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  地震地磁观测与研究  2019, Vol. 40 Issue (3): 112-119  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.03.016
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引用本文  

胡澜缤, 张彦吉, 李继业, 等. 通河地震台体应变观测干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2019, 40(3): 112-119. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.03.016.
Hu Lanbin, Zhang Yanji, Li jiye, et al. Interference analysis of body strain observation at Tonghe Seismic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2019, 40(3): 112-119. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2019.03.016.

基金项目

中国地震局星火计划(项目编号:XH19011);中国地震局"三结合"课题(项目编号:CEA-JC/3JH-170902)

通讯作者

李继业(1981-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要从事数值分析及地震综合预测方法研究工作。E-mail:13946177688@126.com

作者简介

胡澜缤(1987-), 男, 本科, 主要从事地震监测预报工作

文章历史

本文收到日期:2018-09-14
通河地震台体应变观测干扰分析
胡澜缤 1, 张彦吉 1, 李继业 2, 王海涛 1, 岳力 1, 贾秀玲 1     
1. 中国黑龙江 150900 哈尔滨市地震局通河地震台;
2. 中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局
摘要:利用一元回归、直线拟合、对比理论固体潮汐和潮汐分析等方法,分析并总结通河地震台体应变测项所受自然环境、人为、观测技术系统故障等干扰的特征和量级,发现自然环境干扰对该台体应变影响较大,人为干扰次之。
关键词体应变    干扰因素    干扰分析    
Interference analysis of body strain observation at Tonghe Seismic Station
Hu Lanbin 1, Zhang Yanji 1, Li jiye 2, Wang Haitao 1, Yue Li 1, Jia Xiuling 1     
1. Tonghe Seismic Station, Harbin Earthquake Agency, Heilongjiang Province 150900, China;
2. Heilongjiang Earthquake Agency, Harbin 150090, China
Abstract: The characteristics and magnitudes of disturbances such as natural environment, man-made and observation technology system faults on body strain measurement items at Tonghe Seismic Station are analyzed and summarized by means of one-dimensional regression, linear fitting, comparison theory of solid tide and tidal analysis. It is found that natural environment disturbance has a greater impact on body strain of Tonghe Seismic Station, nextly followed by man-made disturbance.
Key words: body strain    interference factor    interference analysis    
0 引言

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

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
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

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
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
2.1.1.2 气压短时剧烈波动

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

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。

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

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

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。

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

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
2.2 人为干扰

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)。

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)。

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)。

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)。

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。

参考文献
陈小云, 黄永模, 薛飞, 等. 福州地震台TJ-2型钻孔体应变观测资料干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2015, 36(1): 116-119. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2015.01.019
马京杰, 李海亮, 马相波. 岩层倾斜对体应变受气压影响研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2012, 32(Z1): 64-66.
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张学阳. 潮汐观测中高精度气压辅助观测的必要性及气压效应的校正[J]. 地壳形变与地震, 1987, 7(4): 273-280.