气压对徐州地区三套体应变仪不同影响原因的分析＊

李兰生 高 力 赵 钊 刘 晶 高明智 施建江

1）江苏省地震局徐州地震台，江苏徐州221008

2）江苏省徐州市地震局台网中心，江苏徐州221009

3）江苏省新沂市地震局，江苏新沂221400

气压对徐州地区三套体应变仪不同影响原因的分析＊

李兰生1）高 力1）赵 钊2）刘 晶2）高明智1）施建江3）

1）江苏省地震局徐州地震台，江苏徐州221008

2）江苏省徐州市地震局台网中心，江苏徐州221009

3）江苏省新沂市地震局，江苏新沂221400

通过对徐州地区现有的3台体应变仪不同程度受到气压影响的资料进行对比分析，发现其中2个台的体应变资料受气压影响大，分析出现这种情况的主要原因可能是仪器探头与钻孔耦合得不好造成的。为了减少气压对观测资料的干扰，就需要在仪器下井时做好仪器耦合的基础工作，否则仪器产出的数据将会影响观测资料的使用，受气压严重干扰的资料甚至会误导我们对地震前兆异常的分析和判定。

体应变仪；观测资料；气压影响；耦合；地震预报

引言

地震预报的关键是地震前兆仪器记录到资料的真实性。真实的资料既来源于仪器本身的工作状态，同时又取决于传播那些地震前兆异常的介质（观测环境）。在目前，应变仪器可以记录到纳米级的变化，其精度已经满足我们的需要，因而那些用来传播地震前兆异常的介质就成了至关重要的环节。以形变前兆观测为例，对不适宜进行地震观测的环境，我们可以通过重新选择观测地点来改善，也可以通过观察钻孔岩心的情况，选在岩心较好的地段和位置安放井下仪器。而无法用仪器和感官观察的仪器探头与钻孔的耦合情况，却成了影响观测资料质量的“大隐患”，这种情况只能靠对已经取得资料的分析来判别仪器安装的好与坏了。

在钻孔形应变观测中，除了正常记录到日、月引力对地球表面引起的固体潮以外，还记录到许多干扰因素，例如气压、降雨、温度等影响。分析日常观测资料中受这些因素影响的大小程度，也可以判断出仪器的使用价值。

利用我台在2002年11月—2003年12月期间进行的“钻孔形应变仪器探头与井孔不同耦合材料的试验”的结果，通过对新沂和邳州的体应变资料与气压资料进行分析对比，得出这两个台的体应变受气压干扰影响较大，可能与探头和钻孔耦合不好有一定的关系。

1 徐州地区的地质构造及仪器分布情况

徐州地区地处苏鲁豫皖交界中心，地质构造上属于华北断块区的南部，在地震区划上则属于大华北地震区的南缘。徐州的地质条件及地质构造不太复杂，地震活动的频率和强度均较低。在断裂构造上，徐州地区断裂较为发育，按其规模大小和在地质发展历史上所起的作用，其最主要的是北、东向的断裂分布较广。徐州地区主要断裂有郯城—庐江断裂带（主要由4条主干断裂组成，总体走向为N15°～20°E），丰县—邳州断裂带，故黄河断裂带。

徐州地区现有3套TJ－2型体应变仪，分别安装在徐州地震台、新沂市嶂苍台（以下简称嶂苍台）和邳州市艾山台（以下简称艾山台）。下面是3个台的基本状况。

（1）徐州地震台位于徐州市南郊云龙山第八节山东坡。台站地理坐标为34.23°N，117.17°E。云龙山在地质构造上属徐州弧形构造的一部分，周围出露大面积基岩，为寒武系中统厚层灰岩，岩性单一致密，节理发育，岩石产状约80°。TJ－2体积式应变仪2006年12月12日安装在徐州地震台院内2号井孔测点，2007年7月1日开始试运行。探头深度60 m，岩芯完整，地面表层被厚约1 m的粘土夹碎石层覆盖。仪器灵敏度优于1×10－9，现用格值为2.29×10－9／m V，历次标定格值误差符合规范要求，仪器工作状态优良。

