2022, Vol. 43
昭通地处云、贵、川3省交界地区，地层地质构造复杂，境内断裂带纵横交错，是云南地震活动较频繁的地区之一。YRY-4型钻孔应变仪是记录地壳应力变化规律的仪器，观测精度高，运行稳定，但受干扰影响较大（侯跃伟等，2020）。昭通地震中心站YRY-4型钻孔应变仪自2007年投入观测以来，产出了大量连续、可靠的资料，清晰地记录了昭通及周边地区地震，映震能力较强，如2014年8月3日清晰记录了鲁甸MS 6.5地震，2021年5月21日清晰记录了大理漾濞MS 6.3地震。但随着城市的发展，昭通地震中心站已被大中型建筑包围，台站背靠凤凰山，距街道仅有几米，周边有间断性施工，街道车流量大，这导致YRY-4型钻孔应变仪观测数据毛刺增多。除场地干扰影响外，降雨干扰也较明显。当降雨量达到某个值时，便会对观测数据产生影响（白伟利等，2021），这通常表现为趋势性转折向下或向上，且降雨影响具有滞后性。为验证YRY-4型钻孔应变仪工作是否可靠，观测数据是否可信，本文拟利用YRY-4型钻孔应变仪四分量数据S1、S2、S3、S4进行自洽检验。
1 观测概况 1.1 昭通地震中心站背景资料昭通地震中心站始建于1964年，位于昭通市昭阳区团结路东延线的元宝山脚下。观测山洞始建于1978年，台基为晚古生代二叠纪玄武岩。台站周边主要有小江断裂、峨眉—金阳断裂、汉源—甘洛断裂、威宁—大关马边断裂、巧家—莲峰断裂、洒渔河断裂、迤车断裂、昭鲁断裂等断裂带（李大虎等，2019）。昭通地区地质构造复杂，地震活动频繁，2003年以来发生MS≥5.0地震10余次，这些地震与该地区断裂带有很大联系。
昭通中心站观测仪器中，受干扰较明显的仪器是钻孔应变仪。通过整理观测数据资料发现，降雨干扰最明显，连续性降雨导致观测曲线大幅波动后缓慢恢复，分析认为可能是降雨影响具有迟滞性所致。
1.2 YRY-4钻孔应变仪YRY-4型钻孔应变仪架设于昭通市昭阳区团结路东沿线的元宝山脚下，钻孔深45 m，玄武岩地层。安装时水位距井口31 m。套管下到22 m深，31—35 m裸孔段多处破碎、掉块。探头安装在44.7 m深处的完整段。
YRY-4型钻孔应变仪自2007年投入观测以来，观测数据年变形态稳定，中途无仪器配件更换情况，整体运行平稳，数据曲线日变、月变、年变清晰，对国内外中强震都有较好的同震效应，在部分地震前固体潮曲线常伴有速率加快、转折、脉冲突跳、脉动畸变等异常现象。图 1为仪器正常运行时的数据曲线。
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图 1 2021年2月1—2日YRY-4型钻孔应变仪正常运行观测曲线 Fig.1 Normal operation curve of borehole strain gauge from February 1 to 2, 2021 |
为判断YRY-4型钻孔应变仪观测数据的可靠性，利用自检相关系数K值进行检验（宋俊朋等，2019）。其原理是两相互正交的分量数据之和相等，选取仪器6月观测数据，计算（S1+S3）、（S2+S4）并绘制相关系数曲线，结果如图 2所示。由图 2可见，2条正相关曲线自相关系数K值为0.94，说明仪器的观测数据是可靠的。
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图 2 自检相关系数K值检验 Fig.2 Self-check correlation coefficient K value test |
为检验YRY-4型钻孔应变仪映震能力（苏维刚等，2021），远震及近震各选出1次代表性的震例。远震震例：2021年7月29日美国阿拉斯加州以南海域MS 8.1地震，震源深度10 km，震中距为8 048 km，此次地震为国外特大型地震，震级大，震源浅；近震震例：2021年5月21日中国漾濞MS 6.5地震，震源深度10 km，震中距616 km。2次震例同震响应见图 3、图 4。
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图 3 2021年7月29日美国阿拉斯加州以南海域MS 8.1地震应变量同震响应 Fig.3 Coseismic response to the July 29, 2021 MS 8.1 earthquake in the south of Perryville, Alaska, USA |
