貴陽臺鉆孔應變觀測干擾情況分析*

李　鵬　馮瓊松　賈　華　師婭芳

1) 貴陽基準地震臺， 貴陽550018 2) 昆明基準地震臺， 昆明650201 3) 云南省地震局， 昆明650224

?

貴陽臺鉆孔應變觀測干擾情況分析*

李鵬1)※馮瓊松2)賈華3)師婭芳1)

1) 貴陽基準地震臺， 貴陽550018 2) 昆明基準地震臺， 昆明650201 3) 云南省地震局， 昆明650224

摘要貴陽臺鉆孔應變已連續(xù)觀測8年， 觀測數(shù)據(jù)準確、 可靠， 內(nèi)精度高， 廣泛應用于地殼形變、 地震預報等科學研究。 正確識別觀測中的正常、 干擾、 異常變化是有效進行預報科研的基礎。 開展前兆觀測數(shù)據(jù)短臨跟蹤分析工作以來， 貴陽臺加強觀測數(shù)據(jù)跟蹤處理， 取得了許多經(jīng)驗， 現(xiàn)將各類觀測曲線干擾圖象進行整理， 以便同行進行學習交流， 更好地做好儀器運維及短臨跟蹤分析工作。

關鍵詞鉆孔應變; 跟蹤分析; 貴陽臺

引言

貴陽臺鉆孔應變觀測始于2007年底， 采用具有自檢功能的YRY-4分量鉆孔應變儀， 能觀測記錄地球固體潮汐變化及地震同震應變波， 有明顯的日變及年變形態(tài)。 儀器配備鉆孔水位、 鉆孔氣壓2項輔助觀測。 儀器安裝以來運轉(zhuǎn)正常， 完整率達99%以上， 自檢內(nèi)精度優(yōu)于0.1， 固體潮內(nèi)精度優(yōu)于0.05， 滿足形變學科觀測規(guī)范要求。 至今儀器已正常運行8年， 取得了許多寶貴的觀測資料。 因此， 有必要對儀器運行情況、 觀測干擾現(xiàn)象及識別處理方法進行分析總結(jié)， 以便對后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、 前兆異常信息識別及短臨跟蹤工作進行指導。

1臺站及儀器基本情況

貴陽臺位于貴陽市烏當區(qū)新添寨高新路北側(cè)， 臺基為三疊紀白云巖、 白云質(zhì)灰?guī)r。鉆孔應變觀測井建于2007年底， 井深47 m， 灰白色中風化白云巖， 套管下至35 m， 儀器探頭安裝于井下39 m巖石較完整處。 使用儀器為具備自檢功能的YRY-4分量式鉆孔應變儀， 分量元件方位(相對地磁南北)： 北南74°， 東西119°， 北東164°， 北西29°。 儀器輸出向負變化為傳感器受壓， 向正變化為傳感器受張。 儀器安裝以來運行穩(wěn)定， 運行率保持在99%以上， 能記錄固體潮汐變化特征， 記震能力強， 觀測數(shù)據(jù)準確、 可靠， 內(nèi)精度高， 面應變較正后相關系數(shù)高達0.99(表1)， 曾獲全國觀測質(zhì)量評比第三名。

2觀測干擾情況

貴陽臺鉆孔應變觀測運行以來受到的干擾因素主要包括氣象、 儀器零漂及老化、 地震以及人為環(huán)境干擾[1-6]。 在儀器運行一段時間后， 各種干擾因素在觀測曲線上均有特定的表現(xiàn)形態(tài)， 只要注意觀察氣象、 環(huán)境變化， 均較易于識別， 并在數(shù)據(jù)預處理中進行正確處理及觀測日志中進行標注。

表1　貴陽臺鉆孔應變觀測內(nèi)精度一覽表

2.1氣象干擾

2.1.1氣壓干擾

大氣壓力變化帶來觀測井孔荷載變化形成干擾[1]， 貴陽臺鉆孔應變一般會產(chǎn)生與氣壓準同步、 呈負相關關系變化的干擾， 各分量干擾程度不一。 2015年1月10日貴陽臺氣壓急劇變化時引起了北南、 東西2個觀測分量與氣壓值反方向的曲線干擾變化， 北東、 北西分量變化則不明顯(圖1的矩形框內(nèi))。 此類型的干擾不需進行預處理， 變化劇烈時可在數(shù)據(jù)跟蹤分析及觀測日志中進行標注說明。 在科學研究中如果需要， 可采用相關分析或線性回歸方法在一定程度上消除其影響。

圖1　典型氣壓干擾分鐘值曲線圖(2015年1月10日)

