2019, Vol. 40
2. 中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局
2. Heilongjiang Earthquake Agency, Harbin 150090, China
钻孔应变观测已成为地震预报有效手段之一。邱泽华（2010）等提出，地震前地球物理异常判据有：①有正常背景; ②非干扰影响; ③与地震相关。以上异常判据明确指出，“干扰影响”是地震异常判定过程中需要排除的重要因素，只有明确各种干扰源及干扰的表现特征，才能有根据地判别畸变曲线是干扰还是地震异常。因此，分类总结并排除干扰，是地震数据分析基础。
文中对通河地震台（下文简称通河台）体应变观测资料进行全面整理，对照工作日志，系统归纳近10年体应变典型干扰，简要描述干扰曲线特征，以便在地震数据分析研究中有效剔除干扰，为地震异常判定提供依据。
1 观测背景哈尔滨市地震局通河地震台位于哈尔滨市通河县岔林村，周边分布NE向伊通—依兰断裂、NW向岔林河断裂和EW向通河断裂。深部构造莫霍面嘉荫—舒兰深度陡变带与鸡西—塔溪深度陡变带在通河附近，呈“X”型交叉分布，将黑龙江省大兴安岭以东广大地区分割成互为对顶分布的2个上地幔隆起区和2个上地幔坳陷区，构成莫霍面起伏变化的基本轮廓。通河台体应变观测井位于伊春—延寿地槽褶皱带北段，通河断裂与方正断陷附近，岩性为完整的燕山期花岗岩。
通河地震台体应变2007年起采用JT-Ⅱ型体应变仪进行观测，其探头埋深85 m，已连续观测十多年，运行较为稳定，记录了大量蕴含地壳活动信息的数据资料，资料可信度较高。但是，在安装竖直摆钻孔倾斜探头时刮到体应变电缆，导致体应变备用探头无法正常工作，井下设备不能移动，辅水位探头也无法维修。
2 体应变干扰提取通河地震台体应变观测主要受自然环境和人为干扰，其次为观测技术系统故障干扰。
2.1 自然环境干扰自然环境干扰包括气压干扰和降雨干扰。
2.1.1 气压干扰气压干扰分为周期性变化和短时剧烈波动。大气压力以负载荷方式作用于地壳表面，造成岩体孔隙压力改变，从而导致体应变测值发生变化（苏恺之等，2003）。钻孔体应变仪安装后，由于水泥层及弹性钢筒的存在，使得弹性筒内体积的相对变形量略小于自由孔的体积相对变化量，约为0.9倍关系（马京杰等，2012）。
设地表为无限大平面体，b1为简单条件下体应变测量的气压干扰系数，则
| $ b_{1}=\frac{\frac{\mu(4-1.8 \mu)}{1-\mu}+0.9-2 \mu}{E} $ | (1) |
式中，E为杨氏模量，μ为泊松比系数。
由于不同台站岩石的杨氏模量E、泊松比系数μ值不同，气压干扰系数也会存在差异，多数台站实测资料表明，气压实际干扰量比理论值明显偏大（苏恺之等，2003）。通河台铧子山子台坐落在完整花岗岩上，利用台站周边100 km范围内MS 0.5以上地震P波和S波波速计算杨氏模量和泊松比系数，得E = 65.776 7 GPa，μ = 0.212 8，根据式（1），得到理论气压系数：b1 = 0.220×10-8 /hPa。
2.1.1.1 气压周期性变化张学阳（1987）对高精度潮汐观测中气压观测的必要性进行论述，阐明气压影响存在周期性变化，且周期性变化效应在井下100 m以内较大，而通河台钻孔体应变井孔深85 m，受气压影响较大。
提取通河台2016年2月1日—29日体应变原始数据，发现观测曲线呈上升趋势，应为体应变原始数据受仪器零飘和气压影响所致，见图 1。利用直线拟合，去除体应变仪器零飘影响，发现观测数据曲线与气压变化趋势相同，为正相关，见图 2。
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图 1 2016年2月体应变原始分钟值曲线 Fig.1 Original minute curve of body strain in Feb., 2016 |
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图 2 体应变直线拟合结果与气压原始曲线对比 Fig.2 Comparisons of original pressure data curve vs the straight line fitting volume strain |
将体应变观测数据利用直线拟合，与气压原始分钟值曲线做一元线性回归分析，见图 3，可知气压与体应变相关系数达0.898，由体应变变化量除以气压变化量，得到实际气压干扰系数为0.286×10-8 /hPa，比理论气压干扰系数（0.220×10-8 /hPa）大。去除仪器零飘和气压干扰后，体应变与固体潮理论值基本一致，见图 4。
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图 3 2016年2月体应变一元线性回归分析 (a)拟合残差; (b)体应变拟合结果; (c)体应变应变量; (d)气压 Fig.3 Univariate linear regression analysis of body strain in Feb., 2016 |
