营口地震台分量钻孔应变（YRY、RZB）数据对比分析

王 琳，李 鹏，张 闯，朱晓秋，高 昕，王宝鹏

（1.营口地震台，辽宁 营口 115100 ； 2.贵阳基准地震台，贵州 贵阳 550018；3.抚顺地震台，辽宁 抚顺 113006；4.大连地震台，辽宁 大连 116011）

0　引言

我国是世界上最早使用钻孔应变观测方法研究地应力变化并进行地震预报的国家[1-3]。分量式钻孔应变仪是一种观测地壳应变，研究地球物理过程和地球动力学的动态观测仪器。它安装在钻孔中，使用特种水泥作为耦合介质，具有较高的观测精度和稳定性，可以记录到清晰的固体潮汐和地震孕育过程中地层的伸缩变形。地壳在形变过程中会产生应力集中并引发地震，所以地震与地壳形变的关系最为直接，因此地壳应力应变观测一直以来受到地震监测预报人员的重视，是地震监测预报的重要手段。经过几十年的努力和发展，如今真正实现了从钻孔应力到钻孔应变观测的转变。在“十五”项目中[1]，我国钻孔应变观测技术得到了长足的发展，并在多次破坏性地震前记录到了有效的前兆信息。地震的孕育发生过程实际上也是地应力变化的过程，通过对仪器所记录到的固体潮变化信息和所记录到的地震特点进行分析，并提取震前应力应变异常信息，从而探索地震应变波幅值、阶变变化与实际地震的震源物理性质的关系，无疑能为早日揭开地震活动的面纱提供一些基础信息。

营口地震台是全国钻孔应变观测台站中极少数拥有两台分量钻孔应变同时运行的台站，两台仪器同时运行已4年多，观测资料基本完整，我们要以台站使用的预处理系统为基础，依据现有的观测资料进行对比观测分析，总结两种仪器的观测特征和异常信号区别，从而提高观测质量和钻孔应变在分析预报中的重要作用。

营口地震台现在有两套不同型号的分量钻孔应变仪器同时运行，均纳入“十五”数据库，是辽宁省地震系统唯一同时同地进行正常观测的两台分量钻孔应变仪器。通过对比分析2013-2015年营口台的YRY-4分量钻孔应变仪和RZB-2分量钻孔应变仪观测数据，分析仪器运行和异常变化特征和区别，对典型异常信息特征和形态进行归纳，提高数据的可靠性，保证观测的信度，为辽宁省及周边地区震情跟踪和研判提供科学依据。

1　基本信息

辽宁省营口地震台是地震观测综合台，属于全囯形变观测基本台（囯家一类台），位于大石桥市官屯镇石硼峪村。目前，营口地震台是全国钻孔应变观测台站中极少数拥有两台分量钻孔应变同时运行的台站，两台仪器同时运行已3年多，观测资料基本完整，我们要以台站使用的预处理系统为基础，依据现有的观测资料进行对比观测分析，总结了两种仪器的观测特征和数据变化区别，从而提高观测质量和钻孔应变在分析预报中的重要作用。

2　营口台两套分量钻孔应变仪器概况

营口地震台的两套分量钻孔应变仪器放置在营口台的台区内，两个钻孔直线距离约80m。

YRY-4分量钻孔应变仪是于2006年6月1日开始施工打井，6月22日钻孔竣工，井孔深38.71m，井孔高程80m，井孔斜度小于1.5o，岩芯90%以上完整，符合钻孔仪器安装要求。（钻孔位于洞口仪器室9.5m， 2006年6月2日开始施工，6月22日竣工，井深38.71m。成井后下护井管至36.41m处，测量井斜不大于1.5o，水位上升平均2mm/小时，岩石完整，无裂隙和节理，满足钻孔的技术要求（图1）。

图1　分量钻孔应变仪钻井结构图Fig.1　 Drilling structures of YRY-4 and RZB-2 component borehole strainmeter

2006年7月6日完成YRY-4分量钻孔应变仪器探头和辅助观测安装。安装初期工作状态稳定，日漂移小于10-8/日，固体潮清晰，有较好的日变形态，四分量年变化呈下降趋势。2007年6月1日纳入辽宁省前兆台网进行正式观测。由于本台的钻孔应变在全国同型号仪器安装中，属于安装运行较早的仪器， 2009年3月19日至今第3路数据曲线出现畸变，噪声较大； 2010年5月6日第2路数据异常，数据出现畸变，与厂家沟通后，分析认为是由于仪器探头故障引起的。第1路、第4路数据和钻孔辅助观测工作相对稳定，工作正常。由于此仪器的观测环境和钻孔均符合国家规范，此手段仪器随着安装技术的逐步成熟和数据的广泛应用，资料仍有可用性，因此学科组建议保持继续观测。