2.1.2降水干擾

觀測地區(qū)強降雨引起鉆孔內(nèi)水位快速上升， 雨水快速滲透到井孔及其周圍巖石孔隙內(nèi)導致巖體體積膨脹， 地表荷載變化引起觀測曲線干擾[2-3]。 2012年7月12日貴陽地區(qū)普降暴雨， 其中臺站所在地降雨量達45 mm， 鉆孔水位在2 h內(nèi)上升約1100 mm， 引起了鉆孔應變北南、 北東、 北西3個分量上升(受張)， 東西分量下降(受壓)， 與鉆孔水位同步的干擾變化(圖2)。 在數(shù)據(jù)預處理中可做標注， 不需特別處理。

2.1.3刮風干擾

每年春秋季節(jié)大風天氣時， 觀測曲線會出現(xiàn)細小毛刺狀干擾， 此類干擾可能影響北南、 東西分量， 鉆孔水位和鉆孔氣壓， 北東、 北西分量則不明顯。 具體表現(xiàn)為曲線呈細毛刺狀， 曲線形態(tài)及變化趨勢正常[4-5]， 進行數(shù)據(jù)處理后產(chǎn)出的整點值和日均值數(shù)據(jù)平滑， 不影響分析研究(圖3)。

圖2　典型降水干擾分鐘值曲線圖(2012年7月12日)

2.1.4雷電干擾

因臺站建在落雷區(qū)， 雷雨季節(jié)強雷電發(fā)生時因打雷、 交直流電源切換等原因可能引起觀測曲線程度不等的高頻變化或臺階干擾， 嚴重的話還可能擊壞儀器引起錯誤數(shù)據(jù)、 數(shù)據(jù)亂碼、 缺數(shù)等現(xiàn)象[5]。 此類現(xiàn)象需要臺站工作人員加強值班責任， 認真管理儀器及配套隔雷發(fā)電機， 并在雷電天氣時及時關閉交流電， 即可最大程度進行避免。

氣象因素對鉆孔應變觀測造成的干擾常常是幾個因素相伴發(fā)生的， 比如在強對流天氣情況下， 往往氣壓、 降雨和雷電干擾同時發(fā)生， 在實際工作中, 應注意區(qū)別標注， 除伴隨產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)或臺階變化， 不需進行預處理。

2.2儀器干擾

2.2.1調(diào)零干擾

鉆孔應變觀測儀器隨著漂移量的增大， 需適時進行分量調(diào)零操作， 當對某一分量進行調(diào)零時， 因瞬時電流沖擊， 會引起該分量產(chǎn)生曲線變形， 伴隨臺階的干擾變化[4]。 其他分量也可能同時產(chǎn)生幅度不等的類似變化。 圖4為2014年12月1日9時57分技術人員對北東分量進行調(diào)零操作， 4個分量曲線同時出現(xiàn)幅度不等的干擾臺階變化， 可采用去除錯誤數(shù)據(jù)及臺階改正的方法進行預處理。

圖3　典型刮風干擾分鐘值曲線圖(2015年11月6日)

2.2.2儀器零漂及老化(電子元件)干擾

鉆孔應變傳感器安裝時需使用無磁性耦合材料包裹儀器投入井孔內(nèi)部， 安裝初期因材料與圍巖固結(jié)需要一段時間， 故運行初期的數(shù)據(jù)資料精度較低。 待儀器正常運轉(zhuǎn)后因井孔含水層水位變化， 儀器電子元件性能變化， 會產(chǎn)生零漂干擾[6]， 貴陽臺鉆孔應變4個分量觀測數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)向下漂移趨勢變化， 在科學研究中可采用去趨勢數(shù)據(jù)處理方法消除影響。 另外， 隨著儀器運轉(zhuǎn)年限的增長， 某些電子部件靈敏度降低， 因調(diào)零、 雷電或供電問題， 儀器電壓突變后不能及時恢復原狀產(chǎn)生干擾。 貴陽臺鉆孔應變北東分量出現(xiàn)調(diào)零后毛刺現(xiàn)象， 但日變形態(tài)正常， 一般需1～3個月時間逐步恢復正常(圖4北東分量)。

2.3地震干擾

地震干擾是指鉆孔應變觀測曲線上同時記錄到的同震應變波， 與測震儀記錄的地震波形相似， 有明顯的初動、 P波和S波特征。 響應區(qū)域內(nèi)中強以上地震還有可能出現(xiàn)同震記錄的臺階或漸變臺階變化， 有的臺階變化會在一段時間內(nèi)恢復至原點， 有的則不再恢復， 在新的位置繼續(xù)變化。 地震同震波形因具備科研價值， 應保留其原始狀態(tài)， 不需預處理[4]。

