黃山地震臺體應(yīng)變氣壓效應(yīng)分析及修正

李章，李本有，嚴(yán)吉，程文坤，尹天杰，譚笑

(1.安徽省黃山地震臺,安徽 黃山 245011；2.安徽省涇縣地震臺,安徽 涇縣 242500；3.安徽省嘉山地震臺,安徽 明光 239461)

0 引 言

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(shí)也是現(xiàn)代地震前兆觀測手段中不可或缺的技術(shù)力量[1-2]。安徽省經(jīng)過多年的建設(shè)和改造，逐步形成了數(shù)字化體應(yīng)變監(jiān)測網(wǎng)。目前在網(wǎng)運(yùn)行的體應(yīng)變儀器有10余套。通過分析歷年的觀測資料發(fā)現(xiàn)，自然環(huán)境(降雨、氣壓、水位等)的快速變化會導(dǎo)致體應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生畸變，是最常見的干擾因素，給地震前兆異常識別帶來困難。其中氣壓畸變通過與大地耦合所產(chǎn)生的短臨動(dòng)力作用對大地形變的影響，成為地殼表面上最重要的快速加卸載源。本文對黃山地震臺(以下簡稱“黃山臺”)體應(yīng)變和氣壓觀測資料進(jìn)行分析，建立氣壓干擾的數(shù)學(xué)公式，從而排除體應(yīng)變的氣壓干擾。

通過建立體應(yīng)變氣壓效應(yīng)的修正公式，修正前后效果明顯，對觀測數(shù)據(jù)的有效修正有著重要的意義，對干擾識別、捕捉短臨地震異常有一定參考意義。

1 觀測背景及工作原理

黃山臺地處皖南山區(qū)屯溪、休寧盆地，近東西向的休寧斷裂帶和北東向的寧國—績溪斷裂帶從臺址附近通過，臺址巖性為砂巖。鉆孔體應(yīng)變于2009年開始架設(shè)觀測，孔徑130 mm，孔深68.2 m，微風(fēng)化泥巖。臺站應(yīng)變曲線光滑，固體潮清晰，日變規(guī)律較為明顯，具有良好的周期性特征(潮汐因子和相對誤差分別在0.761、0.041 8左右)。體應(yīng)變自觀測以來，能保持較高的運(yùn)行率和數(shù)據(jù)完整率。

鉆孔應(yīng)變儀作為觀測地殼應(yīng)變微小連續(xù)變化的前兆觀測儀器，不僅能清晰記錄到固體潮、地震波、震前異常等重要信息，還能記錄到氣壓、降雨等對地應(yīng)變場的干擾。儀器的工作原理較為簡單，即一個(gè)長圓形的彈性筒內(nèi)，充滿了硅油，當(dāng)它受到四周巖石的擠壓或拉伸時(shí)，筒內(nèi)的液體壓力發(fā)生改變，通過液壓的增大或縮小，即可得知巖石的應(yīng)變狀態(tài)是壓縮還是拉伸。國內(nèi)外的一些專家通過研究發(fā)現(xiàn)，大氣壓的波動(dòng)會對地殼形變產(chǎn)生一定的影響，約為10-9量級[3-5]，因此在分析觀測資料時(shí)很容易將氣壓干擾誤認(rèn)為是短臨異常，掩蓋了觀測值的真實(shí)變化。

2 氣壓效應(yīng)分析方法

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究表明，體應(yīng)變觀測受到多種干擾因素的影響[3-4]，常見的干擾因素按照干擾嚴(yán)重程度排序依次是：自然環(huán)境(降雨、氣壓、水位等)、觀測環(huán)境以及儀器穩(wěn)定性。收集整理黃山臺體應(yīng)變和氣壓觀測資料可知，黃山臺體應(yīng)變有很好的趨勢變化特征和年變變化特征，而其他分量氣壓、水位、氣溫等均只有年變變化特征。氣壓影響體應(yīng)變變化可以分為兩種類型，一種是像固體潮一樣呈現(xiàn)周期性干擾，另一種是無明顯特點(diǎn)的非周期性干擾,其中短周期氣壓擾動(dòng)對體應(yīng)變影響比較顯著。黃山臺體應(yīng)變受氣壓干擾，并呈周期性干擾變化(圖1)。

圖1 典型氣壓干擾曲線

2.1 相關(guān)分析

氣壓通過地面載荷導(dǎo)致巖石孔隙壓發(fā)生變化從而影響體應(yīng)變觀測。具體表現(xiàn)為氣壓變化在鉆孔的垂直方向產(chǎn)生影響，巖體的側(cè)向圍壓在鉆孔的水平方向產(chǎn)生影響。根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識，可以簡單的從理論上建立出大氣壓對體應(yīng)變的影響模型公式[6-7]：

ε=bΔPa

(1)

在這個(gè)公式中：ε為鉆孔體應(yīng)變；b為氣壓影響系數(shù)；ΔPa為大氣壓增量。通過公式分析可知，簡單模型下體應(yīng)變和氣壓呈正相關(guān)性。

另根據(jù)實(shí)際觀測中氣壓對體應(yīng)變的影響特征分析發(fā)現(xiàn)，氣壓在短時(shí)出現(xiàn)顯著大幅擾動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致體應(yīng)變發(fā)生同步擾動(dòng)，而且擾動(dòng)形態(tài)基本一致，擾動(dòng)時(shí)間段基本一致，因此可知二者線性相關(guān)性明顯?；诖?，可以建立氣壓和體應(yīng)變觀測值之間的一元線性回歸方程。

