安徽省TJ-II型钻孔体应变观测资料干扰分析

刘川琴，裴红云，隆爱军，孙鸿博，卢叶啸，王燚坤

（1.安徽省合肥地震台，合肥230031；2.安徽省地震局，合肥230031）

安徽省TJ-II型钻孔体应变观测资料干扰分析

刘川琴1，裴红云2，隆爱军1，孙鸿博1，卢叶啸1，王燚坤1

（1.安徽省合肥地震台，合肥230031；2.安徽省地震局，合肥230031）

对安徽省内同一时间安装，不同地理位置，不同构造条件的5个台站TJ-II型钻孔体应变观测资料进行分析，结果表明：5个台站体应变受到的干扰因素存在差异，其中合肥、黄山台体应变受地下水位、降雨、气压影响明显，两台体应变和水位相关程度达到0.85以上，气压相关程度达到0.70以上，降雨干扰系数较大，其中合肥台约为为0.50×10-8/cm。蚌埠台钻孔应变存在严重抽水干扰，产出数据规律不明显；六安台钻孔体应变受水位干扰较小，短周期气压干扰明显，嘉山台仪器安装在无水钻孔内，受降水和水位干扰较小。

TJ-II钻孔体应变；干扰；气象因素；环境因素

0 前言

中国研制的体积式应变仪器TJ-I型于1984年获得了成功，目前已改进为TJ-II型，2009年以来安徽在郯～庐断裂中南段及其附近安装了TJ-II体积式钻孔体应变仪器，获得了宝贵的观测资料，由于地理位置、地质条件的差异，各台观测资料的稳定性、可靠性及显示出的干扰图像、均存在差异，而判断一个地震台站应变资料出现的异常变化是否是地震前兆异常，需要判断这些异常是否满足地震前兆的3个必要判据：①有正常背景；②非干扰影响；③与地震有关[1-2]，全面分析其变化特征和干扰因素是有效使用这些前兆资料、提取前兆异常的基础。本文选择同一时期安装在蚌埠、嘉山、合肥、黄山、六安地震台的钻孔体应变资料进行分析，总结其干扰因素和变化特征，希望给地震预报提供一些基础性资料。

1 台址资料概况

表1 安徽省TJ-Ⅱ钻孔体应变台站概况Table 1 General situation of TJ-Ⅱbore-hole strain stations in Anhui province

为进一步加强短临跟踪，2009年以来，安徽省地震局陆续在郯庐断裂带中南段的嘉山、蚌埠、合肥、六安、黄山安装TJ-Ⅱ体积式钻孔应变仪，钻孔探头安装深度在60～80 m，该仪器进行体应变、气压、温度、水位测项观测，观测精度达10-9。其中蚌埠台钻孔应变存在严重抽水干扰，目前已停止观测，其他台站观测质量良好，仪器能保持较高的运行率和数据完整率。台站应变曲线光滑，固体潮清晰，日变规律较为明显，具有良好的周期性特征。

2 主要干扰分析

从历年产出的体应变观测资料中发现，体应变观测受到多种干扰因素的影响，主要可分为三大类：一是气象因素和地下水位的影响；二是观测环境的影响；三、是供电、仪器故障等影响。

2.1 气象因素

2.1.1 降雨影响

体应变数据普遍受天气影响明显，特别降雨天气，体应变主要表现为两种变化，一是连续降雨天气，雨水逐渐渗入岩体孔隙中，孔隙压力增加，水位上升，使岩体体应变产生压缩变形，体应变数据和水位数据上升趋势一致，时间上体应变降雨响应滞后于水位变化，随着降雨天数的增加一般会持续数日；二是强降雨天气体应变出现快速上升变化，强降雨带来大地负荷效应，降雨结束后体应变数据恢复正常，体应变和水位高值时间基本一致，后随水位下降，体应变恢复正常。

图1 2015年6月5至20日黄山台体应变、水位分钟值、降雨日值曲线Fig.1 The curves of body strain,minute value of water level and daily value of rainfull from 5th to 20th，June，2015

