贵阳台钻孔应变观测干扰情况分析*

李　鹏　冯琼松　贾　华　师娅芳

1) 贵阳基准地震台， 贵阳550018 2) 昆明基准地震台， 昆明650201 3) 云南省地震局， 昆明650224



贵阳台钻孔应变观测干扰情况分析*

李鹏1)※冯琼松2)贾华3)师娅芳1)

1) 贵阳基准地震台， 贵阳550018 2) 昆明基准地震台， 昆明650201 3) 云南省地震局， 昆明650224

摘要贵阳台钻孔应变已连续观测8年， 观测数据准确、 可靠， 内精度高， 广泛应用于地壳形变、 地震预报等科学研究。 正确识别观测中的正常、 干扰、 异常变化是有效进行预报科研的基础。 开展前兆观测数据短临跟踪分析工作以来， 贵阳台加强观测数据跟踪处理， 取得了许多经验， 现将各类观测曲线干扰图象进行整理， 以便同行进行学习交流， 更好地做好仪器运维及短临跟踪分析工作。

关键词钻孔应变; 跟踪分析; 贵阳台

引言

贵阳台钻孔应变观测始于2007年底， 采用具有自检功能的YRY-4分量钻孔应变仪， 能观测记录地球固体潮汐变化及地震同震应变波， 有明显的日变及年变形态。 仪器配备钻孔水位、 钻孔气压2项辅助观测。 仪器安装以来运转正常， 完整率达99%以上， 自检内精度优于0.1， 固体潮内精度优于0.05， 满足形变学科观测规范要求。 至今仪器已正常运行8年， 取得了许多宝贵的观测资料。 因此， 有必要对仪器运行情况、 观测干扰现象及识别处理方法进行分析总结， 以便对后续的数据处理、 前兆异常信息识别及短临跟踪工作进行指导。

1台站及仪器基本情况

贵阳台位于贵阳市乌当区新添寨高新路北侧， 台基为三叠纪白云岩、 白云质灰岩。钻孔应变观测井建于2007年底， 井深47 m， 灰白色中风化白云岩， 套管下至35 m， 仪器探头安装于井下39 m岩石较完整处。 使用仪器为具备自检功能的YRY-4分量式钻孔应变仪， 分量元件方位(相对地磁南北)： 北南74°， 东西119°， 北东164°， 北西29°。 仪器输出向负变化为传感器受压， 向正变化为传感器受张。 仪器安装以来运行稳定， 运行率保持在99%以上， 能记录固体潮汐变化特征， 记震能力强， 观测数据准确、 可靠， 内精度高， 面应变较正后相关系数高达0.99(表1)， 曾获全国观测质量评比第三名。

2观测干扰情况

贵阳台钻孔应变观测运行以来受到的干扰因素主要包括气象、 仪器零漂及老化、 地震以及人为环境干扰[1-6]。 在仪器运行一段时间后， 各种干扰因素在观测曲线上均有特定的表现形态， 只要注意观察气象、 环境变化， 均较易于识别， 并在数据预处理中进行正确处理及观测日志中进行标注。

表1　贵阳台钻孔应变观测内精度一览表

2.1气象干扰

2.1.1气压干扰

大气压力变化带来观测井孔荷载变化形成干扰[1]， 贵阳台钻孔应变一般会产生与气压准同步、 呈负相关关系变化的干扰， 各分量干扰程度不一。 2015年1月10日贵阳台气压急剧变化时引起了北南、 东西2个观测分量与气压值反方向的曲线干扰变化， 北东、 北西分量变化则不明显(图1的矩形框内)。 此类型的干扰不需进行预处理， 变化剧烈时可在数据跟踪分析及观测日志中进行标注说明。 在科学研究中如果需要， 可采用相关分析或线性回归方法在一定程度上消除其影响。

图1　典型气压干扰分钟值曲线图(2015年1月10日)

2.1.2降水干扰

观测地区强降雨引起钻孔内水位快速上升， 雨水快速渗透到井孔及其周围岩石孔隙内导致岩体体积膨胀， 地表荷载变化引起观测曲线干扰[2-3]。 2012年7月12日贵阳地区普降暴雨， 其中台站所在地降雨量达45 mm， 钻孔水位在2 h内上升约1100 mm， 引起了钻孔应变北南、 北东、 北西3个分量上升(受张)， 东西分量下降(受压)， 与钻孔水位同步的干扰变化(图2)。 在数据预处理中可做标注， 不需特别处理。

2.1.3刮风干扰

每年春秋季节大风天气时， 观测曲线会出现细小毛刺状干扰， 此类干扰可能影响北南、 东西分量， 钻孔水位和钻孔气压， 北东、 北西分量则不明显。 具体表现为曲线呈细毛刺状， 曲线形态及变化趋势正常[4-5]， 进行数据处理后产出的整点值和日均值数据平滑， 不影响分析研究(图3)。

图2　典型降水干扰分钟值曲线图(2012年7月12日)

2.1.4雷电干扰

因台站建在落雷区， 雷雨季节强雷电发生时因打雷、 交直流电源切换等原因可能引起观测曲线程度不等的高频变化或台阶干扰， 严重的话还可能击坏仪器引起错误数据、 数据乱码、 缺数等现象[5]。 此类现象需要台站工作人员加强值班责任， 认真管理仪器及配套隔雷发电机， 并在雷电天气时及时关闭交流电， 即可最大程度进行避免。

