2023, Vol. 44
表1(Table 1)
2) 中国山西 030025 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站
2) National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan, Shanxi Province 030025, China
钻孔应变观测能够记录地壳应变状态的连续变化信息，是研究地壳应力应变状态的重要手段。“十五”期间，我国四分量钻孔应变观测技术得到快速发展和应用，在可靠性分析、干扰特征识别、前兆异常提取等方面均进行了有益探索。相关研究有：邱泽华（2010）总结识别地震前兆异常的3个自然判据分别为有正常背景、非干扰影响和与地震相关，非地震相关干扰因素的识别和剔除是前兆异常判定的基础；李鹏等（2016）就气象、环境、仪器及供电等，分析了贵阳地震台四分量钻孔应变观测干扰特征；宋俊朋等（2019）对襄樊地震台YRY-4钻孔应变仪近10年的运行情况和干扰因素进行了讨论；祁蒙等（2020）基于观测环境、观测系统和场地环境等因素，对徐州地震台四分量钻孔应变仪观测数据进行核实；彭登靖（2022）对昭通站四分量钻孔应变仪2007年以来的观测情况和干扰特征进行了分析。
以上研究主要涉及单台四分量钻孔应变观测数据干扰核实及分析，对于四分量钻孔应变观测台阵典型干扰特征的系统研究相对匮乏。本文选取山西忻州地区5套四分量钻孔应变仪组成的观测台阵记录数据，对钻孔应变仪运行中的典型干扰因素及其特征进行系统分析，以便为干扰识别及排除、前兆异常判定及地震分析预报提供参考。
1 观测概况2012年以来，山西忻州地区在神池、代县、原平、宁武、繁峙等地陆续架设完成5套YRY-4分量钻孔应变仪，均为“十五”数字化观测系统，主要由井下测量和地面观测2部分组成，其中井下测量部分包括主测项探头、辅助测项探头等，地面观测部分包括太阳能供电、防雷隔离电源、数据采集器、CDMA无线数据传输等。该观测系统应变分辨力优于1×10-9，数据采集器（下文简称数采）采样率为1次/min。5个测点空间分布见图 1。
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图 1 测点分布 Fig.1 Distribution of measuring points |
山西忻州地区5个应变测点多选择在山地与山间盆地之间的基岩区域，出露基岩为花岗岩、花岗片麻岩或石灰岩。各测点所处构造位置、基岩岩性及钻孔参数见表 1。
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表 1 测点及仪器概况 Table 1 Overview of measuring points and instruments |
在地球物理场观测中，非地震相关干扰的识别与剔除是地震地球物理异常判定的前提。钻孔应变观测系统主要干扰因素有观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰等，基于各类干扰因素特征，分析山西忻州地区5套四分量钻孔应变仪自运行以来的观测资料，以剔除干扰，识别地震地球物理异常。
2.1 观测系统干扰观测系统干扰主要有供电故障、数采故障、探头故障3类。此外，在仪器安装初期，尚处于不稳定的调整阶段，各分量应变受压漂移，固体潮通常不明显。
2.1.1 供电故障忻州地区四分量钻孔应变仪均采用太阳能+蓄电池组成的供电系统，因此供电故障主要发生在太阳能或蓄电池模块。以宁武四分量钻孔应变仪为例，2017年6月23日20:40—25日11:00，该测点太阳能转换器出现故障，蓄电池电量不足导致数据断记，恢复供电后数采重启，因电压不稳造成数据漂移，28日恢复正常（图 2）。
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图 2 宁武四分量钻孔应变仪2017年6月23日—25日供电故障干扰曲线 Fig.2 Power supply fault interference curve of Ningwu YRY-4 from June 23 to 25, 2017 |
此类故障主要包括数采死机、参数错误、元件损坏等，其中数采死机发生频率最高。5套四分量钻孔应变仪均存在数采死机现象，雷电是造成该现象的主要原因之一。数采死机会导致缺数，通常在仪器主页执行复位操作后恢复正常。以代县四分量钻孔应变仪为例，2021年4月19日22:01—23:48，该测点数采出现死机现象，观测曲线见图 3(a)—(d)；若复位无效，则需断电重启数采，其数据曲线形态类似于图 2。参数错误和元件损坏通常会使数采无法工作而导致缺数，需及时进行参数重置和元件修复。
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图 3 四分量钻孔应变仪数采死机故障和水位探头故障干扰曲线 (a)—(d)2021年4月19日—20日代县数采死机；(e)—(i)2021年9月20日繁峙水位探头故障 Fig.3 Interference curve of data acquisition crash and water level probe fault of YRY-4 |