营口台的RZB-2仪器的测点是2012年10初选址，位置是营口地震台院内，距观测室10m，10月15日开始打井施工，11月9日竣工。井深64m，钻孔垂直度良好，井斜不大于3o，成井后下护井管Φ159mm，长16.5m，测量井垂直度为89.5o，井斜为0.5o，完全满足设计要求。井漏测量：该井静水位1.8m，将水降至9m时，进行观测长达15小时，水位在8.97m，仅上升3cm，平均每小时上升2mm，完全满足设计要求（图1）。

2012年11月10日由中国地壳研究所安装人员检测井孔，井深64m，孔深65m，水位线位于地面以下6.2m，套管深度17m，测量段为完整花岗岩，符合安装要求。于11月11日按要求将RZB-2型分量式钻孔应变仪探头放置于井下，RZB-2型分量式钻孔应变仪安装深度63.5m，使用特种水泥灌封到55m处。由于井温与水位对钻孔应变观测会产生影响，因此在分量式钻孔应变仪安装完成后，仍需在钻孔内安装JJW-2高精度井温探头和SQY-1A水位气压探头作为应变观测的辅助测项。井温探头安装深度为50m，水位气压探头安装深度为18m。11月12日通过调试，投入试运行。

营口台的两套分量钻孔应变处于同一基岩，均为完整花岗岩，观测分量方向基本相同，YRY第一分量与北端夹角为88o，第二分量133o，第三分量178o，第四分量223o，每个分量夹角均为45o。RZB第一分量与北端重合，第二分量45o，第三分量90o，第四分量135o，每个分量夹角也为45o，其观测数据应有很好的对比性（图2）。

图2　YRY-4和RZB-2分量钻孔应变观测分量示意图Fig.2　 YRY - 4 And RZB -2 component borehole strain observation component diagram

3　分量钻孔应变观测技术指标对比

营口台的YRY-4型分量钻孔应变仪是中国地震局在80年代组织攻关，研制出的四种高灵敏度、高稳定性钻孔应变仪器中的一种，可同时测量体积应变和形状应变。4个电容径向位移传感器采用“张衡地动仪”八方式布置。第1路分量顺时针递加45o就是第2、第3、第4路方位。探头与地层耦合采用水泥固结方式。

YRY-4型分量式钻孔应变仪的主要技术指标：

（1）分辨力： 优于5×10-11漂移： 小于10-8/日

（2）通频带： 0～20Hz

（3）动态范围：大于 95dB

（4）一次量程： 大于5×10-6应变；接续量程：大于5×10-5应变

（5）非线性度： ≤1%

（6）标定方法：电压标定（自动），标定重复性误差： ≤1%

（7）输出：数字输出（五位半）

（8）供电： 交流220V±20% 或直流12V，探头功耗＜1瓦。

（9）探头安装深度：40m

营口台安装的RZB型电容式多分量钻孔应变仪研制于1975年，1981年投入试验观测，1985年12月通过了国家地震局鉴定，在同类仪器中具有国际先进水平。测量系统由井下探头和地面主机、数采等设备组成。井下探头内水平安装4个位移传感器。传感元件采用三极板差动式电容传感器，其三块平行金属极板构成了两个差动变化的电容器。传感器如图所示被安装在钢桶（井下探头）内，随着探头外筒的压缩、拉伸，极板间距会发生相应的变化，其电容量便随之改变。通过测量电容量的差动变化就可以精确的感知探头外壳的形变情况。

