基于小波分解的宁陕钻孔体应变观测数据分析＊

吴 明，杨晓东，齐银峰，许海燕

（陕西省地震局，陕西 西安 710068）

1 研究区域

宁陕台地震台属省级地震台，始建于1977年，1980年投入观测，地理位置为东经108°19′24″，北纬33°19′30.7″，海拔850 m。地处安康市西北侧，秦巴腹地，所处秦岭造山带是华北板块与扬子板块中生代碰撞所形成，区域有宁陕断裂发育，有研究表明宁陕断裂将南秦岭构造带划分为北西—南秦岭构造带和南东—南秦岭2个构造单元。台基岩性为印支期花岗岩，大面积出露，观测环境良好[1]。宁陕台研究区位如图1所示。

图1 宁陕台研究区位图

宁陕台站数字化改造工作于2007年初完成，现有测震、地倾斜2种观测手段，现配置有DD-N数字地震仪、VP型垂直摆倾斜仪、TJ-2型体积式钻孔应变测量仪和RTP-II型气温、气压、雨量测量仪。钻孔应变仪井深66.32 m，探头深度15 m左右，仪器架设时间为2007年3月，并开始记录。因观测干扰较少且基岩十分稳固，宁陕TJ-2型钻孔体应变观测数据在2013—2015年，2018—2020年多次连续获得国家地震局钻孔体应变国评前3名[2]。安康台站点观测手段分布如图2所示。

图2 安康台站点观测手段分布图

2 仪器原理

地壳由岩石组成，地壳内部任意点都有应力和应变，这为使用仪器测量地壳应变提供了依据。钻孔类观测仪因具有场地易于选择、地面干扰小、易于管理的特点而被广泛使用。旧式井下形变观测仪器如竖直摆钻孔倾斜仪，其核心是一个垂直悬挂的重力摆，因重力摆的惯性作用，在周边地壳发生形变时，摆锤与摆支撑架之间会形成微小的夹角，通过电容测微器将夹角值转换为电压值并记录数据[3]。而TJ-2型钻孔体应变仪的原理为将装满硅油的竖长圆筒埋入观测井下，当圆筒周围围岩压应力发生变化时，筒内液体压力同步变化并通过差压传感器使电压值发生变化，定量测量地壳应力变化。TJ-2型钻孔体应变仪的基本量程为6×10-6，能运用开阀动作将量程无限扩展，仪器分辨率小于1×10-9，非线性误差小于1%，标定重复性误差小于3%，频带宽度为0～2 Hz。TJ-II型钻孔体应变结构如图3所示。

图3 TJ-II型钻孔体应变结构简图（修改自吕宠吾）

3 小波分析

小波分析方法是信号处理的重要方法，由于其在时间域及空间域都具有较高的分辨率，且能够将信号分解成多频带进行分析，逐渐运用于数字化地震学资料处理、定点形变观测资料分析等领域。有限时间序列的小波变换公式为：

式（1）中：Wφf（a，b）为小波变换后的各频段分量；a为尺度因子，控制小波函数的伸缩；b为时间平移因子，控制小波函数的平移；为小波母函数；f（t）为原始信号。

小波分解的小波基种类很多，小波基的选取是否合适将影响结果的准确性。刘建明等基于定点小波基函数优劣的标准，并考虑了消失矩阵阶数，最终选定db4小波基函数进行分析，因此本文也采用Daubecheies（dbN）小波系中的db4小波基函数对原始宁陕台钻孔体应变仪2017—2020年的静水位整点值数据进行小波变换处理。小波分解1～2阶主要为高频成分，3～4阶主要为固体潮汐信息，5阶及以上为去除潮汐成分的非潮汐信息，分别对钻孔体应变2017—2020年各年整点值数据做6阶小波分解。分解结果显示，2017年、2018年、2020年高频信号较少且稳定，2019年宁陕钻孔8月份出现短时高频干扰，经核实为2019-08-06T10：30—2019-09-07T23：00左右钻孔体应变传感器故障产生的观测数据异常波动，更换传感器后恢复正常。3～4阶小波分解显示宁陕钻孔体应变固体潮汐信号非常清晰稳定，潮汐周期稳定在每年24次。5～6阶小波分解幅度变化相对较小，存在的部分小幅阶跃与宁陕当地气压波动互相对应，应为受气压影响[4]。2017—2020年钻孔体应变整点值小波分解如图4所示。

图4 2017—2020年钻孔体应变整点值小波分解图

4 结论与讨论

通过对宁陕台2017—2020年钻孔体应变资料的分析，结果显示宁陕钻孔体应变观测条件优良，干扰因素较少，观测数据稳定可靠。基于小波分解的数据分析，可以去除特定频段干扰，从高频干扰、固体潮汐、气压扰动等多角度多细节分析地倾斜数据及其干扰信息，便于全面科学地观察和认识钻孔体应变仪记录的信息，满足地震前兆数据分析的需求。db4小波在宁陕台钻孔体应变数据分析中取得了预期效果。