此类故障主要包括主测项和辅助测项的探头发生故障。忻州地区5套四分量钻孔应变仪主测项探头运行稳定，无故障发生，辅助测项探头故障也较少发生。以繁峙四分量钻孔应变仪为例，2021年9月20日17:00开始，该测点水位测项数据连续突跳，主测项各分量同步发生变化，见图 3(e)—(i)。经现场核实，辅助测项水位探头内部线路虚接，导致数采频繁受到电信号扰动，引起数据变化，判断钻孔应变各分量变化为水位探头故障所致，26日更换水位探头后，观测数据恢复正常。
2.2 自然环境干扰自然环境干扰因素主要有降雨、气压突变、刮风、雷电等，同属气象影响因素。
2.2.1 降雨干扰降雨对钻孔应变的影响主要分为2类：①短时强降雨引起地表荷载变化，钻孔应变观测曲线表现为快速上升或下降变化，降雨结束后恢复正常；②雨季连续降雨期间，雨水不断渗入岩体孔隙，导致孔隙压力增加，水位上升，钻孔围岩应变状态改变，在钻孔应变观测曲线表现为持续上升或下降变化，但响应显著滞后（彭登靖等，2022）。
分析发现，短时强降雨对各测点的影响不大且易识别，而连续降雨则会产生不同程度的影响，且干扰特征相似，文中主要针对连续降雨引起的趋势变化进行分析。据调查，代县测点受连续降雨影响显著，在雨季，受连续降雨影响，该测点钻孔应变各分量数据曲线表现为持续上升或下降状态，甚至呈破年变趋势变化（图 4），可能与测点所处地理位置、井孔地质条件有关。代县测点位于靠近山谷的平台上，岩芯钻孔揭露情况显示，地表覆盖层较厚，主要为第四系沉积物和强风化破碎岩石，且邻近山体的部分岩石存在裂隙，连续降雨时，雨水不断渗入地表覆盖层和山体裂隙，造成地下水位上升，引起钻孔应变数据发生变化。原平、宁武、繁峙、神池测点地表覆盖层相对较薄，且围岩裂隙较少，雨水渗透缓慢，水位上升缓慢，因此受连续降雨的影响较弱。
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图 4 代县四分量钻孔应变仪2016年1月—2022年10月降雨干扰曲线 Fig.4 Rainfall interference curve of Daixian YRY-4 from January 2016 to October 2022 |
气压对四分量钻孔应变观测的影响具有普遍性，气压波动同时作用于地壳表面和井孔水面上，导致岩石孔隙压力变化，进而改变钻孔围岩的应变状态，使钻孔应变观测曲线发生畸变。气压波动可分为周期性和非周期性变化，通常非周期性短时扰动影响更为显著。
考虑到多数测点缺少气象三要素测项，因此采用辅助测项钻孔气压数据进行计算。将钻孔应变日均值数据进行去趋势处理，对面应变与气压的日均值差分数据进行回归分析，以回归系数作为干扰系数，结果见表 2。由表 2可见，各测点钻孔应变数据与气压数据存在较好的负相关关系，其中代县、原平、宁武、繁峙、神池3年平均干扰系数分别为-2.7 ns/hPa、-3.0 ns/hPa、-1.4 ns/hPa、-2.3 ns/hPa、-69.5 ns/hPa，各测点日变化气压干扰系数有明显差别，其中神池测点受气压影响程度最高。据张凌空等（2011）的研究，钻孔应变气压干扰系数随岩石弹性模量和钻孔深度的增加而减小。神池测点基岩岩性为石灰岩，其弹性模量小于花岗岩类基岩，且该测点钻孔深度小于其他测点（表 1），此为该测点受气压显著影响的主要因素。图 5(a)—(e)给出代县测点2021年6月1日气压干扰观测曲线，可见钻孔应变观测数据随着气压突变出现快速响应变化，表明非周期性短时扰动影响更为显著。
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表 2 各测点四分量钻孔应变气压干扰系数 Table 2 Air pressure interference coefficient of four component borehole strain at each measuring point |
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图 5 四分量钻孔应变仪气压、雷电、大风干扰曲线 (a)—(e)代县气压干扰；(f)—(i)代县雷电干扰；(j)—(o)神池大风干扰 Fig.5 Air pressure, lightning, and gale interference curves of YRY-4 |
雷电对四分量钻孔应变观测数据的干扰主要体现在对仪器电路的感应。雷电天气时，钻孔应变观测数据曲线易发生畸变，有时出现大的台阶和突跳干扰，严重时会导致仪器被雷击损坏，造成数据缺测。通常雷电强度越大，观测数据受雷电干扰程度越高。通过对5套仪器观测资料进行分析，发现雷电干扰一般导致观测曲线出现突跳、畸变，雷击致仪器故障事件较少见。文中给出代县四分量钻孔应变仪2018年5月4日雷电干扰曲线，见图 5 (f)—(i)。
2.2.4 大风干扰大风对钻孔应变的影响具有显著季节性特征，常见于春季和秋季，大风导致局部气压发生变化，从而使得钻孔应变观测数据发生变化，在观测曲线上通常表现为细小毛刺或抖动突跳。文中给出神池四分量钻孔应变仪2022年4月6日大风干扰观测曲线，见图 5(j)—(o)。
2.3 场地环境干扰四分量钻孔应变仪具有高分辨力特点，对场地环境变化的响应灵敏，若在井孔附近进行机械施工，将对观测数据造成一定影响，给数据识别和应用带来困扰。因此，巡视和维护场地环境是地震地球物理监测任务的重要组成部分。
