基于小波分解的寧陜鉆孔體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)分析＊

吳 明，楊曉東，齊銀峰，許海燕

（陜西省地震局，陜西 西安 710068）

1 研究區(qū)域

寧陜臺地震臺屬省級地震臺，始建于1977年，1980年投入觀測，地理位置為東經(jīng)108°19′24″，北緯33°19′30.7″，海拔850 m。地處安康市西北側(cè)，秦巴腹地，所處秦嶺造山帶是華北板塊與揚(yáng)子板塊中生代碰撞所形成，區(qū)域有寧陜斷裂發(fā)育，有研究表明寧陜斷裂將南秦嶺構(gòu)造帶劃分為北西—南秦嶺構(gòu)造帶和南東—南秦嶺2個構(gòu)造單元。臺基巖性為印支期花崗巖，大面積出露，觀測環(huán)境良好[1]。寧陜臺研究區(qū)位如圖1所示。

圖1 寧陜臺研究區(qū)位圖

寧陜臺站數(shù)字化改造工作于2007年初完成，現(xiàn)有測震、地傾斜2種觀測手段，現(xiàn)配置有DD-N數(shù)字地震儀、VP型垂直擺傾斜儀、TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變測量儀和RTP-II型氣溫、氣壓、雨量測量儀。鉆孔應(yīng)變儀井深66.32 m，探頭深度15 m左右，儀器架設(shè)時間為2007年3月，并開始記錄。因觀測干擾較少且基巖十分穩(wěn)固，寧陜TJ-2型鉆孔體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)在2013—2015年，2018—2020年多次連續(xù)獲得國家地震局鉆孔體應(yīng)變國評前3名[2]。安康臺站點觀測手段分布如圖2所示。

圖2 安康臺站點觀測手段分布圖

2 儀器原理

地殼由巖石組成，地殼內(nèi)部任意點都有應(yīng)力和應(yīng)變，這為使用儀器測量地殼應(yīng)變提供了依據(jù)。鉆孔類觀測儀因具有場地易于選擇、地面干擾小、易于管理的特點而被廣泛使用。舊式井下形變觀測儀器如豎直擺鉆孔傾斜儀，其核心是一個垂直懸掛的重力擺，因重力擺的慣性作用，在周邊地殼發(fā)生形變時，擺錘與擺支撐架之間會形成微小的夾角，通過電容測微器將夾角值轉(zhuǎn)換為電壓值并記錄數(shù)據(jù)[3]。而TJ-2型鉆孔體應(yīng)變儀的原理為將裝滿硅油的豎長圓筒埋入觀測井下，當(dāng)圓筒周圍圍巖壓應(yīng)力發(fā)生變化時，筒內(nèi)液體壓力同步變化并通過差壓傳感器使電壓值發(fā)生變化，定量測量地殼應(yīng)力變化。TJ-2型鉆孔體應(yīng)變儀的基本量程為6×10-6，能運(yùn)用開閥動作將量程無限擴(kuò)展，儀器分辨率小于1×10-9，非線性誤差小于1%，標(biāo)定重復(fù)性誤差小于3%，頻帶寬度為0～2 Hz。TJ-II型鉆孔體應(yīng)變結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 TJ-II型鉆孔體應(yīng)變結(jié)構(gòu)簡圖（修改自呂寵吾）

3 小波分析

小波分析方法是信號處理的重要方法，由于其在時間域及空間域都具有較高的分辨率，且能夠?qū)⑿盘柗纸獬啥囝l帶進(jìn)行分析，逐漸運(yùn)用于數(shù)字化地震學(xué)資料處理、定點形變觀測資料分析等領(lǐng)域。有限時間序列的小波變換公式為：

式（1）中：Wφf（a，b）為小波變換后的各頻段分量；a為尺度因子，控制小波函數(shù)的伸縮；b為時間平移因子，控制小波函數(shù)的平移；為小波母函數(shù)；f（t）為原始信號。

小波分解的小波基種類很多，小波基的選取是否合適將影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。劉建明等基于定點小波基函數(shù)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并考慮了消失矩陣階數(shù)，最終選定db4小波基函數(shù)進(jìn)行分析，因此本文也采用Daubecheies（dbN）小波系中的db4小波基函數(shù)對原始寧陜臺鉆孔體應(yīng)變儀2017—2020年的靜水位整點值數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換處理。小波分解1～2階主要為高頻成分，3～4階主要為固體潮汐信息，5階及以上為去除潮汐成分的非潮汐信息，分別對鉆孔體應(yīng)變2017—2020年各年整點值數(shù)據(jù)做6階小波分解。分解結(jié)果顯示，2017年、2018年、2020年高頻信號較少且穩(wěn)定，2019年寧陜鉆孔8月份出現(xiàn)短時高頻干擾，經(jīng)核實為2019-08-06T10：30—2019-09-07T23：00左右鉆孔體應(yīng)變傳感器故障產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)異常波動，更換傳感器后恢復(fù)正常。3～4階小波分解顯示寧陜鉆孔體應(yīng)變固體潮汐信號非常清晰穩(wěn)定，潮汐周期穩(wěn)定在每年24次。5～6階小波分解幅度變化相對較小，存在的部分小幅階躍與寧陜當(dāng)?shù)貧鈮翰▌踊ハ鄬?yīng)，應(yīng)為受氣壓影響[4]。2017—2020年鉆孔體應(yīng)變整點值小波分解如圖4所示。

圖4 2017—2020年鉆孔體應(yīng)變整點值小波分解圖

4 結(jié)論與討論

通過對寧陜臺2017—2020年鉆孔體應(yīng)變資料的分析，結(jié)果顯示寧陜鉆孔體應(yīng)變觀測條件優(yōu)良，干擾因素較少，觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。基于小波分解的數(shù)據(jù)分析，可以去除特定頻段干擾，從高頻干擾、固體潮汐、氣壓擾動等多角度多細(xì)節(jié)分析地傾斜數(shù)據(jù)及其干擾信息，便于全面科學(xué)地觀察和認(rèn)識鉆孔體應(yīng)變儀記錄的信息，滿足地震前兆數(shù)據(jù)分析的需求。db4小波在寧陜臺鉆孔體應(yīng)變數(shù)據(jù)分析中取得了預(yù)期效果。