RZB-2型电容式钻孔应变观测系统的主要技术指标：

（1）地壳应变观测： 四分量工作元件

（2）应变灵敏度： 10-10

（3）测量动态范围： 140db，折合应变为±3×10-3

（4）一次调节动态范围：120db，折合应变为±2×10-4

（5）输出格值线性： ± 1 %

（6）标定信号精度： ± 0.5 %

（7）探头密封性能： 500m水深

（8）数据采集器：符合国家十五台网入网标准，可存储200天数据，有供传输联网用的RS232和RJ45接口，可进行无线/有线网络传输

（9）供电：电源符合国家防雷、放浪涌标准，自带蓄电瓶切换电源

（10）辅助观测手段：自带水位、气压和井温等辅助观测手段

通过对两套分量钻孔应变仪器的观测指标对比发现，两套分量钻孔应变仪器均采用电容传感器固定于探头内，测量的动态范围和性能指标RZB-2优于YRY-4,原因是由于本台YRY-4是十五项目初期安装的仪器，数据采集和数据采样率RZB-2仪器均进行了较大改进。YRY-4分量钻孔应变仪由于数据采集与传输设备的限制，应变仪的通频带并未充分利用。目前的记录信息主要在每分钟一个点的低频段，反映潮汐信息已经足够，但缺少高频的地震信息记录。RZB-2仪器安装初期采用的分钟值采样入库，根据中国地震局的“十一五”项目要求，必须采用秒采样入库，因此在2013年3月更新数采，从3月4日开始采用秒采样数据入库，RZB钻孔应变仪秒数据能够记录到丰富的地壳动态应力场活动信息（图3），且具有很宽的频响特性，低频可观测到固体潮，高频可以观测到地震应变波等，可见，营口台的RZB电容式钻孔应变观测系统的观测精度和信噪比较高，可观测到清晰的固体潮汐和同震响应，数据有效可靠。

图3　2013年09月24日营口台RZB应变仪映震曲线Fig.3　 Earthquake-reflecting curves of RZB strainmeter at Yingkou Seismic Station on Sep.24th，2013

4　分量钻孔应变数据分析

4.1　YRY-4分量钻孔应变数据分析

营口地震台YRY-4钻孔应变仪自观测至今，数据整体呈下降趋势，为压型变化（图4）。现仪器的第二和第三分量数据畸变，我们与厂家沟通后，厂家认为此仪器在全国同类仪器中安装较早，当时安装方法不是很成熟，有可能会出现受外界影响时，单分量变化的故障，而且第2，3分量故障后，第3分量的数据趋势未发生改变。

图4　营口地震台YRY-4分量钻孔应变日均值曲线Fig.4　 Daily mean value curves of YRY-4 component borehole strain instrument at Yingkou Seismic Station

图5　营口地震台YRY-4分量钻孔应变辅助观测日均值曲线Fig.5　 Daily mean curves of YRY-4 component boreholestrain auxiliary observation at Yingkou Seismic Station

图6　营口地震台YRY-4分量钻孔应变2016年3月整点值曲线Fig.6　 YRY-4 component borehole strain of Yingkou Seismic Station in March 2016.

YRY-4分量钻孔应变仪2、3路数据畸变，但总体趋势没有改变，从整点值数据上来看（图6），1、4路数据日变和月变固体潮清晰、完整，如排除故障通道，YRY-4分量钻孔应变仪的观测质量仍较好。

钻孔应变辅助水位在每年的1月开始转折变化，直至3月底开始转向，分析认为，是由于冬季气温及降水影响，曲线下降，在春天融雪时，引起井下水位上涨，曲线迅速上升（图5）。2011-2014年此变化幅度较小，是由于这几年年初本地区降水减少导致。

基于分量钻孔应变仪的自检特性，根据整体变化趋势，排除故障影响，利用对四分量钻孔应变仪进行“自检”[4-7（]图7），相关系数见YRY-4分量钻孔应变仪相关系数表（表1）。自仪器2、3分量数据出现畸变后，尤其是第3路数据几乎无法记录到清晰的固体潮，自检的相关系数均小于0.9，数据的相关性较差。因此，在营口分量钻孔应变的四分量中排除第3路数据的干扰，采用计算其相关性，矫正后的相关系数仍接近1（图8），表明本观测数据1、4路数据较为真实可靠，排除仪器故障影响数据可靠性的可能较高。

表1　YRY-4分量钻孔应变仪相关系数表

图7　营口地震台YRY-4分量钻孔应变仪自检曲线Fig.7　 Self-check curves of YRY-4 component borehole strainmeter at Yingkou Seismic Station

图8　营口地震台YRY-4分量钻孔应变仪矫正自检曲线Fig.8　 Correction of self-check curves of YRY-4 component borehole strainmeter at Yingkou Seismic Station