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图 4 2021年5月21日中国漾濞MS 6.4地震应变量同震响应 Fig.4 Coseismic response of the MS 6.4 earthquake in Yangbi, China on May 21, 2021 |
昭通中心站地处云、贵、川3省结合部的乌蒙山区腹地，地势西南高、东北低，属于热带、暖温带共存的高原季风立体气候，夏季多雨，冬季多雪。一般情况下，昭通地区雨季集中在5—8月。降雪集中在当年10月至次年2月。5—8月的雨季，YRY-4型钻孔应变仪观测曲线会出现加速压缩变化，而且持续时间较长，应变幅度大，趋势性转折变化明显，仅2020—2021年强降雨导致曲线趋势性转折异常就达到5次。昭通地区2021年6—8月持续强降雨，累计降雨量达336 mm，连续的强降雨导致YRY-4型钻孔应变仪观测数据发生趋势性转折。自2021年6月24日起，YRY-4型钻孔应变仪四分量观测数据整体走势向下，曲线下降过程中，出现阶段性曲线走势向上继而转向下的过程。因每当强降雨过后曲线开始下降（图 5）（孙艺玫等，2021），调查后并未发现周边大型施工、场地塌陷、仪器工作不稳定等异常情况，故认为是断断续续的强降雨导致地下地质不规律变化所致。YRY-4型钻孔应变仪四分量观测数据的变化为：自6月24日起，NS分量曲线整体走势向下，下降幅度最大为12 214×10-8应变单位；EW分量曲线整体走势向下，下降幅度最大为15 224×10-8；NE分量曲线整体走势向下，下降幅度为12 524×10-8应变单位；NW分量曲线整体走势向下，下降幅度最大为3 688×10-8。8月2日，YRY-4型钻孔应变仪四分量观测数据开始后恢复正常。7月7、27日强降雨后观测曲线又开始下降，天气晴朗后，曲线逐步恢复正常形态。
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图 5 降雨干扰 Fig.5 Rainfall interference |
2021年1月，昭通地区出现强降雪天气，积雪厚达10 cm，从1月15日开始积雪融化，融化的积雪导致台站地下地质形变，而相应时段仪器运行正常，无大型施工、场地变化等情况。YRY-4型钻孔应变仪清晰地记录到了此变化（图 6）。融雪导致YRY-4型钻孔应变仪四分量观测数据产生趋势性转折，数据下降明显，NS、EW、NE、NW四分量下降幅度分别为8 101×10-8应变单位、8 442×10-8应变单位、4 460×10-8应变单位、2 360×10-8应变单位，自2月26日起曲线开始恢复至正常工作形态。
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图 6 融雪干扰 Fig.6 Snowmelt interference |
降雨、融雪对YRY-4型钻孔应变仪四分量观测数据的影响在时间上和曲线形态变化上基本一致，所以只截取NS分量作分析。降雨、融雪对观测曲线的影响具有滞后性，即该影响效应不会立刻引起变化，而是待降雨或融雪结束后，延迟一段时间曲线才发生变化（图 6）。
图 7为2021年8月降雨对YRY-4型钻孔应变仪观测数据影响的滞后性。由图 7（a）可见，降雨开始于2021年7月8、25日，曲线转折开始于同月10、27日，降雨之后2天曲线才开始变化。由图 7（b）可见，融雪开始于2021年1月14日，可曲线转折开始于当月18日。这可能是台站周围松软土质吸收水分、土质形变迟滞所致。因此，每年雨季维护人员都要对观测环境、供电系统、仪器工作状态及避雷设施进行全面系统的排查，及时对仪器周围排水沟进行疏通（解孟雨等，2021），以保证强降雨后积水可以顺利排出，进而预防积水对仪器产生观测干扰。
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图 7 降雨（a）、融雪（b）对YRY-4型钻孔应变仪观测的滞后性影响 Fig.7 Hysteresis effect of rainfall (a) and snowmelt (b) on the observation of YRY-4 borehole strain gauge |
随着钻孔应变仪长时间的运行，数据采集器容易老化，偶尔会出现故障[图 8（a）]。由图 8（a）可见，2020年7月8日数据采集器故障产生的干扰，其表现为台阶。图 8（b）为仪器调零标定产生的人为干扰。2020年1月18日由于仪器超量程，对EW、NE两分量调零，这导致数据产生畸变，数据变化达21 452×10-8应变量，手动调零后仪器恢复正常工作。仪器故障统计结果见表 1。