气象因素对钻孔应变观测造成的干扰常常是几个因素相伴发生的， 比如在强对流天气情况下， 往往气压、 降雨和雷电干扰同时发生， 在实际工作中, 应注意区别标注， 除伴随产生的错误数据或台阶变化， 不需进行预处理。

2.2仪器干扰

2.2.1调零干扰

钻孔应变观测仪器随着漂移量的增大， 需适时进行分量调零操作， 当对某一分量进行调零时， 因瞬时电流冲击， 会引起该分量产生曲线变形， 伴随台阶的干扰变化[4]。 其他分量也可能同时产生幅度不等的类似变化。 图4为2014年12月1日9时57分技术人员对北东分量进行调零操作， 4个分量曲线同时出现幅度不等的干扰台阶变化， 可采用去除错误数据及台阶改正的方法进行预处理。

图3　典型刮风干扰分钟值曲线图(2015年11月6日)

2.2.2仪器零漂及老化(电子元件)干扰

钻孔应变传感器安装时需使用无磁性耦合材料包裹仪器投入井孔内部， 安装初期因材料与围岩固结需要一段时间， 故运行初期的数据资料精度较低。 待仪器正常运转后因井孔含水层水位变化， 仪器电子元件性能变化， 会产生零漂干扰[6]， 贵阳台钻孔应变4个分量观测数据均呈现向下漂移趋势变化， 在科学研究中可采用去趋势数据处理方法消除影响。 另外， 随着仪器运转年限的增长， 某些电子部件灵敏度降低， 因调零、 雷电或供电问题， 仪器电压突变后不能及时恢复原状产生干扰。 贵阳台钻孔应变北东分量出现调零后毛刺现象， 但日变形态正常， 一般需1～3个月时间逐步恢复正常(图4北东分量)。

2.3地震干扰

地震干扰是指钻孔应变观测曲线上同时记录到的同震应变波， 与测震仪记录的地震波形相似， 有明显的初动、 P波和S波特征。 响应区域内中强以上地震还有可能出现同震记录的台阶或渐变台阶变化， 有的台阶变化会在一段时间内恢复至原点， 有的则不再恢复， 在新的位置继续变化。 地震同震波形因具备科研价值， 应保留其原始状态， 不需预处理[4]。

2.4城市化建设人类生产生活干扰

我国的地震观测台站多为三四十年前建设的， 大多选址在城镇郊外人烟稀少的边远偏僻地区， 在建设初期， 无疑能满足地震观测背景噪声小、 人为干扰少的基本要求。 但是随着人口的增长， 城市化的开发建设， 原来的郊外已日渐繁荣。 再加上道路的修建， 汽车工业的发展， 势必对地震监测环境造成不可避免的干扰。 贵阳台周围近年来修建工厂、 住宅小区， 在钻孔附近200 m左右范围内进行爆破施工时， 可能引起观测曲线台阶状干扰， 此类干扰易于对照分辨并进行预处理消除。 由于台站周围环境噪声的加大， 也会引起观测仪器精度下降现象[4]。

图4　调零干扰分钟值曲线预处理前后对比图(2014年12月1日)

其他还有停电、 仪器损坏、 不明原因台阶、 仪器掉格等干扰， 对于大部分干扰来说， 技术人员在仪器运行稳定一段时间后， 注意台站周围环境变化、 供电、 气象情况等信息， 认真填写观测日志， 均较易于识别， 并在预处理中进行消除。 如果同台有多个形变观测手段则可利用多组曲线比较， 判定到底是气象、 仪器、 环境干扰还是“异常”。

3结语

气象、 环境、 仪器及供电等干扰是形变观测中普遍存在的现象， 干扰往往是几种因素同时作用于仪器， 影响程度因不同台站或不同测项程度不一。 正确识别地震监测数据中的干扰现象， 并科学预处理是地震分析预报的基础。 开展数据跟踪工作为地震专业技术人员在日常工作中提供了各种监测手段各类现象的分析总结及交流平台， 有利于前兆观测处理技术的大幅度提升。 就一个观测手段而言， 分清观测曲线中出现的正常及干扰变化的基本形态， 才能在剩下的异常表现中识别提练出我们真正需要的“震前异常”。 如何练就干扰及异常识别的“火眼金睛”， 需要长期监测、 预报一线工作的学习和积累， 以及相关专业技术人员及时的信息沟通。

参 考 文 献

[1] 徐芳芳， 崔居全， 荆强， 等. 荣成地震台形变观测干扰分析. 高原地震， 2015， 27(2)： 58-63

[2] 刘川琴， 隆爱军， 卢叶啸， 等. 合肥地震台钻孔体应变干扰分析. 地震地磁观测与研究， 2014， 35(5-6)： 208-212

[3] 段莉莉， 段立新. 钻孔应变观测干扰及异常分析. 地震地磁观测与研究， 2013， 34(3-4)： 122-127

[4] 陈超， 谭刚， 张理， 等. 影响康定地震台形变观测数据的主要干扰因素 .四川地震， 2014(4)： 22-26

[5] 黄灿， 吴海波， 李海峰， 等. 荥阳地震台形变观测干扰的识别. 大地测量与地球动力学， 2013， 33(增)： 91-93

[6] 孙雷， 曾智， 立凯， 等. 连云港地震台钻孔应变同震变化观测资料分析. 地震地磁观测与研究， 2015， 36(4)： 102-106

中国地震局工程力学研究所2015届博士论文摘要(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

中图分类号：P315.72+5；

文献标识码：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。

※通讯作者： 李鹏， e-mail： 294409365@qq.com。