受场地环境影响比较典型的测点是原平钻孔应变观测站。2019年5月—2020年9月，原平钻孔应变观测曲线几乎每日出现小幅度突跳或畸变，曲线形态示例见图 6。经现场核查，2019年5月—2020年4月，该测点附近度假村施工，每日数据变化时段与大型挖掘机施工作业时间相对应；2020年4—9月，该测点北侧约1 km处的山西铝业集团灰渣堆场作业，每日数据变化时段对应挖掘机灰渣堆放作业。异常核实结果表明，大型挖掘机的施工振动和灰渣堆积引起的地表载荷变化，是导致2个阶段出现数据变化的主要原因。
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图 6 原平四分量钻孔应变仪2019年5月15日场地施工干扰曲线 Fig.6 Interference curve of site construction of Yuanping YRY-4 on May 15, 2019 |
若四分量钻孔应变仪维修或配件更换，则需进行仪器调试工作。调试仪器通常会造成数据断续缺失或飘移现象（图 7），预处理时需将飘移数据进行缺数处理，并在观测日志中进行备注。
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图 7 宁武四分量钻孔应变仪2018年11月29日调试仪器干扰曲线 Fig.7 Interference curve of commissioning instrument of Ningwu YRY-4 on November 29, 2018 |
忻州地区5个钻孔应变测点选址多在偏僻山区，建设初期人烟稀少，干扰源较少，后期随着民居、景点等的开发建设，干扰源不断增多。除上文中提及的典型干扰外，钻孔应变还受到线路虚接、降雪等短时干扰影响（图 8）。若在实际观测过程中出现此类干扰，应注意通过监控或实地巡检方式收集测点附近环境变化、气象情况等信息，也可通过多手段对照分析，进行综合辨别和剔除。
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图 8 其他短时干扰曲线 Fig.8 Other short-term interference curves |
山西忻州地区5套四分量钻孔应变仪自观测以来，对全球7.0级及以上地震以及国内5.0级及以上地震有较好的同震响应，地震记录清晰、完整，各分量在观测曲线上表现为同步阶跃变化，通常阶跃幅度取决于地震震级和震中距的大小。以宁武四分量钻孔应变仪为例，在2020年2月13日和2021年5月21日分别记录到千岛群岛MS 7.0地震和云南大理州漾濞县MS 6.4地震，其同震响应波形见图 9。
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图 9 宁武四分量钻孔应变仪地震记录曲线 Fig.9 Co-seismic record curve of Ningwu YRY-4 |
对四分量钻孔应变观测曲线异常变化进行及时跟踪和落实，不断总结典型干扰因素特征，对于地震地球物理异常判定具有重要意义。本文通过对山西忻州地区5套四分量钻孔应变仪自运行以来的观测资料进行分析，得出以下认识：
（1）影响钻孔应变观测资料的典型干扰因素有：供电、数采或探头故障，自然环境变化，场地施工，人为调试仪器，线路虚接等，最为显著和普遍的是自然环境变化，包括降雨（雪）、气压、大风、雷电等因素。
（2）短时强降雨对各测点钻孔应变影响不大且易识别；连续降雨对各测点均会产生不同程度的影响，且降雨干扰特征相似，各分量观测曲线呈持续上升、下降状态，表明雨水的不断下渗引起了地下水位上升和钻孔围岩应变状态的改变。
（3）在长趋势上，气压对钻孔应变观测的影响具有普遍性，但对不同测点的影响具有差异性，通常二者间存在负相关关系。在短趋势内，气压的非周期性短时扰动影响显著，钻孔应变观测曲线随着气压突变出现快速响应变化。
（4）场地环境施工通常会造成地表载荷变化，进而导致钻孔应变数据发生畸变，数据变化与施工时间段基本一致。
论文撰写过程中得到郭宝仁工程师的支持和帮助，审稿专家的修改意见使论文更加完善，在此一并致以由衷的谢意！
李鹏, 冯琼松, 贾华, 等. 贵阳台钻孔应变观测干扰情况分析[J]. 国际地震动态, 2016(4): 33-38. |
彭登靖. 昭通地震中心站YRY-4钻孔应变仪观测数据干扰分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2022, 43(4): 106-114. |
彭登靖, 马敏伟, 秦波, 等. 降雨变化对昭通中心站YRY-4钻孔应变仪的影响分析[J]. 地震科学进展, 2022, 52(9): 414-419. |
祁蒙, 吴继炜, 张岑, 等. 徐州地震台2016年11月—2017年YRY-4分量钻孔应变仪异常核实[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(5): 83-89. |
邱泽华. 关于地震前兆的判据问题[J]. 大地测量与地球动力学, 2010, 30(Z2): 1-5. |
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. |
张凌空, 王广才, 牛安福. 周期气压波对地壳应变场观测影响的若干因素分析[J]. 地震学报, 2011, 33(3): 351-361. |