2022, Vol. 43
地壳形变观测能够直接捕捉地震孕育、发生过程中产生的形变变化。钻孔体应变观测是一种小空间尺度的地壳形变观测。将钻孔应变仪探头安装在钻孔下方的基岩中，可精细观测到地层内部应变状态的连续变化，有助于研究地震应力、应变的发展变化规律，为地震相关研究提供基础性背景资料(李希亮等，2013)。文中以乾陵地震台(下文简称乾陵台)2018—2020年钻孔体应变观测资料为研究对象，分析观测数据质量、干扰因素及映震能力，以期为其他相关数据分析提供参考。
1 观测环境乾陵台位于陕西省咸阳市乾县陵前村，海拔高度885 m，地质构造上属渭河断陷盆地中段与鄂尔多斯地台南缘接触带，台基岩性为奥陶系炭岩，形变观测属国家Ⅰ类观测项目。该台地处渭河断陷盆地中段与陕北黄土高原过渡地带，关山—口镇断裂以南，乾县—富平断裂以北(杨晓东等，2018; 杨小林等，2020)。
乾陵台钻孔体应变观测始于2007年，于该年1月13日架设安装TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变测量仪，1月14日开始运行。该台体应变钻孔井孔为干孔，开口孔径: 150 mm，终孔孔径: 130 mm，孔深: 71.3 m。TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变测量仪多年来运行良好，记录曲线缓慢正向漂移，岩石呈压性变化。
2 观测资料质量分析选取乾陵台2018—2020年钻孔体应变观测资料，从观测资料完整性、年零漂和资料精度方面进行分析。
2.1 观测资料完整性观测数据完整性体现在数据连续率和完整率上。连续率是指观测设备记录数据个数占原始采样总数的百分比，完整率是指经预处理后有效数据个数占应有数据总数的百分比。分析2018—2020年乾陵台体应变观测资料，计算观测数据连续率和完整率，结果见表 1，可见该台体应变观测数据连续率和完整率均高于99.5%，数据完整性较高。
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表 1 观测资料统计结果 Table 1 The statistics of observation data |
年零漂用来判断基值的稳定性。乾陵台体应变仪2018年漂移量为2 201.4×10-9，2019年为2 886.2×10-9，2020年为2 377.7×10-9(表 1)，体应变观测曲线呈缓慢正向漂移，漂移量较明显，近3年体应变仪漂移量满足形变学科组观测要求，说明观测系统基值稳定性较好。
2.3 观测资料精度基于最小二乘法的维尼迪柯夫调和分析方法，能够计算体应变潮汐因子及其相对误差(精度)，得到固体潮观测值与其理论值的偏离情况，从而判断观测数据质量(卢双苓等，2018)。计算得到乾陵台2018—2020年体应变观测数据潮汐因子及其绝对误差和相对误差，结果见表 2，可见: 该台体应变潮汐因子变化较稳定，平均值在0.69±0.01范围内; 观测精度(相对误差)较好，平均值最小为0.012 8，最大为0.016 4。
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表 2 钻孔应变仪观测资料调和分析结果 Table 2 The results of harmonic analysis of observation data of borehole strainmeter |
对选取的乾陵台钻孔体应变观测资料，从自然环境、观测系统和人为干扰方面进行分析。
3.1 自然环境干扰自然环境变化会改变体应变测项的监测条件，影响观测数据质量。降雨和气压是乾陵台体应变观测中受到的主要自然环境干扰。雨水到达地表后逐渐渗入岩体孔隙，导致孔隙水压力增加，使得水位上升，从而引起岩体体应变产生变化; 气压变化会导致地面负载产生变化，从而引起岩体应力、应变的改变(李杰等，2003)。
调查发现，2018年5月21日当地降雨量13.1 mm，乾陵台体应变观测值上升56.2×10-9; 2018年4月4日气压发生剧烈变化，变幅为11.2 hPa(图 1); 该台体应变观测曲线出现同步趋势性转折，变幅为58.8×10-9(图 2)。分析乾陵台体应变观测与气压的相关性，计算得到二者相关系数为0.928 1，均大于李杰等(2003)给出的山东省3个台站体应变与气压的相关系数: 泰安台0.394、长清台0.619、烟台台0.876，说明乾陵台体应变对气压变化的响应更为灵敏。
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图 1 体应变、降雨量观测曲线 Fig.1 Curves of body strain and rainfall observation |
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图 2 体应变、气压观测曲线 Fig.2 Curves of body strain and barometric pressure observation |
