2018, Vol. 39
表1(Table 1)
徐州地震台（下文简称徐州台）是国家形变基本台，始建于1975年，位于江苏省徐州市南郊云龙山第八节东坡，海拔60 m。台站所处地质构造属徐州弧形构造的一部分，主要断裂有东部NNE向郯庐断裂带，西部NNE向聊考断裂带，北部NWW向丰沛断裂带和南部NWW向符离集断裂带。废黄河断裂从徐州市区穿过，是一条张性NWW向断裂。徐州台周围出露大面积基岩，节理发育，岩石产状约80°，地质年代属寒武系，岩性为中统原层灰岩。
分量应变观测在地震前兆手段中占有重要地位，徐州台YRY-4分量应变仪工作状态连续稳定，记录固体潮清晰，对国内外强震具有较好的映震能力。在日常观测中，除记录到地球物理事件外，观测资料还会受到各类因素（如降雨、气压、抽水、雷电等）干扰，不利于甄别地震前兆异常。
1 应变仪工作原理YRY-4型钻孔应变仪具有灵敏度高、频带宽、抗干扰能力强、功耗低的特点。从4个米字型布置的径向测微传感器输出信号中可获得完整的平面应变三分量（体应变、剪应变、主应力方向），另有一个冗余分量用于测量数据的可靠性检验，其组成的自检方程是判断观测数据是否可靠的关键。在此基础上明确干扰形态，有效甄别地震前兆异常，对地震预报具有重要意义。因此，正确认识并准确分析干扰特征，是地震分析预报的前提。
徐州台于2007年4月18日观测场地2号井孔安装YRY-4型分量应变仪，同年7月1日试运行。仪器探头深度50.1 m，钻孔分量应变仪各分量偏角为：1号元件（NS向）42°、2号元件（EW向）87°、3号元件（NE向）132°、4号元件（NW向）177°。
YRY-4型分量应变仪为长圆筒径向位移式仪器，在圆筒中部位置安装4组径向测微传感器，测量4个方向圆筒直径的微小变化（图 1）。当圆筒探头放入地层钻孔，并用耦合介质将探头与地层连为一体，仪器测量系统即可获得地层钻孔4个方向的钻孔孔壁径向位移u。
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图 1 YRY-4型分量应变仪剖面 Fig.1 The profile of YRY-4 type drilling strain meter |
徐州台YRY-4型分量应变仪观测数据日变清晰，连续性、稳定性较好，精度高，且仪器自身漂移较小，记录的固体潮曲线光滑、完整（图 2）。
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图 2 徐州台分量应变仪观测日变曲线 Fig.2 Daily change curve of drilling strain observation at Xuzhou Seismic Station |
在日常观测中，观测资料受到各类干扰，调查干扰源发现，徐州台周边干扰因素多为降雨、气压、抽水、雷电等，干扰特征主要表现为：日变曲线大幅畸变，在干扰时间内出现突跳、短时间突起、台阶或长时间毛刺、曲线不规则等。
2.1 降雨干扰在分量应变观测中，降雨是明显干扰因素之一，对应变仪4个分量产生不同程度的影响。经统计计算，应变仪受降水影响变化最大的NE向，降水量1 cm产生的变化量约为45.56×10-10。
2015年8月5日至7日徐州地区累计降水量92 mm，分量应变仪1号元件、2号元件、3号元件、4号元件观测数据均出现短时曲线拉伸现象，呈压性下降趋势漂移，幅度分别为：-2 600×10-10、-3 080×10-10、-4 556×10-10、-1 754×10-10（图 3）。产生变化的原因是，在地下水位剧烈上升阶段，岩石孔隙压力变大造成应变出现压性下降变化。由弹性力学可知，孔壁上某点被雨水压缩时产生的应力与形变符合胡克定律，即
| $ \Delta \sigma = E\Delta \varepsilon $ |
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图 3 2015年8月徐州台分量应变受降雨影响的观测曲线 Fig.3 Observation curves of drilling strain meter affected by rainfall at Xuzhou Seismic Staiton in August, 2015 |
式中，Δσ =ρgΔH，其中ρ为水密度，g为重力加速度，ΔH为水位变化量；Δε为应变变化；E为杨氏模量。对于孔壁上某点，ρ、g、E均为常量，即
| $ \Delta \varepsilon = \frac{{\rho g\Delta H}}{E}K\Delta H $ |
