茅遠(yuǎn)哲，張國苓，董 博 ,2，喬子云，馬 棟，曹 筠

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2. 河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050021)

鉆孔體應(yīng)變觀測是地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其變化規(guī)律的重要研究手段，同時也是現(xiàn)代地震前兆觀測手段中不可或缺的技術(shù)力量 (李海亮等，2010；蘇愷之，2003)。已取得的形變觀測手段受大氣干擾因素的頻譜機(jī)制研究成果表明：相對于地表形變觀測手段，鉆孔應(yīng)變觀測雖然從一定程度上減弱了大氣壓強(qiáng)影響(馬棟，2011)，但其仍是對鉆孔應(yīng)變觀測結(jié)果造成影響的常見且明顯干擾因素之一(茅遠(yuǎn)哲等，2016)。為進(jìn)一步對此問題進(jìn)行研究，本文選取易縣臺兩套體積式鉆孔應(yīng)變儀觀測結(jié)果中受到氣壓干擾的部分分鐘值資料作為研究對象，利用小波分析法對主測項與輔助鉆孔氣壓測項資料進(jìn)行同期分析，計算體應(yīng)變主測項與氣壓測項在各個頻段上的小階數(shù)據(jù)結(jié)果，對比TJ-Ⅱ型與TJ-Ⅰ型體應(yīng)變儀受短時氣壓干擾下的頻譜響應(yīng)特征，分析兩套體應(yīng)變觀測手段識別短時氣壓干擾的能力。

1 測點環(huán)境與觀測儀器

河北省地震局易縣地震臺地處太行山隆起帶與華北平原拗陷區(qū)的分界部位，位于太行山北段低山丘陵地區(qū)的紫荊關(guān)斷裂帶東側(cè)，臺站地理位置及周邊斷裂分布如圖1所示。2014年臺站完成TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀安裝，并與原有TJ-Ⅰ型體應(yīng)變儀并行至2015年12月。體應(yīng)變鉆孔選址于易縣臺站院內(nèi)中部的空曠區(qū)域，其中TJ-Ⅰ型體應(yīng)變井深70.3 m，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變井深90 m，兩井相距10 m，均采用市電和UPS電源供電。TJ-Ⅱ型鉆孔體積式應(yīng)變儀相對于TJ-I型具有如下優(yōu)勢：1)具有更高的靈敏度和分辨率，理論上可以捕捉到更為微小的細(xì)節(jié)變化信息，能夠記錄到更高頻率的數(shù)據(jù)信息；2)量程擴(kuò)大1倍以上，對于觀測儀器采集的數(shù)據(jù)寬度有了明顯的提升；3)為了在遭受雷擊等情況下造成傳感器損壞后井下儀器還能繼續(xù)工作，TJ-Ⅱ型在儀器內(nèi)部加裝了一個性能完全一致的備用傳感器，進(jìn)一步提高儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的連續(xù)率。

圖1 易縣地震臺地理位置及周邊斷裂示意

2 資料選取與研究方法

以易縣地震臺并行的兩套鉆孔體積式應(yīng)變儀數(shù)字觀測資料為基礎(chǔ)，整理出儀器在2015年3月1日至12月31日共10個月的數(shù)字觀測分鐘值資料，挑取出其中2次分別受到高氣壓與低氣壓明顯影響事件(分別為2015年8月17日和9月8日)，選取兩個測點全天分鐘值觀測資料作為分析對象。短時氣壓波動過程，即持續(xù)時間一般在數(shù)分鐘、數(shù)十分鐘以至數(shù)小時。目前分析氣壓對體應(yīng)變的影響較為常用的方法是小波變換。小波變換主要是從不同頻段將數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，進(jìn)一步分離和識別高頻和低頻信息(喬子云等，2000),將其應(yīng)用于主測項與輔助氣壓測項數(shù)據(jù)，提取出主測項與氣壓測項在各頻段中同步變化且形態(tài)特征一致的部分，即氣壓干擾“響應(yīng)”頻段，進(jìn)一步對比分析兩套體應(yīng)變儀對氣壓變化的響應(yīng)頻段特征。

3 頻譜對比分析

氣壓干擾能夠在一定程度上掩蓋地殼形變的真實變化，因此識別與排除體應(yīng)變觀測中的氣壓干擾非常重要(喬子云等,2000)。根據(jù)對潮汐形變觀測受干擾情況的初步分析，氣壓干擾對潮汐形變觀測的影響主要為觀測系統(tǒng)受到高氣壓與低氣壓環(huán)境控制下產(chǎn)生的變化，所以本文將干擾體應(yīng)變觀測的氣壓變化類型分為兩類：高壓環(huán)境干擾與低壓環(huán)境干擾(孫伶俐等,2014)。

3.1 高氣壓對體應(yīng)變的干擾

高氣壓控制的區(qū)域其中心地帶氣壓較高，氣流呈輻散狀態(tài)向周圍方向運動，受控中心區(qū)域下沉氣流占主要優(yōu)勢。此時響應(yīng)形態(tài)在觀測曲線上的反映特征多為密切震顫狀，結(jié)合微觀反應(yīng)考慮，很可能是由于地表氣壓波動會造成區(qū)域負(fù)荷發(fā)生變化，同理儀器所在鉆孔水面負(fù)荷發(fā)生增減導(dǎo)致。根據(jù)中國地震前兆臺網(wǎng)處理系統(tǒng)記錄顯示，易縣臺兩套體應(yīng)變觀測曲線均于2015年9月8日20～23時出現(xiàn)畸變(如圖2)。觀測系統(tǒng)所在地區(qū)畸變時段內(nèi)未發(fā)生水位與溫度的明顯變化，鉆孔氣壓觀測曲線出現(xiàn)與主測項變化形態(tài)接近的震顫?；冃螒B(tài)在分鐘值觀測曲線上呈震顫狀，與上述特征相符，推斷主測項曲線畸變主要是由高氣壓干擾類型引起的。