（2）嶂苍台位于新沂市新安镇官庄村。台站地理坐标为34.38°N，118.39°E，海拔32.8 m，台站处于北北东向郯庐断裂带F5断裂的东侧。TJ－2体积式应变仪2010年7月19日安装。探头深度60 m，基岩为上白垩统王氏组紫红色砂岩，第四系覆盖层厚约1 m，岩芯完整。仪器灵敏度优于1×10－9，现用格值为2.17×10－9／m V，2011年1月1日标定格值为2.21×10－9／m V，标定格值误差符合规范要求。

（3）艾山台位于邳州市艾山。台站地理坐标为34.62°N，117.97°E，海拔50 m。TJ－2体积式应变仪2010年9月25日安装。探头深度57 m，基岩岩性为石英砂岩，青灰色，结构致密，未风化。岩石倾角约37°，岩层走向NE。仪器灵敏度优于1×10－9，现用格值为2.15×10－9／m V，2011年1月18日15时标定格值为2.16×10－9／m V，标定格值误差符合规范要求。

3个台之间的距离：徐州台—嶂苍台113.42 km；徐州台—艾山台85.33 km；嶂苍台—艾山台46.89 km。

2 3个台站体应变观测资料情况

徐州台体应变是全国59个体应变台中内精度最好的台站之一，最好月份的内精度达到了千分之二。影响内精度的主要原因是，降雨后地下水位大幅度上升，随之地下应力场产生变化，体应变仪记录到这种变化，资料的内精度就变差了。从徐州地区3个台2011年2月体应变资料内精度计算结果看，徐州台为0.004 1，嶂苍台为0.016 0，艾山台为0.044 2。我们分析影响体应变内精度的原因，可能与钻孔位置的地质条件、仪器安装、气压和降水等干扰因素有关。在这里，我们仅对影响体应变观测资料内精度时间长（全年）、影响大（可以高出内精度好的台站一个数量级）的气压干扰进行分析。

固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性—塑性形变，称为固体潮；海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、涨落与进退，称为海潮；地球周围被厚厚的大气层包围着，受引潮力作用而产生的周期性变化称为大气潮。实际观测结果表明，台站目前所使用的体应变仪器对上述3种潮汐现象都有不同程度的响应。

由于仪器的观测精度很高，所以气压对体应变的影响，就是空气分子通过岩石中的空隙和由于探头与钻孔耦合不好形成的空隙，传导到仪器探头的结果。

体应变观测资料内精度好的台站在气压变化时间短、变化幅度大的时候才能记录到这种变化，雷雨季节时在雷雨前后出现得比平常月份要频繁一些。其他时间体应变资料记录不到气压的影响。

2.1 气压对体应变短时间的影响

我们选取徐州台、嶂苍台、艾山台在2011年2月25～27日气压变化较大的3天时间段的分钟值资料和体应变资料做图比较，可以看出3个台资料具有以下特点。

（1）3个台站记录的气压曲线基本一致。分别用3个台的气压数据作一元回归分析，3个台气压之间的相关系数分别为：邳州与新沂0.997，邳州与徐州0.996，新沂与徐州0.992。说明3个地点的气压相关是很好的，造成差别的原因与局地小气候使气压微小变化有关。

（2）嶂苍台和艾山台的体应变记录与气压的记录曲线十分相似，当气压占了主导地位时，固体潮形态就很弱了（图1）。

（3）徐州台体应变能够清晰记录到固体

图1 徐州、嶂苍、艾山台体应变和气压2011年2月25～27日分钟值图

潮形态。在体应变的峰、谷时段，能记录到短时间内变化幅度较大时的气压影响。

2.2 气压对体应变长时间的影响

选取徐州台、嶂苍台、艾山台2011年2月体应变和气压整时值资料做比较。3个台的体应变都存在着线性零漂，漂移速率和性质都不同。徐州台体应变日漂移量22.26×10－9，呈压性漂移；嶂苍台体应变日漂移量12.29×10－9，呈压性漂移；艾山台体应变日漂移量30.54×10－9，呈张性漂移。