式中K可以看作水位相关系数，由于观测点并非理想弹性体，不满足各向同性，进而4个方向上的杨氏模量也不尽相同。因此，降水引起的4道元件测值受到不同程度影响。
2.2 部队水井抽水干扰部队水井距徐州台170 m，井深123 m，井孔直径273 mm，水泵流量20 m3/h，用于水塔蓄水，属生活用水井，用水量比较稳定。该井属于浅地表裂隙水井，每天固定在多个时段抽水，每个时段抽水15—30 min不等，水塔蓄水完成后自动停止。为证实抽水干扰，选择2016年10月8日观测记录，将部队水井抽水时间与应变仪观测曲线畸变幅度进行统计，结果见表 1。
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表 1 抽水时间与畸变幅度对比 Tab.1 Pumping time and distortion amplitude of drilling strain |
由2016年10月8日部队水井抽水对徐州台YRY-4钻孔应变仪观测曲线造成的干扰（图 4）可知：该水井抽水造成分量应变仪出现规律性回落变化，固体潮日变曲线产生明显畸变，水井抽水与观测到曲线干扰的起止时间一致。干扰时间长短和变化量大小与抽水时间长短成正比，记录的变化类型属于“积分型”。由表 1明显可见4个元件自洽性相互符合不好，抽水影响下的自检相关系数K=0.993 41（图 5），相较于正常状态下的K值（0.997 69）降低不少，未严重破坏其自洽性，但有一定影响，验证了抽水干扰导致自洽性达不到理想状态的结论。分析认为，钻孔附近岩石存在裂隙，导致孔隙水压力不同，从而破坏自洽公式所要求的理想状态（即岩石致密性完整），自洽公式不成立。
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图 4 徐州台分量应变2016年10月8日抽水影响 Fig.4 Drilling strain observation curve affected by the pumping water at Xuzhou Seismic Station on Oct.8, 2016 |
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图 5 抽水影响自检相关系数 Fig.5 Self-checking correlation coefficient under the influence of pumping |
徐州市位于中纬度地区，属暖温带湿润半湿润气候，受东南季风影响较大，夏季高温多雨多伴有雷暴。2016年8月7日19时—21时徐州地区出现短时强雷暴天气，分量应变固体潮出现明显变化，表现为尖锐的凸起或凹陷（图 6），这是由于，雷暴孕育过程中地面气压持续下降，雷暴形成地面气压随之突然上升、然后下降所致。
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图 6 徐州台分量应变雷暴干扰曲线 Fig.6 Drilling strain observation curve affected by the thunderstorm at Xuzhou Seismic Station |
雷暴干扰多在雷雨天发生，分量应变观测曲线表现为固体潮出现小的凸起或凹陷，不影响曲线的整体趋势，且无规律性可言。计算雷暴影响下（S1 + S3）与（S2 + S4）应变自检相关系数K，得到K = 0.995 02（图 7），可见应变仪自洽性相对良好。这是因为，雷暴持续时间较短，对应变观测影响虽然明显，但不会剧烈到造成数据曲线产生畸变。
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图 7 雷暴影响K值观测曲线 Fig.7 K value observation curve affected by the thunderstorm |
YRY-4型钻孔分量应变仪的自检依据是，在理想状态下，4个分量观测的任意相互正交的2个线应变数据之和均相等。由YRY-4型钻孔分量应变仪剖面（图 1）直观可见，4个观测元件在平面上以等角度旋转45°布设，其弹性理论模型自检关系可以表示为：S1+S3 = S2 + S4 + X，式中：S1、S2、S3、S4分别表示1—4元件线应变观测分量，X为常数。（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线图形相似，通过比较二者曲线可以检验观测数据的可靠性。
自检方程是判断观测数据是否可靠的关键，即自检条件对四分量应变仪是严格的检验条件，甚至可以作为仪器验收标准。如表 1中每行数据，可以看作基本符合本公式。