4.2　RZB-2分量钻孔应变数据分析

营口地震台的RZB-2分量钻孔应变仪运行初期，数据采用分钟值采样。2013年1月26日由于数采故障，造成停记。2013年2月4日由厂家寄回新数采，更换后恢复工作。2013年2月05日开始分钟值入库，3月4日12时开始秒值入库，但每天23时37分-59分，由于数采原因，数据缺失，造成断计率较高。2013年2月05日数据入库时起，各分量数据每天均有不同程度台阶。2013年5月23日起，数采由于不适用十五数据库秒采样，数据采集困难，自5月27日-9月16日，数据断记。9月16日由仪器厂家来台重新更换数采，并升级数采及探头采集系统，9月17日恢复正常工作。升级后的仪器日变清晰，能记录到固体潮，钻孔温度恒定。2014年6月18日，数采遭雷击，6月24日重新更换数采，但RZB数采遭受雷击后造成仪器数据传输线路被击毁。厂家人员来台维修，由于钻孔为井下仪器，井下线路无法进行维修，所以只能启用备用线路，如果备用线路再被雷电击毁，那么此仪器将无法修复，厂家给我们的建议是在遇雷雨天气要提前关机，待天气转好后再正常运行。因此造成2014年仪器断记情况的增多，影响观测质量（图9）。2015年6月29日仪器厂家修改了观测单位，由10-8改为10-10，仪器出现大幅度台阶（图10）。2015年7月至今仪器运行稳定，数据连续。选取2016年3月整点值曲线（图11），可以看到清晰的固体潮，质量较好。

RZB-2分量式钻孔应变仪的辅助观测自安装之日起，数据质量较差，故障和断记较多，2014年遭雷击后，一直无法正常工作，直至2015年10月13日重新更换探头后恢复正常。此次探头放置到距离井孔16m。但2017年3月9日，此探头又出现故障，辅助观测数据异常，初期分析由电源工作不稳引起，但数据一直异常。5月9日与厂家联系，厂家认为是由于探头故障引起数据异常，5月23日更换探头，但由于经验不足，探头进水，现将探头邮寄回厂家维修，等待厂家回复，数据自5月23日起错误，6月19日更换新探头，距离井孔15m，16时49分恢复正常工作（图12）。

由于RZB-2分量式钻孔应变仪辅助观测故障较多，因此年变趋势变化不明显。

图9　营口地震台RZB-2分量钻孔应变日均值曲线（2013年—2015年6月29日）Fig.9　 Daily mean curves of RZB-2 component borehole strain at Yingkou Seismic Station（2013—2015.06.29）

图10　营口地震台RZB—2分量式钻孔应变日均值曲线（2015年6月30日—2017年）Fig.10　 Daily mean curves of RZB-2 component borehole strain at Yingkou Seismic Station（2015.06.30—2017）

图11　营口地震台RZB-2分量式钻孔应变2016年3月整点值曲线Fig.11　 RZB-2 component borehole of Yingkou Seismic Station, the whole point curves in March 2016

图12　营口地震台RZB分量钻孔应变辅助观测日均值曲线（2013--2017年）Fig.12　 Daily mean curves of RZB component of RZB component of Yingkou Seismic Station（ 2013-2017）

同样，基于分量式钻孔应变自检特性[4-7]，根据整体变化趋势，排除故障影响，利用对四分量钻孔应变仪进行“自检”（图13），相关系数见RZB分量钻孔应变相关系数表（表2）。由于2013—2014年6月18日之前此仪器运行不稳定，数据质量较差，自检相关系数较低，2015—2016年运行较稳定，但由于2015年修改数据单位，自检相关系数为0.872943，数据质量较好。

图13　营口地震台RZB-2分量钻孔应变自检曲线Fig.13　 Self-check curves of RZB-2 component borehole strainmeter at Yingkou Seismic Station

表2　RZB分量式钻孔应变相关系数表

4.3　分量钻孔应变仪数据干扰分析

4.3.1YRY-4分量钻孔应变仪数据畸变

2009年7月10日开始，在营口台办公区，距离办公楼20m处打地热井8口，井深100m，7月18日结束钻井施工。当钻井接触到岩层时，距地表约20m左右，营口地震台各数字仪器观测曲线均出现不同程度波动（图14）。尤其是YRY-4分量钻孔应变仪，井孔距离地源热井孔约100m，干扰较为突出，每日打井施工开始时数据曲线变化加速，尤其是钻井接触到基岩时的干扰比较明显。自7月10日起数据曲线大幅变化，当日打井停止工作时数据开始恢复。

图14　YRY-4分量钻孔应变仪2009年7月10--19日干扰曲线Fig.14　 Interference curves of YRY-4 component borehole strainmeter from 10 to 19 July，2009

自2011年12月23日15时起YRY-4分量钻孔应变仪的4个分量均不同程度出现大幅度畸变（图15）。该变化至12月25日仍未完全结束，漂移幅度分别为：1路21834×10-10，2路539×10-10，4路7338×10-10。观测人员于24日对仪器电源及台区附近观测环境进行初步检查，并无明显的电源干扰和人为干扰。12月24日，此仪器的设计及安装者池顺良和池毅老师也对此大幅度的畸变产生疑义，当晚与营口台观测人员进行沟通，双方针对有可能对仪器产生影响的的情况进一步排除：是否有对应地震、是否进行大量抽水作业、电源工作情况、仪器工作环境是否变化等，逐一排除。结合营口台的SSY伸缩仪、DSQ水管仪、SQ2数字水平摆、模拟水平摆SQ-70仪器的工作情况，对可能产生干扰的情况进行排查，均没有发现干扰和异常情况，没有时间上的同步性，此情况在运行期间只出现1次，没有明显的震例对应，对其可能影响数据的干扰也进行了逐一排查，分析认为，此数据异常是由于仪器本身原因造成。