3.2 低氣壓對體應(yīng)變的干擾

低氣壓時區(qū)域中地面中心附近的氣壓相對低，受控區(qū)域的中心盛行上升氣流，由于空氣上升運動導(dǎo)致此類情況通常伴隨著降水發(fā)生，此時潮汐曲線的形態(tài)多為起伏抖動狀。后者是氣流受洞腔內(nèi)空氣振蕩發(fā)生擾動，導(dǎo)致潮汐觀測上出現(xiàn)抖動響應(yīng)。根據(jù)中國地震前兆臺網(wǎng)處理系統(tǒng)中記錄到的易縣臺兩套體應(yīng)變觀測曲線均在2015年08月17日16時至20時出現(xiàn)畸變，且記錄到該時段中出現(xiàn)少量降雨，與低氣壓環(huán)境背景條件相符合，畸變在觀測曲線上呈起伏抖動狀形態(tài)，測點附近在畸變時段內(nèi)未出現(xiàn)明顯溫度變化，且與水位變化無相關(guān)性，鉆孔氣壓觀測曲線出現(xiàn)相近的抖動變化。推斷主測項觀測曲線發(fā)生畸變是由低氣壓干擾引起，如圖3所示。

圖3 2015年8月17日易縣臺TJ-Ⅰ和Ⅱ型體應(yīng)變及輔助測項預(yù)處理分鐘值曲線

3.3 從高階部分對比兩套體應(yīng)變頻段特征

現(xiàn)有研究表明，短時氣壓干擾對體應(yīng)變觀測的響應(yīng)頻段主要出現(xiàn)在6階(32～128 min)部分(孫伶俐等,2014)，且該頻段包括更多細(xì)節(jié)信息，因此對兩套體應(yīng)變的主測項與輔助鉆孔氣壓觀測在高階范圍(64～128 min)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行同軸對比，對比分析兩套觀測系統(tǒng)對氣壓干擾的響應(yīng)頻譜特征。(1)對于高氣壓干擾，兩套體應(yīng)變主輔觀測小波6階如圖4所示，進(jìn)一步計算，得到TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變觀測主測項與輔助氣壓測項的觀測數(shù)據(jù)小波6階的相關(guān)系數(shù)分別為0.93與0.94。這表明TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變響應(yīng)能力相近，均可以顯示出體應(yīng)變觀測值與鉆孔氣壓之間具有較高的相關(guān)性，對兩種型號的體應(yīng)變采用小波方法得出的解析結(jié)果均易進(jìn)行高氣壓干擾的頻譜識別。(2)對于低氣壓干擾，兩套體應(yīng)變主輔觀測小波6階如圖5所示，進(jìn)一步計算，得到TJ-Ⅰ與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變主測項與輔助氣壓測項觀測分鐘值小波6階數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.89與0.93。結(jié)合觀測曲線觀察，TJ-Ⅱ型較TJ-Ⅰ型體應(yīng)變在6階上的主測項與氣壓測項數(shù)據(jù)變化顯示出了更好的同步性，且具有更好的相關(guān)性。說明對于此類呈抖動形態(tài)的低氣壓干擾畸變，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變在小波高階細(xì)節(jié)上的體現(xiàn)比TJ-Ⅰ型體應(yīng)變更加靈敏，更清楚地顯示了體應(yīng)變觀測值與鉆孔氣壓觀測值的相關(guān)性，且在高階頻段上更易于識別該種氣壓干擾。

圖4 易縣臺2015年9月8日高氣壓干擾

圖5 易縣臺2015年8月17日低氣壓干擾

4 結(jié)論

利用小波分析法處理易縣地震臺體應(yīng)變觀測與鉆孔氣壓觀測分鐘值數(shù)據(jù)，對觀測中常見的受高氣壓環(huán)境干擾與低氣壓環(huán)境干擾情況分別進(jìn)行了相關(guān)分析，得出以下結(jié)論：(1)TJ-Ⅰ型與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變觀測主測項時序曲線均能響應(yīng)短時氣壓干擾變化且時間較為同步，兩套觀測曲線變化形態(tài)較一致。(2)在高氣壓下，TJ-Ⅰ型與TJ-Ⅱ型體應(yīng)變的主測項與氣壓測項在高頻6階細(xì)節(jié)上的相關(guān)系數(shù)接近，說明對于此類呈顫動形態(tài)的高氣壓干擾畸變，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變在小波解析細(xì)節(jié)上與TJ-Ⅰ型體應(yīng)變響應(yīng)能力相近；在低氣壓下，TJ-Ⅱ型體應(yīng)變主測項與其鉆孔氣壓測項在高頻6階曲線上的變化一致性較TJ-Ⅰ型變化形態(tài)更加同步且更為靈敏，具有更高的相關(guān)系數(shù)，說明TJ-Ⅱ型體應(yīng)變觀測更易于識別低氣壓干擾。