图2 2015年6月17日合肥台水位、体应变、降雨分钟值曲线Fig.2 The minute value curves of water level，body strain and rainfall of Hefei seismic station on the 17th June，2015

表2 各台降雨情况及干扰系数Table 2 Rain conditions and inference coefficient

通过以上分析发现，合肥台和黄山台受降雨影响严重，降雨干扰特征相似，在降雨季节，体应变会随着降雨的持续，处于一直上升的变化；强降雨天气体应变会随着水位的快速上升，出现同步的快速上升变化，时间上体应变滞后于水位变化（如图1和图2）；这可能和两个台站所处的地理位置、井孔地质条件有关，黄山台和合肥台处于山区环境，两个台站海拔高程相近，周边有山，钻孔岩性主要为砂岩，井孔有水，在降雨季节，水位受降雨影响明显，水位的变化会引起体应变数据的变化，但两个台站体应变受降雨影响也存在一定的差异，两者的驱动降雨量不同，合肥台的驱动降雨量，约为30 mm，黄山体应变驱动降雨量约为50 mm。表2统计了几次比较典型的降雨情况和干扰系数，从表2中可以看出合肥体应变，井孔水位对降雨的放大倍率最大，降雨干扰系数约为0.50×10-8/cm；黄山体应变水位对降雨的放大倍率比合肥台小很多，降雨干扰系数变化较大，可能和井孔及仪器安装情况、降雨效率不同有关；而嘉山台和六安台体应变受降雨干扰影响较小，在连续降雨天气，存在一定的趋势上升变化，但对强降雨天气即时效应不明显，可能和嘉山台井孔地质条件及钻孔无水有关。而六安台钻孔36 m以下的岩石以长石、石英石体为主，岩体致密度较高，多呈闭合式长柱状，少量节理裂隙，降雨天气，水分渗透较慢，水位上升缓慢，对体应变的影响主要为趋势性变化，短时快速变化不明显。

2.2.2 气压干扰

气压是影响钻孔应变观测的主要因素之一。大气压对体应变观测数据的主要影响作用于地壳表面和作用在井孔水面上，两者共同作用的结果，引起岩石中孔隙压的波动，从而致使体应变发生变化，气压波可分为周期性和非周期性变化[3]，气压的周期性变化在不同的季节表现出的强弱也不同，其中短周期扰动比较显著[4]。安徽省钻孔体应变普遍受到气压变化的影响，并在不同季节表现出强弱不同，一般春、秋、冬季影响较大，由于资料存在固体潮、水位升降及不同程度的其他干扰因素，这些变化与气压无关，故选取体应变小时值数据资料，并选择环境干扰、降水干扰等相对较少的时间段进行分析，由于嘉山台数据开阀频繁，数据呈现向上漂移趋势，对体应变数据进行了拟合处理，对处理后的数据和气压进行回归相关分析，以回归系数作为干扰系数，结果见表3。

表3 各台体应变气压相关系数Table 3 The correlation coefficient between the bore-hole strain and air pressure

从表中可以看出省内台站普遍受到气压影响，体应变和气压相关系数以月为窗长基本都达到0.7以上，说明气压对钻孔体应变干扰明显，但长趋势气压影响容易区分和排除，对前兆异常提取影响不大。短周期内，气压扰动影响更为显著，在其他干扰较小时，省内台站体应变受气压影响特征较为一致，随着气压的波动变化呈现一致性变化，如图3中a和b列举了六安台和嘉山台气压和体应变数据曲线，两者趋势性一致；在气压骤变时，体应变随着气压的变化出现快速响应变化，如图3中c所示。

2.2 水位影响

含水层孔隙水压力变化带动水位的变化，孔隙压力变化又会带来体应变的变化。井区周边干旱、降雨、抽水、灌水对水位产生显著影响，水位变化使体应变出现和水位同步的变化特征，在提取异常时，需要去除水位干扰。安徽省内体应变受到水位干扰，主要表现在自然井水位的变化、周边环境变化促使井水位变化，如井区周边井孔施工及周边抽水井抽水影响等。

