2021, Vol. 42
四分量钻孔应变仪是中国发明的高精度钻孔应变观测仪器（邱泽华等，2015），提供地下真实的应变变化信息。该仪器长期连续工作，少有故障出现，可提供地下介质长周期变化信息，也能记录快速应变变化（池顺良等，2019）。其具有1号、2号、3号、4号4个元件，在进行数据分析时，常把读数变化按单号和双号分为2组，组内二者变化量相加，得到2组面应变；组内二者变化量相减，得到2组剪应变（池顺良，2019）。诸多学者对分量钻孔应变仪记录的应变变化进行了分析与研究，其中：邱泽华等（2009）利用高通滤波，得出姑咱地震台钻孔应变仪观测的脉冲异常变化与汶川地震有明显的相关性；池顺良等（2013）分析发现，姑咱地震台（距芦山地震震中70 km）YRY四分量钻孔应变仪于2013年4月16日—19日记录到8次幅度达10倍固体潮幅的张性应变阶跃，与芦山地震在时间、空间上具有相关性；张嘉敏等（2020）利用潮汐因子内精度、相对标定自检内精度、面应变相关系数等指标，综合对比分析了天山中段8个地震台站分量式钻孔应变仪观测资料质量；侯跃伟等（2020）采用Venedikov调和及相对标定等方法，对江宁地震台YRY-4型四分量钻孔应变仪观测数据，基于年变幅度、连续率及稳定性等的检验，得出该台钻孔应变数据具有可靠性；杜品仁（1991）利用微气压计记录，采用频谱和调和2种分析方法得出大气潮谱的详细结构；李杰等（2013）对山东省钻孔体应变仪数字化观测资料的干扰及突跳异常进行了分析、讨论；卢双苓等（2016）对泰安地震台不同类型钻孔应变仪的产出资料进行研究，分析分量应变仪自检可靠性及其与体应变资料的相关性，以及在抽水干扰情况下的相关性。
针对四分量钻孔应变仪观测数据的研究，一般利用直观固体潮形态进行分析，部分文献虽涉及面应变，但对面应变及剪应变的综合研究较少。鉴于此，文中基于四分量钻孔应变仪4个元件的自洽方程，对易县地震台（下文简称易县台）钻孔应变观测数据进行质量评估，并在此基础上，对地震前的面应变、剪应变异常变化进行反演，同时，利用剪应变的变化，对造成观测井环境影响的干扰源方位及地点进行反演。
1 台站及仪器概况易县台始建于20世纪70年代，建筑面积550 m2，台基岩性为花岗基底岩与震旦系沉积岩，观测山洞岩石构造不均匀。台站位于太行山隆起带与华北平原拗陷区分界部位，太行山北段低山丘陵地区，周边50 km范围内分布着涞源盆地南缘断裂、徐水南断裂、沿河城—紫荆关断裂徐水断裂、保定—石家庄断裂、东垒子—涞水断裂等9条断裂，无全新世活动断裂（距今10万年），其中沿河城—紫荆关断裂距易县台最近，直线距离12.789 km。根据破坏性地震资料记载和区域性地震台网数据记录，在易县台20 km范围内发生历史强震1次，为1138年河北易县51/2级地震，与台站直线距离约12.56 km。易县台周边断裂构造分布见图 1。
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图 1 易县台周边断裂构造分布 Fig.1 Distribution of fracture structures around Yixian Seismic Station |
2009年8月，易县台安装YRY-4型四分量钻孔应变仪，1号、2号、3号、4号元件依次按照磁北顺时针50°、95°、140°、185°布设，即1号元件呈N50°E，2号元件近N95°E，3号元件N140°E，4号元件N5°E（图 2），即四分量分别呈NS、EW、NE、NW侧向。钻孔应变观测井井孔距观测室1.5 m，井深38 m，花岗岩，岩芯完整，水位距井口约5 m。2011年12月，钻孔应变仪正式运行，应变数据正常接入数据库，观测资料连续率基本达100%，产出数据质量较高，达到国家相关规范要求。
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图 2 分量钻孔应变仪元件布设 Fig.2 The layout of components of the component borehole strainmeter |
选取易县台2011年12月—2020年7月钻孔应变观测数据，利用Venedikov调和分析方法，对钻孔应变仪记录的面应变固体潮整点值数据进行调和分析，计算4个分量的潮汐因子（图 3），分析各分量数据潮汐因子变化，检验钻孔应变仪运行情况及观测数据的可靠性。由图 3可见：①自易县台四分量钻孔应变仪数据正式入库以来，NS分量数据潮汐因子均值在0.019 8以上，EW分量数据潮汐因子均值在0.358 7以上，NE分量数据潮汐因子均值在0.031 9以上，NW分量数据潮汐因子均值在0.049 5以上；②NS、NE、NW分量观测精度相对较高，EW分量精度较低，主要是因为该分量受环境影响（抽水干扰）较大，但观测精度仍在正常范围内，未出现异常。
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图 3 钻孔应变仪四分量潮汐因子变化 Fig.3 Four-component tidal factor variations of the borehole strainmeter observations |
综合分析认为，易县台四分量钻孔应变仪运行正常，观测数据清晰、可靠。
2.2 自洽检验苏恺之等（1997）提出，YRY-4型分量钻孔应变仪四元件应变观测接近自洽的程度，决定着观测数据的可靠程度。四元件方位是等间隔的，相邻元件夹角为45°，即