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图 8 数采故障（a）、调零标定干扰（b） Fig.8 Data acquisition failure (a) and zero adjustment calibration interference (b) |
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表 1 钻孔应变仪数据采集器故障统计 Table 1 Data mining failure statistics table of borehole strain gauges |
数据采集器老化不可避免。由数据采集器故障所产生的数据变化明显，在数据曲线上主要表现为台阶、乱码或缺记。发生此情况后，经过重启数据采集器基本能恢复工作。由此可见，熟悉数据采集器故障特点，有助于区分异常和干扰。
2.3 场地环境干扰昭通中心站于2021年12月1日启动云南省地震局台站观测环境提升改造项目，1日10时起大型挖掘机在距钻孔应变仪器安装地直线30 m处开始施工，钻孔应变仪四分量观测数据受施工干扰明显，干扰曲线如图 9所示。此次施工主要为大型碎石机作业，每次碎石都会产生强度不等的地面震动。大型碎石机碎石作业对钻孔应变仪的干扰影响在观测曲线上表现为应变量变化不等的毛刺。分析其为施工干扰的原因如下：对比分析同期碎石机碎石作业时水平摆、水管仪、伸缩仪等形变仪器观测数据，发现形变仪器数据曲线相同时间同步记录毛刺；对比分析当日差分序列值图（赵慧琴等，2015），发现碎石机施工时数据变化明显，应变量最大变化量为412×10-8，说明此数据变化应为碎石机施工干扰；施工期间仪器工作正常，无市电/UPS电源切换情况。
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图 9 NS分量施工干扰差分序列值 Fig.9 Difference sequence value of North-South component construction interference |
利用YRY-4钻孔应变仪四分量观测数据S1、S2、S3、S4进行自洽检验，K值为0.94，说明仪器运行稳定，观测数据可靠；YRY-4型钻孔应变仪可清晰记录固体潮变化特征，对地震有较好的同震响应，说明YRY-4型钻孔应变仪映震能力强。
分析了YRY-4型钻孔应变仪所受干扰的类型，并浅析了干扰原因。干扰有：①自然环境干扰。降雨、融雪常年对钻孔应变仪产生干扰，且干扰具有滞后性，即降雨、融雪干扰不会使数据曲线立刻发生变化，而是待降雨、融雪结束后，数据曲线才产生延迟变化。②人为干扰。钻孔应变仪投入运行时间较长，数据采集器会出现故障，致使维修仪器、调零时产生人为干扰。③场地施工干扰。YRY-4型钻孔应变仪观测数据受碎石机碎石作业施工干扰明显，在观测数据曲线上出现应变量变化不等的毛刺。
白伟利, 李宏伟, 高龙飞, 等. 大同中心地震台钻孔应变数据异常调查分析[J]. 山西地震, 2021(2): 40-43. |
侯跃伟, 刘孝峰, 赵庆福. 江宁地震台YRY-4型四分量钻孔应变仪可靠性检验[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(3): 111-117. |
李大虎, 丁志峰, 吴萍萍, 等. 川滇交界东段昭通、莲峰断裂带的深部结构特征与2014年鲁甸MS 6.5地震[J]. 地球物理学报, 2019, 62(12): 4 571-4 587. |
宋俊朋, 栗宁, 熊丽, 等. 襄樊地震台YRY-4钻孔应变仪干扰特征分析[J]. 甘肃科学学报, 2019, 31(4): 14-22. |
苏维刚, 马茹莹, 马震, 等. 钻孔应变的干扰源及其干扰机制的多方法分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2021, 41(8): 871-876. |
孙艺玫, 查楠, 任雪, 等. 钻孔体应变仪在地震前兆观测中的理论和应用研究综述[J]. 防灾减灾学报, 2021, 37(4): 69-74. |
解孟雨, 马亚伟, 张小涛, 等. 2021年3月24日新疆拜城MS 5.4地震总结[J]. 地震地磁观测与研究, 2021, 42(3): 250-263. |
赵慧琴, 李均良, 张肖, 等. 唐山4.8级地震前易县地震台地应变异常特征[J]. 地震地磁观测与研究, 2015, 36(6): 73-79. |