图15　营口地震台YRY-4分量钻孔应变仪2011年12月异常曲线Fig.15　 Abnormal curves of YRY-4 component borehole strainmeter in December 2011

2015年5月19日— 6月10日本台在台区内打一口流体观测井，在施工过程中，对营口台观测仪器的工作有一定的影响，YRY分量钻孔应变仪数据出现同步小幅畸变，数据波动与打井时震动频率基本一致（图16）。

图16　营口地震台YRY异常跟踪曲线分析（2015年5月24日—29日）Fig.16　 Analysis of YRY abnormal tracking curve of Yingkou Seismic Station（20150524—20150529）

4.3.2RZB-2分量式钻孔应变仪数据畸变

2013年9月23日—24日NS、EW分量曲线畸变，9月24日发生巴基斯坦7.8级地震，但对应辅助观测，发现畸变与气压变化时间基本同步，疑似由于气压干扰影响，并非地震前兆（图17）。

图17　营口地震台RZB-2分量式钻孔应变仪秒数据曲线（2013年9月22日—25日）Fig.17　 Data curve of RZB-2 component borehole strain gauge in Yingkou Seismic Station （22—25 September 2013）

2015年5月19日—6月10日营口地震台流体观测井的施工过程中，干扰最大的为RZB分量式钻孔应变仪，该仪器为井下观测，距离施工地点5m，施工期间尤其是钻孔钻探作业期间，对RZB钻孔仪数据造成了较大干扰，数据异常与施工时间基本同步，因此判断为打井干扰（图18）。

图18　RZB整点值数据受打井干扰异常跟踪曲线图（2015年05月—06月）Fig.18　 The anomaly tracking curves of the RZB point data interfered by digging wells（ 201505—201506）

2015年6月29日仪器厂家修改了观测单位，由10-8改为10-10，仪器出现大幅度台阶（图 19）。

图19　2015年01—09月RZB钻孔整点值数据曲线图Fig.19　 The point value data curves of RZB drill（201501—201509）

4.3.3气压对分量钻孔应变的影响

气压干扰对本台的观测资料影响比较容易识别，而且气压干扰的影响范围比较广，特点是时间较短，观测资料曲线变化与气压变化基本同步（图20），很少会出现长时间的趋势性影响。大气压力的剧烈变化，通过对地表的作用，会引起地面倾斜，当然影响是很小的。气压干扰对钻孔应变数据影响较小，除水位有较明显的同步变化外，其他各观测分量仅有小幅的同步波动（图21）。

图20　2007年10月2日YRY气压与水位同步变化曲线Fig.20　 On October 02, 2007, YRY air pressure and water level synchronously change curve

图21　2015年04月23日YRY与RZB钻孔气压干扰曲线图Fig.21　 YRY and RZB borehole air pressure disturbance curve on April 23，2015

4.3.4分量钻孔应变同震变化

营口地震台YRY-4和RZB-2分量钻孔应变仪在同期运行的4年间，我们对钻孔应变的同震和阶跃变化进行了统计分析（表3），并做了应变映震统计表发现两套仪器的映震能力较接近，2013—2016年两套仪器有同震变化的分别为：YRY-4为119个，RZB-2为74个，除2013年RZB-2仪器故障较多，造成记录地震较少外，其他3年期间，记录地震总数基本相同（图22）。

表3　分量钻孔应变映震统计表

图22　2016年03月02日印尼苏门答腊7.8级地震同震曲线Fig.22　 Coseismic curves of Indonesia’ s Sumatra 7.8 earthquake on March 2nd，2016

5　结论

在整理两套仪器的数据中，发现两套仪器的故障较多，造成了数据的不连续，尤其是RZB-2仪器，在运行初期，数据因数采原因和雷击故障，造成数据质量较差，在今后的仪器观测中，应加强对此仪器的管理。但是从两台仪器数据对比中发现两套仪器由于安装角度不同，因此数据不能单一的按照分量来对比观测，而是需要考虑每分量数据的方向性差异。对于两套仪器的分析研究仅是仪器观测中发现的一小部分，还存在着不同的看法和认识，所以，在今后的观测中有待进一步的深入研究。

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