2.4城市化建設人類生產(chǎn)生活干擾

我國的地震觀測臺站多為三四十年前建設的， 大多選址在城鎮(zhèn)郊外人煙稀少的邊遠偏僻地區(qū)， 在建設初期， 無疑能滿足地震觀測背景噪聲小、 人為干擾少的基本要求。 但是隨著人口的增長， 城市化的開發(fā)建設， 原來的郊外已日漸繁榮。 再加上道路的修建， 汽車工業(yè)的發(fā)展， 勢必對地震監(jiān)測環(huán)境造成不可避免的干擾。 貴陽臺周圍近年來修建工廠、 住宅小區(qū)， 在鉆孔附近200 m左右范圍內(nèi)進行爆破施工時， 可能引起觀測曲線臺階狀干擾， 此類干擾易于對照分辨并進行預處理消除。 由于臺站周圍環(huán)境噪聲的加大， 也會引起觀測儀器精度下降現(xiàn)象[4]。

圖4　調(diào)零干擾分鐘值曲線預處理前后對比圖(2014年12月1日)

其他還有停電、 儀器損壞、 不明原因臺階、 儀器掉格等干擾， 對于大部分干擾來說， 技術人員在儀器運行穩(wěn)定一段時間后， 注意臺站周圍環(huán)境變化、 供電、 氣象情況等信息， 認真填寫觀測日志， 均較易于識別， 并在預處理中進行消除。 如果同臺有多個形變觀測手段則可利用多組曲線比較， 判定到底是氣象、 儀器、 環(huán)境干擾還是“異?！薄?/p>

3結(jié)語

氣象、 環(huán)境、 儀器及供電等干擾是形變觀測中普遍存在的現(xiàn)象， 干擾往往是幾種因素同時作用于儀器， 影響程度因不同臺站或不同測項程度不一。 正確識別地震監(jiān)測數(shù)據(jù)中的干擾現(xiàn)象， 并科學預處理是地震分析預報的基礎。 開展數(shù)據(jù)跟蹤工作為地震專業(yè)技術人員在日常工作中提供了各種監(jiān)測手段各類現(xiàn)象的分析總結(jié)及交流平臺， 有利于前兆觀測處理技術的大幅度提升。 就一個觀測手段而言， 分清觀測曲線中出現(xiàn)的正常及干擾變化的基本形態(tài)， 才能在剩下的異常表現(xiàn)中識別提練出我們真正需要的“震前異?！?。 如何練就干擾及異常識別的“火眼金睛”， 需要長期監(jiān)測、 預報一線工作的學習和積累， 以及相關專業(yè)技術人員及時的信息溝通。

參 考 文 獻

[1] 徐芳芳， 崔居全， 荊強， 等. 榮成地震臺形變觀測干擾分析. 高原地震， 2015， 27(2)： 58-63

[2] 劉川琴， 隆愛軍， 盧葉嘯， 等. 合肥地震臺鉆孔體應變干擾分析. 地震地磁觀測與研究， 2014， 35(5-6)： 208-212

[3] 段莉莉， 段立新. 鉆孔應變觀測干擾及異常分析. 地震地磁觀測與研究， 2013， 34(3-4)： 122-127

[4] 陳超， 譚剛， 張理， 等. 影響康定地震臺形變觀測數(shù)據(jù)的主要干擾因素 .四川地震， 2014(4)： 22-26

[5] 黃燦， 吳海波， 李海峰， 等. 滎陽地震臺形變觀測干擾的識別. 大地測量與地球動力學， 2013， 33(增)： 91-93

[6] 孫雷， 曾智， 立凱， 等. 連云港地震臺鉆孔應變同震變化觀測資料分析. 地震地磁觀測與研究， 2015， 36(4)： 102-106

中國地震局工程力學研究所2015屆博士論文摘要(Ⅱ)

Interference of borehole strain observation in Guiyang station

Li Peng1), Feng Qiongsong2), Jia Hua3), Shi Yafang1)

1) Guiyang Standard Seismic Station of Guizhou Province， Guiyang 550018， China 2) Kunming Standard Seismic Station of Yunnan Province， Kunming 650201， China 3) Administration Earthquake of Yunnan Province， Kunming 650224， China

AbstractGuiyang seismic station has 8 years of continuous observation of borehole strain observation data, these data is accurate, reliable and in high precision, which can be widely used in crustal deformation and earthquake prediction. It is basic for effective scientific research and prediction to identify normal, interference and abnormal changes correctly in observation. Since tracking analysis of short-term and precursory observation data from Guiyang station carried out, we strengthened observation data processing and analysis. Here we summarized and categorized various interference curves so that to exchange the ideas with the researcher in the same field for the improvement of the equipment operation and maintenance, short-term and temporary tracking analysis.

Keywordsborehole strain； tracking analysis； Guiyang station

中圖分類號：P315.72+5；

文獻標識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.04.009

* 收稿日期：2016-01-15； 采用日期： 2016-03-15。

※通訊作者： 李鵬， e-mail： 294409365@qq.com。