2.2.1 井水位变化

对省内台站的分析发现，受地下水动态变化影响较大的是合肥、黄山体应变，体应变年变动态和水位的年变动态基本一致，两者呈显著相关。选择其干扰较小的时段以月为窗长计算体应变与水位的相关系数，表4中列出了2013年10至12月合肥台和2013年12月至2014年2月黄山台体应变、水位相关系数和干扰系数，在所选在的时间段中体应变和水位相关性达到0.85以上。从图4可以明显的看出合肥台水位和体应变年变化趋势基本一致，水位和体应变高值一般出现在每年4至10月份，可能和合肥地区季节性降雨有关，合肥地区降雨主要集中在每年4至10月份，降雨补给使水位升高致使体应变发生变化。六安、嘉山体应变受水位影响较小，其中嘉山台钻孔为无水钻孔。水位对体应变的影响主要和井孔所处的地理位置和钻孔岩性有关；而安装仪器时井孔的密封性也会对体应变数据产生一定的影响。

2.3 环境干扰

图3 气压、体应变分钟值曲线Fig.3 The minute value curves of the air pressure and volume strain of Hefei seismic station

表4 体应变水位相关系数Table 4 The correlation coefficient between the body strain and the water level

图4 合肥台水位、体应变日均值曲线Fig.4 The mean value curves of the water level and body strain of Hefei seismic station from 2012 to 2015

2.3.1 施工干扰

钻孔观测环境可比喻为井下仪器的外延，或者说钻孔观测环境是井下地形变连续观测仪器的重要组分，所以井区周边环境变化对体应变干扰较大，特别是井区周边施工、抽水、注水都会使数据出现不同程度干扰变化[5]，不易识别数据真伪，给数据处理带来困难。

2011年合肥台距体应变井口5 m处测震深井施工导致体应变5月10日至6月13日出现较大波动（图5），其中测震井安装套管，分别在5月19日、6月2日向井下注水，使得体应变数据在5月20日、6月2日出现了上升的台阶变化，计算水位干扰系数分别为35.52×10-9/cm、30.69×10-9/ cm，水位干扰系数比降雨天气已统计的水位干扰系数高2到4倍，而这次波动后6月17日距离此井孔78 km发生了桐城3.7级地震，无法判断此次地震是否存在异常。

2.3.2 抽水干扰

蚌埠台体应变从2009年投入使用，一直受到严重干扰，对产出数据进行统计、跟踪调查、现场实验[6-7]发现，该台体应变观测受到附近3口居民生活用井和1口水氡观测井抽水影响，其中距离体应变观测井88.2 m的水氡观测井抽水影响最为严重，居民用水井抽水时间多集中在5至8时和16～19 h，水氡井抽水在8点15分开始，持续抽水30 min，此时间段和图6中体应变所出现的显著变化基本一致，体应变基本每天呈现此干扰形态，严重影响了数据的质量。

图5 钻孔水位、体应变2011年4～6月小时值曲线Fig.5 The hour value curves of the borehole water level and bore-hole body strain from April to July，2011

2.4 其它干扰

图6 2009年9月18日抽水影响曲线Fig.6 The pumping interference curve of bore-hole body strain on September 18th，2009

在体应变观测过程中，体应变还受到雷击、停电、切换交直流电源、线路接触不良、数采故障等，使数据出现突跳、台阶变化、脉冲变化等干扰现象。常见的有雷击导致的台阶变化（图7b）。2014年9月12日黄山台附近为雷雨天气，体应变出现了台阶变化；线路接触不良导致体应变出现不规则的突跳现象，如2014年12月黄山台体应变出现了不规则的脉冲变化，经过专家核查，认为是线路接触不良导致的变化；合肥台体应变数据在23时55分左右出现突跳频繁，疑似日期转换导致的突跳如图7a所示。

针对以上情况，工作人员需要定期检查维护仪器，及时矫正仪器参数，做到每天定时检查仪器，发现死机，及时重新启动仪器；而由于恶劣天气或其他原因导致的仪器故障，建议为台站配置备用仪器。