为方便比较气压对体应变的影响，首先分别对3个台的体应变原始数据进行一般多项式分段曲线拟合处理（简称消除零漂）[1]，然后再与气压数据进行对比分析。通过比较可看出3个台体应变资料的特点。

（1）徐州台体应变能够完整清晰地记录到固体潮形态，全月的资料受气压趋势性影响较小。

（2）嶂苍台体应变能够记录到大部分时段的固体潮形态，以及小部分时段的固体潮形态畸变，全月的资料受气压趋势性影响较明显。

（3）艾山台体应变能够记录到部分时间段的固体潮形态，以及一半时段的固体潮形态畸变，全月的资料受气压趋势性影响较严重（图2）。

2.3 体应变与气压的一元回归处理、内精度及气压干扰系数

用3个台2011年2月体应变、气压整时值资料，分别采用别尔采夫滤波法、分段曲线拟合法和一元回归方法进行处理[1－2]。得到的结果是：徐州台体应变与气压的相关系数最小，内精度最好，实际观测记录到的气压对其影响极小，气压影响系数约为0×10－9／h Pa；嶂苍台体应变与气压的相关系数最大，内精度仅次于徐州台，实际观测记录到的气压对其影响明显，气压影响系数约为6.48×10－9／h Pa；艾山台体应变与气压的相关系数小于徐州台，大于嶂苍台，实际观测记录到的气压对其影响较明显，内精度最差，气压影响系数约为5.11×10－9／hPa。从计算结果看，影响体应变内精度的主要因素是气压（表1）。

图2 2011年2月徐州、嶂苍、艾山台体应变和气压值图

表1 体应变与气压一元回归分析、内精度、气压影响系数结果

3 体应变观测资料受气压影响的原因分析

体应变观测资料受气压影响的原因，我们认为主要有以下两种。

（1）与观测场地基岩的破碎程度有关。无论哪一种形应变仪器都需要将仪器探头安放在完整的岩石上，但是我们往往不可能保证做到使每一套仪器都安装在理想的位置。这给观测资料的质量带来巨大的影响，甚至有的仪器的资料根本就无法使用。因此这一点是无庸置疑的。

（2）探头与井孔耦合得不好。体应变仪器安装时，探头一般安装在井下40～90 m岩石相对完整的地段。耦合材料是膨胀水泥和石英砂，和水搅拌均匀后装入沉砂器，然后沉入井下预定位置，水泥从沉砂器出口流到孔底，再将探头放入井底，靠探头本身的重量自然沉入水泥之中并凝固。这种耦合方式有可能存在类似建筑业浇注混凝土后，没有采用混凝土振动棒振捣密实步骤而出现的蜂窝状结构。如果蜂窝状的情况在探头与井孔之间出现，就有可能影响我们的观测资料。特别是安装时全凭在地面做的一些实验和实际安装积累的经验进行，而耦合是在井下水中进行，所以我们就无法很准确地知道耦合情况，最终只能以实际观测的资料来分析判断安装的成功与否。在仪器安装时，我们可以借鉴池顺良研究员在安装YRY－4分量应变仪的做法（个人交流），先将井水抽干，垫入一定量的膨胀水泥（找平层）后放入仪器探头，再放入足够量的膨胀水泥，然后用一个环状的铁质重物将探头四周的膨胀水泥夯实。这一做法可以最大程度地使探头在井孔中处于中心位置，减小地应力测量中钻孔偏心可能带来的对观测数据的影响[3－4]，还可以避免探头与孔壁之间的膨胀水泥中出现气孔而影响应力的传递效果。