| $ \left\{ \begin{matrix} {{S}_{1}}={{S}_{\theta 1}}=A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)+B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\cos 2\left({{\theta }_{1}}-\phi \right) \\ {{S}_{2}}={{S}_{\theta 1+{}^{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;}}=A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)-B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\sin 2\left({{\theta }_{1}}-\phi \right) \\ {{S}_{3}}={{S}_{\theta 1+{}^{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}=A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)-B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\cos 2\left({{\theta }_{1}}-\phi \right) \\ {{S}_{4}}={{S}_{\theta 1+{}^{\text{3 }\!\!\pi\!\!\text{ }}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;}}=A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)+B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\sin 2\left({{\theta }_{1}}-\phi \right) \\ \end{matrix} \right. $ | (1) |
满足以下自洽关系
| $ {S_1} + {S_3} = {S_2} + {S_4} $ | (2) |
选取2015—2020年易县台钻孔应变仪产出的原始数据，计算面应变（S1 + S3）与（S2 + S4），可见2组面应变观测值变化形态基本一致，相关系数达0.988 2（图 4），说明该台应变观测数据可靠性较高。
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图 4 易县台钻孔应变2015—2020年自洽分析 Fig.4 Self-consistent test analysis of borehole strainmeter at Yixian Seismic Station from 2015 to 2020 |
选取易县台2018—2019年四分量钻孔应变仪原始数据S1、S2、S3、S4，计算得到2组面应变（S1 + S3）、（S2 + S4）及2组剪应变（S1 - S3）、（S2 - S4），利用2组面应变相关系数，分析3次ML≥4.0地震前数据异常变化，并利用2组剪应变大小，计算异常主应力方位角，进而判断干扰源方位。
3.1 地震异常分析针对河北地区2018年2月12日永清ML 4.8地震、2019年12月3日怀安ML 4.0地震、12月5日丰南ML 4.9地震3次地震，对易县台钻孔应变观测数据映震异常进行分析。
（1）2018年2月12日永清ML 4.8地震。据中国地震台网测定，2018年2月12日18时31分在河北廊坊市永清县发生ML 4.8地震，震中位于易县台分量应变观测室正东86 km处。选取2018年2月1日—21日易县台钻孔应变数据，分析2组面应变及2组剪应变数据变化，结果见图 5。由图 5清晰可见，此次永清地震前，剪应变变化幅度远大于面应变；地震前几天，面应变、剪应变出现震兆异常，特别是2月2日、4日、8日的剪应变异常变化幅度较大，且因震中位于观测室正东，故（S2 - S4）异常幅度明显比（S1 - S3）大。
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图 5 永清ML 4.8地震前易县台钻孔应变异常 Fig.5 The anomaly of the borehole strainmeter observation at Yixian Seismic Station before the Yongqing ML 4.8 earthquake |
（2）2019年12月3日怀安ML 4.0地震、12月5日丰南ML 4.9地震。据中国地震台网测定，2019年12月3日11时34分，河北张家口市怀安县发生ML 4.0地震，震源深度13 km，震中位于易县台分量应变观测室西北358 km处；12月5日8时2分在河北唐山市丰南发生ML 4.9地震，震中位于分量应变观测室东偏南305 km处。选取2019年11月25日—12月15日易县台钻孔应变数据，分析2组面应变及2组剪应变数据变化，结果见图 6。由图 6清晰可见：①怀安地震、丰南地震前，剪应变变化幅度远大于面应变，特别是丰南地震前，剪应变变化幅度约为面应变的3倍；②地震前几天，面应变、剪应变均出现震兆异常，其中怀安地震剪应变异常变化幅度于11月28日最大，达22.38×10-8；丰南地震剪应变异常变化幅度于12月4日最大，达44.15×10-8。丰南地震剪应变变化幅度较大，应与地震前释放应力大小有关；③怀安地震震中位于观测室西北，理论上（S1 - S3）与（S2 - S4）异常变化幅度应一致，但实际上（S2 - S4）曲线异常起伏变化幅度略大，这是因为，基本同期发生的丰南地震，震中位于观测室东偏南，而2次地震发生时间较近，震兆异常叠加，导致（S2 - S4）曲线异常起伏变化幅度明显大于（S1 - S3）。
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图 6 怀安ML 4.0、丰南ML 4.9地震前易县台钻孔应变异常 (a)分量应变观测数据面应变曲线；(b)分量应变观测数据剪应变曲线 Fig.6 The anomaly of the borehole strainmeter observations at Yixian Seismic Station before the Huai'an ML 4.0 and Fengnan ML 4.9 earthquakes |
