應變儀整點值曲線Fig.3 Integer point curve of TJ-1 and TJ-2 volumetric strain gauges at Zhangjiakou Seismic Station

4 噪聲水平M1對比分析

相對噪聲水平M1是衡量形變潮汐觀測資料長期穩定性的一項定量指標[2]，本文采用日均值取均方連差方法對TJ-1型、TJ-2型兩套儀器2014—2019年2月的相對噪聲水平M1進行計算，計算結果見表2。由表2可知，張家口臺TJ-1型體應變儀潮汐觀測資料相對噪聲水平M1最好的年份為2014年；TJ-2型最好的年份為2017年，TJ-1較TJ-2相對穩定。分析認為TJ-1型體應變儀已運行30多年，儀器已處于穩定狀態，而TJ-2型體應變儀2014年才開始投入使用，運行時間短，穩定性相對較差，導致儀器噪聲水平值上下跳躍幅度較大，但隨著觀測時間的增長儀器噪聲水平逐漸降低并趨于穩定，尤其是2016年以來，噪聲水平曲線變化形態幾乎與TJ-1型儀器保持一致（圖4）。

表2 張家口臺體應變儀相對噪聲水平M1（單位：E-9）

圖4 TJ-1與TJ-2型體應變儀2014—2019年M1相對噪聲水平曲線（單位：E-9）Fig.4 The M1 relative noise level curve of TJ-1 and TJ-2 volumetric strain gauges from 2014 to 2019

5 氣壓效應對比分析

目前，張家口臺體應變觀測存在的主要干擾因素是氣壓，氣壓驟變或突變易造成地面荷載的增減，引起巖體應力應變的變化，氣壓的影響存在著周期性變化，主要以短周期影響最為顯著，它直接破壞觀測記錄的應變固體潮汐波形，使記錄曲線發生畸變（圖5）。長周期的氣壓緩變對鉆孔應變觀測記錄的固體潮波形影響并不十分顯著，但對于曲線趨勢走向產生影響，或加大零漂或改變漂移方向，有時可能影響幾天，直觀的表現在記錄曲線呈現“鼓包”或“凹斗”特征。體應變觀測與氣壓有很好的相關性，呈正相關。

圖5 體應變與氣壓觀測對比分析Fig.5 Contrastive analysis of volume strain and barometric pressure measurements

氣壓干擾的消除方法之一是相關分析與一元線性回歸計算。在氣壓消除前，首先對體應變與氣壓的相關性進行分析，檢驗它們的相關性，其相關程度可用相關系數R表示，R值在1～－1之間[6]。

對張家口臺兩套體應變2017年10月24日至10月30日的觀測數據進行相關分析（圖6），TJ-1相關系數R為0.940，回歸殘差的標準差為4.926，回歸系數a為-1373.51431，b為2.48782；TJ-2型應變儀的相關系數R為0.843，標準差為8.815，回歸系數a為4371.12738，b為2.53449，其中a為常數項，b為氣壓干擾系數。計算結果說明（圖7）在觀測孔介質巖性參數一致時，氣壓對兩套儀器的干擾程度基本一致，兩套儀器受氣壓的干擾系數b為2.5×10-9/hPa，這與蘇愷之關于鉆孔應變觀測受氣壓干擾的理論估計值相近[3]；從相關系數來看，二者受氣壓干擾程度又有細微差異，更進一步證實了深孔觀測可以降低氣壓干擾；另外從上述的兩套儀器記錄固體潮汐的情況也證實了深孔觀測對地面的抗干擾能力較強的優勢。

圖6 張家口臺兩套體應變觀測與氣壓觀測一元線性回歸計算消除干擾Fig.6 Elimination of interference by one-dimensional linear regression calculation of two sets of volume strain observation and barometric observation at Zhangjiakou Seismic Station

6 M2波α潮汐因子值

采用Venedikov調和分析方法[2]檢驗觀測儀器與觀測資料的內在精度。觀測資料選取時段為2014年1月至2019年2月整點數據，分別對張家口臺TJ-1型、TJ-2型體應變儀觀測資料進行逐月調和計算分析。TJ-2型M2波潮汐因子α值均值為0.5199，相對中誤差均值為0.0306，TJ-1型M2波潮汐因子α值均值為0.3512，相對中誤差均值為0.0174。根據形變觀測技術規范要求[2]，應變類觀測臺達到I類臺的精度指標為潮汐因子相對中誤差噪聲水平M1＜0.05×10-6。由上述計算結果可知，張家口臺兩套體應變儀均達到I類臺的觀測精度要求，觀測環境受干擾小，儀器運行穩定，觀測資料質量穩定可靠。

采用Venedikov調和分析對張家口臺兩套體應變儀2014年1月至2019年2月整點觀測數據進行處理，計算得到固體潮M2波潮汐因子α值與潮汐因子速率，利用潮汐因子α值系統偏離方法研究分析上述指標參數的變化特征與地震對應關系（圖7）。對于圖7中潮汐因子出現異常的時段，筆者對儀器記錄的原始采樣數據、觀測日志、氣壓等逐一進行對比分析，首先排除各類觀測環境引起的干擾，確保提取的異常真實可靠。

圖7 TJ-1型與TJ-2型體應變潮汐因子與速率變化曲線Fig.7 Tidal factor and rate curve of body strain of TJ-1 and TJ-2

筆者搜集2014年以來發生在臺站周邊250km范圍內的ML≥3.5級地震，潮汐因子α值偏離量以5%作為控制閾值，由表3的統計結果可知，多數震前張家口臺體應變儀潮汐因子α值均出現系統偏離現象，異常特征為潮汐因子α值在正常穩定的背景值范圍內動態變化—偏離正常背景值（偏離量5%）—持續偏離—極值—恢復—待發震。潮汐因子在震前基本為負異常居多，一種可能的機理解釋是震前孕震區應力增強，產生微裂隙，出現擴容現象，導致孕震區巖石彈性降低[4-5]，巖石彈性降低在固體潮觀測中表現為振幅減小，潮汐因子α值降低。

表3 張家口臺體應變儀潮汐因子異常與周圍250km內3.5級以上地震對應統計

自1998年張北地震以來，張家口臺周邊是缺少強地震，上述的結果缺少更大地震來檢驗，還有待進一步積累觀測資料并開展相關的深入研究，尤其是更多的震例將更加清晰、準確地描述震前平靜期、異常幅度與地震時、空、強的關系特征。

7 結論

通過以上數據資料分析可以得出:

（1）在觀測數據局部的固體潮汐曲線畸變與曲線光滑程度，TJ-1型不及TJ－2型體應變儀；

（2）TJ－2型體應變儀由于為金屬材料等原因，其漂移量大于TJ-1型體應變儀；

（3）在觀測孔介質巖性參數一致時，氣壓對兩套儀器的干擾程度基本一致；

（4）深孔觀測可以有效降低或避免地面的干擾。所以在條件允許的情況下盡可能開挖較深的觀測孔，采用Venedikov調和分析方法對兩套體應變固體潮整點觀測數據進行處理；

（5）計算得到應變固體潮M2波與潮汐因子α值，以潮汐因子偏移量與潮汐因子變化速率為評價指標，分析其震兆異常特征與變化規律，給出了上述的指標異常識別標準閾值，其可信度較高；

（6）張家口臺體應變觀測受氣壓干擾顯著，通過相關分析和一元線性回歸方法對觀測資料進行預處理，剔除資料中的氣壓干擾信息，為臺站前兆觀測資料中同類干擾的剔除提供一種消除方法。