3 结语

通过对安徽5个台TJ-II型钻孔应变仪观测资料的分析研究可知，省内台站体应变观测普遍受到气象因素影响，同时体应变还受到水位、环境及仪器故障等干扰，不同地理位置和钻孔条件，使得其干扰特征和影响程度存在异同，总结如下：

（1）台站所在位置周边有高于台站海拔的山峰，且岩体破碎、透水性好的钻孔，一般受到降雨和水位、气压干扰严重。如合肥和黄山台体应变，观测资料干扰特征相似，体应变年变化和水位年变化形态基本保持一致，相关程度高；且体应变受到降雨影响显著，特别是强降雨天气，体应变即时效应明显。

图7 体应变干扰特征Fig.7 Interference characteristics of body strain

（2）无水钻孔，体应变受水位及降雨干扰较小。如嘉山台体应变，钻孔处于涧溪镇清明山上，钻孔为无水钻孔，从目前记录体应变数据来看，未发现降雨对体应变的明显干扰，季节性降雨时，体应变有升高趋势，但不明显，目前主要受到气压干扰和仪器故障干扰。

（3）钻孔岩体完整致密度高，体应变受干扰相对较小，如六安台体应变，岩体多呈闭合式长柱状，少量节理裂隙，水分渗透较慢，水位上升缓慢，降雨引起水位变化对体应变的影响较小，主要为缓慢的趋势性上升变化，快速变化不明显。短周期内受到气压干扰和雷电干扰较多。

（4）钻孔所在区域有其他钻孔，且钻孔之间有一定的联通性时，体应变数据受到抽水和灌水影响一般较大，如蚌埠台和合肥台的体应变。蚌埠台体应变井周边有几口民用井和水氡观测井，体应变受到附近井孔抽水影响，而附近抽水井不定时的抽水，致使体应变出现不规则的干扰形态，观测以来体应变数据没有记录到固体潮汐变化，很难辨认数据真实形态，给前兆异常识别带来困难。合肥台钻孔所在观测平台有几口其他手段的观测井，在井口施工灌水时，体应变出现了异常变化。

（4）台站体应变受气压干扰的特征相似，省内体应变短周期变化尤其是日变化主要受到气压影响，体应变随着气压的波动而发生波动变化，形态基本一致；在其他干扰较小时，体应变月变化受气压干扰较大，两者相关程度较高。

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Interference Analysis of Observation Data of TJ-II Bore-Hole Body Strain Data in Anhui

LIU Chuanqin1，PEI Hongyun2，LONG Aijun1，SUN Hongbo1，LU Yexiao1，WANG Yikun1
（1.Hefei Seismic Station，Anhui Province，Hefei 230031，China；2.Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

The paper analyzed and discussed the observation data of five TJ-II bore-hole body strains which were installed at the same time with different geographical locations and tectonic conditions.The results show that the interference factors on five TJ-II body strains were different.The observations of Hefei and Huangshan body strain were obviously influenced by underground water，rainfall and atmosphere,and the correlation coefficient of their body strain and water level is more than 0.85.The correlation coefficient of their body strain and the air pressure is more than 0.7 and the interference coefficient of rainfall is larger，of which the Hefeistation is about 0.50×10-8/cm.The Bengbu station's body strain has been severely influenced by the pumping of well near borehole，and the law of output data is not obvious.The body strain of Liuan station is less influenced by water level,and is obviously influenced by air pressure in a short period.The instrument in the Jiashan sation is installed in the borehole without water，so it is less influenced by rainfall and water level.

TJ-II Bore-hole；Body strain；Interference；Meteorological factors；Environmental factors

P315.7

A

1001-8662（2016）03-0068-07

10.13512/j.hndz.2016.03.010

2015-07-29

安徽省地震局合同制项目201432

刘川琴（1981-），工程师，主要从事地形变观测与研究工作.

E-mail：liuchuanqin1026@sina.com.

刘川琴，裴红云，隆爱军，等.安徽省TJ-II型钻孔体应变观测资料干扰分析[J].华南地震，2016，36（3）：68-74.[LIU Chuanqin，PEI Hongyun，LONG Aijun，et al.Interference Analysis of Observation Data of TJ-II Bore-hole Body Strain Data in Anhui[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：68-74.]