Yt=a+b·Pt

(2)

式中:Yt為體應(yīng)變觀測整點(diǎn)值，Pt為氣壓觀測整點(diǎn)值，b為回歸系數(shù)，a為常數(shù)項(xiàng)。經(jīng)相關(guān)計(jì)算得到,a=-23 044.50，b=5.06，相關(guān)系數(shù)R=0.96。

綜合簡單理論模型和一元線性回歸計(jì)算結(jié)果，可得氣壓和體應(yīng)變二者高度正相關(guān)。

2.2 別爾采夫?yàn)V波分析

別爾采夫?yàn)V波是一種比較簡單方便去除潮汐成分的方法，選取黃山臺2018年以來整點(diǎn)值觀測數(shù)據(jù)，利用別爾采夫?yàn)V波法去除體應(yīng)變的固體潮和氣壓的短期變化影響。

設(shè)一組等時(shí)間序列y(t)=y1+y2+y3+y4+…yi，公式如下：

(3)

(4)

3 氣壓干擾修正

由上述分析可知，體應(yīng)變在觀測中會受到多種干擾因素的影響，因此為探究氣壓因素對體應(yīng)變觀測影響，可將其他所有非氣壓因素歸為一類。當(dāng)體應(yīng)變與氣壓出現(xiàn)同步擾動(dòng)時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)體應(yīng)變主要受氣壓影響，而非氣壓因素忽略不計(jì)。

3.1 長周期氣壓影響消除

長周期性氣壓和體應(yīng)變曲線，在相位上較同步，分析二者相關(guān)性：

Yt=a+b·Pt

(5)

Yt為體應(yīng)變觀測值，Pt為氣壓觀測值，a，b為回歸數(shù)值。代入體應(yīng)變和氣壓觀測值，即可求得回歸值a，b。再將a，b以及氣壓Pt代回方程中，即可得到一條曲線Y’t，將其從體應(yīng)變觀測值中減去，氣壓干擾就被去除。Yt-Y’t即為體應(yīng)變消除長周期氣壓干擾的殘差值。

選取黃山臺2017年7月體應(yīng)變和氣壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，二者的原始數(shù)據(jù)曲線分別為圖2a、b。經(jīng)過別爾采夫?yàn)V波后的體應(yīng)變和氣壓分別為圖3a、b，消除氣壓干擾后的體應(yīng)變?yōu)閳D3c。

圖2 體應(yīng)變和氣壓原始曲線

圖3 體應(yīng)變消除氣壓(長周期)干擾

3.2 短周期氣壓影響消除

短周期氣壓對體應(yīng)變影響較大，同時(shí)固體潮汐也影響體應(yīng)變?nèi)兆?，這里只考慮短時(shí)氣壓干擾。P(t+Δt)為氣壓，Δt為干擾延時(shí)，假設(shè)P(t+Δt)=Pt+Δt·P’t，則有：

Yt=a+b·P(t+Δt)，

Yt=a+ b·(Pt+Δt×P’t)

(6)

帶入數(shù)據(jù)，即可求得a，b，再將a，b以及氣壓Pt帶回方程中，即可得到Y(jié)’t，將其從體應(yīng)變觀測值中減去，得到殘差值，即短期氣壓干擾就被去除。

選取黃山臺2020年7月19日至20日體應(yīng)變和氣壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，二者的原始數(shù)據(jù)曲線為圖4a、b。經(jīng)過別爾采夫?yàn)V波后的體應(yīng)變和氣壓分別為圖5a、b，消除氣壓干擾后的體應(yīng)變?yōu)閳D5c。

圖4 體應(yīng)變和氣壓原始曲線

圖5 體應(yīng)變消除氣壓(短周期)干擾

綜合上述，可以看出，經(jīng)過數(shù)學(xué)改正后，典型氣壓干擾得以修正，同步擾動(dòng)幅度明顯減弱甚至消失，曲線形態(tài)顯著變化。

4 結(jié) 論

體應(yīng)變儀的探頭埋于地下一定程度上減小了地表干擾，但由于孔井地質(zhì)條件，如鉆孔巖層裂隙較大、穿過破碎帶、氣壓等因素都會對體應(yīng)變儀觀測造成復(fù)雜的影響。對觀測數(shù)據(jù)的有效修正有著重要的意義，對干擾識別、捕捉短臨地震異常有一定參考意義。通過對黃山臺歷年觀測資料分析可得結(jié)論如下：

(1)黃山臺位于皖南山區(qū)，且?guī)r性為砂巖，體應(yīng)變隨氣壓波動(dòng)而波動(dòng)，相互間變化形態(tài)基本一致。通過計(jì)算，二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上，呈高度正相關(guān)，黃山臺體應(yīng)變受氣壓干擾嚴(yán)重。

(2)通過建立體應(yīng)變氣壓效應(yīng)的修正公式，分別對長周期氣壓干擾和短周期氣壓干擾進(jìn)行修正，修正前后效果明顯，同步擾動(dòng)幅度明顯減弱甚至消失，曲線形態(tài)更加光滑，說明干擾修正效果顯著。