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图 4 2016年2月体应变去零漂、气压干扰后固体潮理论值对比 Fig.4 Comparison of theoretical values of solid tide vs the body strain after zero drift removal and barometric disturbance in Feb., 2016 |
受天气变化影响，气压会出现短时剧烈波动。大风、降雨、降雪导致气压出现短时剧烈波动，体应变观测值同步出现显著变化，表现为固体潮曲线波动或张压性畸变，无法利用回归分析完全消除，只能采用定量与定性相结合的方法进行分析（陈小云等，2015）。
（1）大风导致气压扰动。2012年8月29日台风“布拉万”路经通河县，当地气压于8月28日23:22由994.7 hPa急剧减小，8月29日15:21达最低值（975.3 hPa），8月30日01:32恢复正常值（994.8 hPa），气压变化量达19.4 hPa。体应变观测数据在同一时段出现急剧张性变化，后随气压回升转为压性变化，应变变化量达43.7×10-9，气压干扰系数为0.225×10-8/hPa，略大于理论气压干扰系数0.220×10-8/hPa。体应变与气压对比曲线见图 5。
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图 5 2012年8月体应变、气压分钟值曲线 Fig.5 Curves of body strain and air pressure minute value data in Aug., 2012 |
（2）降雨、降雪导致气压变化干扰。降雨和降雪会使得气压发生剧烈变化，对体应变观测造成一定程度干扰。
2016年6月1日通河县出现小雨天气，气压发生上升—下降变化，导致体应变出现压、张性变化，见图 6(a)，可见：15时44分—16时01分降雨量达0.7 mm，气压增大0.7 hPa，体应变发生压性变化，量值为1.8×10-9，气压干扰系数为0.25×10-8/hPa，大于理论气压干扰系数。
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图 6 2016年雨雪天气对体应变、气压的干扰 (a)2016年6月1日降雨影响; (b)2016年10月16日降雪影响 Fig.6 Effects of rain and snow weather on body strain in 2016 |
2016年10月16日通河县出现小雪天气，气压发生上升—下降变化，导致体应变压、张性变化，见图 6(b)，可见：17时01分—18时27分短时小雪，气压增大1.0 hPa，体应变压性变化，量值为1.6×10-9，气压干扰系数为0.16×10-8/hPa，小于理论气压干扰系数。
2.1.1.3 气压干扰潮汐分析2012年3—9月，通河台体应变观测数据受到气压周期性及短时剧烈波动干扰，将该时段数据进行直线拟合及一元回归处理，剔除零飘与气压干扰，对体应变原始数据及体应变去气压干扰数据进行潮汐分析，得到M2波、O1波、半日波和周日波，见图 7。
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图 7 体应变原始数据与去除气压干扰后数据潮汐对比 (a)M2波; (b)O1波; (c)半日波; (d)周日波 Fig.7 Comparative analysis of original data of body strain with data of tide after barometric exclusion |
由图 7可见，在体应变气压干扰潮汐分析中，气压变化对周日波影响较大。对比分析发现，气压周期性与剧烈波动干扰对M2波、O1波和半日波均未产生较大影响，趋势基本一致; 体应变原始数据周日波最大值为4.63×10-9，最小值为0.37×10-9，相差4.26×10-9，去零飘和气压后，体应变周日波最大值为1.58×10-9，最小值为0.50×10-9，相差1.08×10-9。通过对比，最大值相差3.05×10-9，最小值相差0.13×10-9。
2.1.2 降雨干扰降雨对体应变观测会产生即时或延时影响。
（1）降雨即时影响。大暴雨时，降雨量造成大地负荷效应，在体应变观测曲线上明显可见。如：2016年7月24日通河遭受强降雨，降雨量达59.0 mm，且当日15时降雨量整点值达33.6 mm，体应变观测曲线出现尖峰干扰，变化量达91.3×10-9，此时气压无明显升降变化，表明非气压干扰所致（图 8），与降雨量变化曲线对比，发现体应变产生明显压性变化后回复正常时间，与降雨时段一致，表明此次干扰为降雨产生大地负荷效应所致。分析认为，在强降雨时，每毫米降雨量，体应变发生0.27×10-8的变化。因作为辅助测项的水位数据缺失，无法分析降雨所致地下水位变化对体应变观测的干扰影响。
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图 8 2016年7月24日体应变降雨干扰曲线 Fig.8 Disturbance curve of body strain rainfall on July 24, 2016 |