通过对3次ML≥4.0地震钻孔应变异常分析，得出以下结果：①剪应变异常变化幅度约为面应变的3倍；②剪应变的测量数值与元件测向方位和主应变方位之间的夹角密切相关。当夹角较小时，所得剪应变值较大（邱泽华，2017），主要与观测仪器所受应力方向有关。也就是，当震中位于观测井NS向时，（S1 - S3）偏大；当震中位于观测井EW向时, （S2 - S4）偏大；当震中位于观测井SE、NW、NE和SW向时，（S1 - S3）与（S2 - S4）异常变化幅度基本一致；③对于ML≥4.0地震，震前几天面应变、剪应变均会出现异常变化。
3.2 环境干扰实例分析调研发现，易县台钻孔应变观测室周围存在的环境干扰源主要有采石场、土方荷载、抽水井等（图 7）。由历年钻孔应变观测资料可知，易县台伸缩仪受采石场和挖土活动干扰较大，钻孔应变仪主要受抽水干扰。排查发现，观测室周边有3口固定抽水井，其中：1#抽水井位于易县台以西0.5 km处，2012年1月起每日6:30抽水，时长约3.5 h，抽水量约80 m3；2#井位于台站院内，属生活用井，现基本停用；3#井位于台站西北方向6 km处，为五道河村、西陵村及凤凰台村生活用水井。
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图 7 易县台钻孔应变观测室周围环境干扰源 Fig.7 Environmental interference diagram of borehole strainmeter observation room at Yixian Seismic Station |
自2019年10月29日起，易县台分量钻孔应变观测曲线持续15天出现畸变，四分量均出现不同程度的变化，尤其是NE分量（N140°E），曲线畸变明显，出现多次压缩—拉张锯齿状变化，见图 8，可见曲线呈快速压缩、快速拉张、上弯型及下弯型变化，间有高频突跳变化。根据该曲线变化特征，初步判定应变观测数据受抽水干扰。
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图 8 易县台钻孔应变仪NE分量异常抽水干扰曲线 Fig.8 Interference curve of pumping of the NE component of borehole strainmeter observation at Yixian Seismic Station |
经宏观调查，认为易县台分量钻孔应变数据固体潮畸变与台站周边抽水井抽水有关，干扰源应位于观测室西北或东南方向。结合图 7所示观测室周边干扰源分布，判定3#抽水井应为干扰源。因环境干扰因素较多，为进一步确定干扰源方位，可根据邱泽华（2017）提出的主应力方向估计理论，求解主应力方向。
3.2.2 干扰源方位确定据式（1）推解剪应变S13、S24及主应变Sa，有
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{S_{13}} \equiv {S_1} - {S_3}}\\ {{S_{24}} \equiv {S_2} - {S_4}}\\ {{S_{\rm{a}}} \equiv \left({{S_1} + {S_2} + {S_3} + {S_4}} \right)/2} \end{array}} \right. $ | (3) |
继而推算钻孔应变异常方向应力方位φ，有
| $ \varphi {\rm{ = }}\frac{1}{2}{\rm{arc}}\;\tan \left({\frac{{{S_{24}}}}{{{S_{13}}}}} \right) + {\theta _1} $ | (4) |
式中，θ1为元件1的方位角，在易县台，θ1 = 50°（图 2）。
利用式（3），计算得到易县台2019年10月29日后钻孔应变观测数据剪应变变化幅度：S13 = 5.414×10-8，S24 = 3.264×10-8，代入式（4），得到φ = 80.96°。据邱泽华（2017）提出的主应力方向估计理论可知，当S13＜0、S24＜0时，主应力朝向西北，从而推算可得，干扰源在观测室NW80.96°方位。据调查，钻孔应变观测室西北主要分布自来水公司所属抽水井和蓄水池，方位NW46.5°，与理论值偏差34.46°（图 9）。方位偏差产生的主要原因是，用于计算的异常数据时间是一个时序，而非异常出现的具体时段，且受地质结构影响，地下应力实际传播过程复杂，并非完全遵循线性传播关系。
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图 9 易县台钻孔应变NW分量异常主应力方向示意 Fig.9 Diagram of principal stress direction of the NW component of borehole strainmeter at Yixian Seismic Station |
通过对易县台四分量钻孔应变仪观测记录面应变、剪应变的分析，可以得出以下结论：①对于该台钻孔应变震前观测数据，面应变、剪应变同时出现异常变化；②相对面应变而言，剪应变异常变化幅度较大，且幅度大小与震中相对观测井的位置有关；③利用固体潮畸变时段剪应变主方向，推算可得干扰源在钻孔应变观测室NW80.96°方位，应为自来水公司所属抽水井和蓄水池。
文中未考虑地下介质的不均匀性，所得易县台钻孔应变观测干扰源方位与实际位置存在一定偏差，且抽水干扰所致应力大小的变化不能确认，只有探究该台钻井及抽水井周边区域的水文地质环境，了解地下水的补给情况，绘制地下水流向图，才能准确判定造成钻孔应变观测数据固体潮曲线畸变的抽水井的距离和深度。
本文撰写得到山东省泰安基准台卢双苓高级工程师的支持和帮助，在此表示感谢。
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