由新沂市嶂苍台和邳州市艾山台的观测资料，我们想到了在2003年5月做的“钻孔应变仪器探头与井孔耦合方法的试验”中的试验3的结论。该实验是在探头外壳元件受力方向的两侧分别插入直径为25 mm，长450 mm的圆钢，相当于用圆钢做耦合材料，将石英砂分层填充在探头和圆钢周围的空区，并夯实至井口。在两个相同方向元件取得的资料中，压1能够清晰地记录到固体潮，压2记录到的却是气压变化。原因是探头使用的不锈钢管在压2受力元件的位置有凹陷不平的情况，形成了受力元件通过凹陷不平的不锈钢管与金属棒之间的石英砂，接收到了远远大于应变场变化的气压，同时也接收到与金属棒及岩壁紧密接触的不锈钢管壁的其他部位间接传递过来的地壳应变场变化的信息。所以压2表面上看记录到的是气压变化，但通过对压2数据与气压数据进行一元线性回归处理后，我们便看到了与压1相似的比较明显的固体潮形态（图3）。也就是说在耦合不好的情况下，只记录到气压的资料经处理后可以显示出固体潮。通过一系列的试验，还得到在完全没有耦合的情况下只能记录到气压的结论[5]。然而在实际观测中，多数台站体应变记录的情况是，既记录到固体潮，同时还受气压的影响很大，以至于严重影响了资料的内精度，给我们的分析预报工作带来很多麻烦。笔者认为这种情况与耦合不太理想有一定的关系，邱泽华和张凌空等的研究结果也表明应变观测存在井孔耦合效应的问题[6－7]。

图3 捆绑圆钢后压1原始数据、压2一元回归分析结果以及压2原始数据与气压曲线

讨论：基于钻孔形应变观测都存在探头、水泥和围岩3部分组成的各向异性的“双环”问题，如果存在着钻孔偏心带来的对观测数据的影响，那么这是一个值得我们在钻孔形应变观测中进行深入研究的问题。

[1] 蒋骏，李胜乐，张雁滨，等.地震前兆信息处理与软件系统（EIS2000）.北京：地震出版社，2000

[2] 苏恺之，李海亮，张钧，等.钻孔地应变观测新进展.北京：地震出版社，2003

[3] 程惠红，张怀，朱伯靖，等.地应力测量中钻孔偏心分析.大地测量与地球动力学，2011，31（6）：164－169

[4] 杨伯源.钻孔偏心下的应变释放系数及残余应力.实验力学，1990（3）：329－335

[5] 李兰生，孔向阳，陈健.钻孔应变仪探头与井孔不同耦合材料的试验.大地测量与地球动力学，2012，32（增刊）：153－159

[6] 邱泽华，马瑾，池顺良，等.钻孔差应变仪观测的苏门答腊大地震激发的地球环型自由振荡.地球物理学报，2007，50（3）：797－805

[7] 张凌空，王广才，牛安福.周期气压波对地壳应变场观测影响的若干因素分析.地震学报，2011，33（3）：351－361

Analysis of the causes about the different effects of the atmospheric pressure on three sets of volume strain instruments in Xuzhou

Li Lansheng1），Gao Li1），Zhao Zhao2），Liu Jing2），Gao Mingzhi1），Shi Jianjiang3）
1）Xuzhou Seismic Station，Jiangsu Earthquake Administration，Xuzhou 221008，China
2）Station Network Center of Xuzhou Earthquake Administration，Xuzhou 221009，China
3）Xinyi Earthquake Administration，Xinyi 221400，China

We analysed the varying effects of the atmospheric pressure on three sets of volume strain instruments in Xuzhou.It is found that two of them were greatly affected by atmospheric pressure，which might be mostly caused by poor coupling between the instrument probe and the drill hole.It is suggested that the basic work on the coupling of the instrument should be done to reduce the disturbance from atmospheric pressure when it is placed into the well.Otherwise，the data would be affected by inadequate coupling，and correspondingly the analysis and judgement on the earthquake precursor anomaly would be misled by those seriously contaminated data.

volume strain instrument；observed data；atmospheric pressure influence；coupling；earthquake prediction

P315.72＋7；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.11.009

2012－06－12；

2012－07－12。

（作者电子信箱，李兰生：llsjsxz＠163.com）