近年来乾陵台UPS电源稳定性有所下降，对仪器正常观测造成干扰。2020年9月29日00:02—00:16，UPS电源发生故障，重启后恢复正常; 07:34—08:40，UPS电源再次发生故障，断电维修，导致该时段体应变资料出现缺数、突跳和台阶(图 3)。
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图 3 UPS不稳定记录曲线 Fig.3 Recording curve due to UPS instability |
对仪器进行定期的检修维护，也会对观测数据产生干扰。2018年8月25日15:45—16:26，对乾陵台体应变仪进行检修，根据需要，整理供电线路时进行临时断电，导致出现错误数据，观测数据曲线出现突跳现象(图 4)。
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图 4 检修仪器记录曲线 Fig.4 Recording curve due to maintenance equipment |
据统计，2018—2020年，全球共发生7.0级及以上地震42次，中国共发生6.0级及以上地震15次，其中: 乾陵台体应变仪记录到全球7.0级及以上地震25次(震时形变波形明显)，达地震总数的59.52%;记录中国6.0级及以上地震8次，达地震总数的53.33%。可见，该台体应变仪对全球7.0级及以上地震和中国6.0级及以上地震同震响应较明显。
2018—2020年乾陵台体应变仪记录地震78次，结果见表 3，其中: ①近震(震中距在100—1 000 km范围内)5次，其中震级最大为6.0(震中距762 km)，体应变仪记录到波形异常变化持续时间为31 min，震级最小为2.2(震中距887 km)，波形异常变化持续时间为8 min; ②远震(震中距大于1 000 km)73次，其中震级最大为8.1(震中距9 741 km)，波形异常变化持续时间为134 min，震级最小为3.8(震中距1 115 km)，波形异常变化持续时间最短，为7 min。因此，乾陵台钻孔体应变仪记录地震震级越大，波形异常变化持续时间越长。
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表 3 乾陵台钻孔体应变地震记录 Table 3 Earthquake catalog recorded with borehole strainmeter at Qianling Seismic Station |
以2020年3月25日10:49:19千岛群岛7.5级地震(48.93°N，157.74°E，震源深度30 km)为例，分析乾陵台体应变仪地震记录特征。此次地震发生后，乾陵台体应变仪于当日10:53—12:30清晰记录到此次地震异常波形，地震引起观测数据突变，从而导致记录波型发生变化，变化幅度51.7×10-9(图 5)。
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图 5 乾陵台体应变地震波型记录 Fig.5 The record of coseismic wave of the body strain observation at Qianling Seismic Station |
通过对2018—2020年乾陵台体应变观测资料进行分析，可以得出以下结果: 体应变运行良好，观测数据质量较高，表现在数据连续率、完整率和精度均较高; 降雨和气压变化会对体应变观测资料产生干扰，表明体应变仪灵敏度较高; 体应变仪对全球7.0级及以上地震和中国6.0级及以上同震响应较明显，震级越大，地震波形异常记录持续时间越长。由于该台体应变仪架设时间较长，运行过程中会出现系统故障，影响正常观测，需对仪器进行定期维护、检修，有助于提升观测数据质量。
李杰, 刘敏, 邹钟毅, 等. 数字化钻孔体应变干扰机理及异常分析[J]. 地震研究, 2003(3): 230-238. |
李希亮, 李栋梁, 卢双苓, 等. 山东省TJ-Ⅱ型钻孔应变仪运行分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2013, 34(5/6): 178-181. |
卢双苓, 李惠玲, 范晓易, 等. 体应变观测数据稳定性影响因素[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(1): 123-128. |
杨晓东, 张创军, 齐银峰, 等. 乾陵地震台形变观测干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2018, 39(2): 127-131. |
杨小林, 危自根, 杨锦玲. 陕西乾陵台洞体应变周年变化的动力诊断[J]. 地震, 2020, 40(2): 177-187. |