（2）降雨延时影响。降雨后，雨水逐渐渗入岩体孔隙，孔隙水压力增加（陈小云等，2015），导致体应变观测数据出现压性—缓慢张性变化。如：2018年7月20日通河遭受强降雨，降雨量达61.8 mm，且当日13时降雨量整点值达12.84 mm，体应变在12:36—12:58出现压性变化，后缓慢下降，至16:17恢复正常，见图 9。由图 9可见，在体应变压性变化期间，气压呈上升状态，在体应变缓慢下降期间，气压基本呈水平状态，不存在明显下降变化，表明体应变异常非气压干扰所致。在降雨过程中，随着雨水逐渐侵入岩体空隙，应力上升，降雨停止，雨水逐渐从岩体空隙流出，导致体应变呈压性转缓慢张性变化，整个过程持续约221 min，其中压性变化量达3.2×10-9，张性变化量为2.7×10-9。
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图 9 2018年7月20日体应变降雨干扰曲线 Fig.9 Disturbance curve of body strain rainfall on July 20, 2018 |
调查发现，通河台及周边近10年来存在以下人为干扰：工程干扰（修建锅炉房、修建办公用房和修建滑雪场等）和标定、开阀。
（1）工程干扰。2009年在距通河体应变观测井约20 m处修建锅炉，9月11日将50 t煤运至锅炉房附近，体应变观测曲线出现固体超畸变，表现为压性变化，变化量为7.5×10-9（图 10）。
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图 10 2009年9月11日体应变观测曲线 Fig.10 Body strain observation curve on Sep. 11, 2009 |
2012年8—10月，在距观测井约60 m处修建办公用房，占地面积320 m2，房屋总质量约640 t，体应变观测曲线出现张性变化后转压性变化，张性变化幅度为13.9×10-9，压性变化幅度为16.8×10-9（图 11）。
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图 11 2012年5—11月体应变一元回归分析曲线 Fig.11 Univariate regression analysis curve of body strain from May to November 2012 |
2016年11月2日距观测井约20 m处修建滑雪场，导致体应变观测曲线呈张性后转压性畸变，最大变化幅度为72.2×10-9。2017年11月10日滑雪场二期施工，体应变观测曲线出现固体潮畸变，表现为压性变化，最大变化幅度为58.7×10-9（图 12）。
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图 12 滑雪场修建对体应变干扰 (a)2016年11月2日; (b)2017年11月25日—28日 Fig.12 Body strain disturbance caused by ski resort construction |
（2）标定、开阀干扰。按照《倾斜应变台网观测与运行管理工作细则（2015修订）》要求，对体应变进行标定和开阀，会产生不可用数据。
2.3 观测技术系统故障干扰（1）雷电干扰。雷电出现时，对体应变观测仪器电路产生感应，导致体应变观测出现变化。2017年9月5日01时至02时通河出现雷雨天气，且雷电较强，体应变观测曲线在同一时间出现上升后下降变化，变化幅度为47.5×10-9（图 13）。
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图 13 2017年9月4日—5日体应变受雷电干扰曲线 Fig.13 The curve of body strain affected by lightning interference from Sep.4 to 5, 2017 |
（2）供电模块故障。2014年6月5日—7日，通河台体应变无法正常记录数据，表现为体应变仪连续重启。检查发现，数采电源模块损坏，导致体应变仪无法正常工作，返厂维修后恢复正常工作。
（3）数采死机。体应变数采无法正常ping通或记录数据呈一条直线，一般由数采pc104模版当机所致。
（4）数采格值恢复出厂设置。2017年9月6日体应变数据固体潮汐幅度突然变大，表现为正常幅度的3倍，检查发现，为数采格值恢复出厂设置所致，格值更改后数据恢复正常。
3 结论通过对通河台近年来体应变干扰数据的分析，可以得到以下结论：①自然干扰因素有气压、风扰和降雨等，其中：气压周期性干扰与体应变相关系数在0.6以上，实际气压干扰系数比理论气压干扰系数大; 气压干扰对体应变的M2波、O1波和半日波影响较小，对周日波影响较大; 降雨对体应变产生的影响，在体应变原始曲线中明显可见。目前，对于气压周期性干扰，可通过一元线性回归消除，而短期气压剧烈波动干扰，只能对比体应变数据予以排除; ②人为干扰因素有工程干扰、调零、标定等; ③观测技术系统故障干扰因素有雷击、体应变仪器内部不稳定、数采pc104当机等。
在实际观测中，异常数据可能由多种干扰造成，需及时排查干扰源，以便为判定地震前地球物理异常提供依据。
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