选取2018年1月30日徐州台分量应变观测数据，计算（S1 + S3）和（S2 + S4），绘制二者相关系数曲线，见图 8，可见在自洽情况下，（S1 + S3）和（S2 + S4）的相关系数K约为0.997。
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图 8 2016年1月30日徐州台分量应变自检相关系数 Fig.8 Self-checking correlation coefficient of drilling strain observation at Xuzhou Seismic Station on Jan. 30, 2016 |
随着对自检相关系数的不断研究，有专家发现一种失洽现象，即大地震前分量应变有严重不满足S1 + S3 = S2 + S4+常数的现象（池顺良，2014）。姑咱和昭通地震台在汶川8.0级、鲁甸6.5级和康定6.3级地震前，观测到K值发生明显变化，即数据自洽性遭到明显破坏。笔者认为，地震台站附近发生的大地震，在地震成核过程中，震源区地层介质连续性逐渐受到破坏，导致面应变（S1 + S3）和（S2 + S4）的相关系数发生变化。
2014年12月28日、2015年2月28日及5月23日徐州台YRY-4钻孔分量应变仪1号元件（S1）出现向下压性阶跃变化，且阶跃幅度超限，其他3路元件出现小幅向上张性变化。文中仅给出2014年12月28日分量应变观测央现象数据曲线，见图 9。
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图 9 徐州台分量应变2014年12月28日失洽现象观测曲线 Fig.9 Lost contact phenomenon of drilling strain observation curve at Xuzhou Seismic Station on Dec. 28, 2014 |
2014年12月1日至2015年6月徐州台钻孔分量应变经历3次严重失恰阶段，通过依次计算得到失恰当日数据自检相关系数K，分别为2014年12月28日自检相关系数K =-0.174 81，2015年2月28日自检相关系数K = -0.966 54，2015年5月23日K=-0.988 02，由K值反映3次事件均属严重失洽事件。3次失洽现象K值关系曲线见图 10。
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图 10 分量应变3次失洽现象K值关系曲线 Fig.10 Three lost contact phenomena of the K value relation curve of drilling strain |
统计徐州台（S1 + S3）和（S2 + S4）的K值变化，见图 11，可见除异常时段外，K值在0.99以上，说明钻孔应变仪在记录到3次异常前后时段内自检良好。通过对该台观测环境调查、钻孔应变仪运行情况以及气象综合调查，并借助数理模型对异常的性质进行分析，认为：NS向应变（1号元件）出现的短时巨幅扰动异常是真实的应力变化，是由台站附近地震成核过程中震源区地层介质连续性遭到破坏所致，又因观测至今并未连续出现此类异常现象，排除耦合或局部受力不均匀因素。
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图 11 徐州台分量应变K值变化曲线 Fig.11 K value curves of drilling strain observation at Xuzhou Seismic Station |
通过对徐州台分量应变观测资料干扰源进行总结分析，得到以下结论。
（1）分量应变受降雨影响明显。降雨干扰表现为短时曲线拉伸，呈压性下降趋势漂移，由于4个方向的杨氏模量不同，所以影响程度不尽相同。
（2）生活用井抽水对徐州台分量应变干扰特征独特，影响显著，影响时间长短和变化量大小与抽水时间长短呈正相关。各分量受抽水影响的变化形态各有不同，抽水影响造成自检相关系数K比正常状态稍有降低，即在抽水影响下其自洽性达不到理想状态。
（3）雷暴干扰明显，但不会使观测数据曲线发生畸变，且无标志性及规律性。
（4）分量应变可以进行仪器自检。地震台站附近发生的大地震在地震成核过程中，震源区地层介质连续性逐渐受到破坏，可能导致应变仪自检系数K发生明显变化。
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