代县地震台体应变资料受气压影响分析及排除

2018-06-25孟彩菊杨世英沈晓松任瑞国赵春华张红秀

山西地震 2018年2期

孟彩菊，杨世英，沈晓松，任瑞国，赵春华，张红秀

(1.山西省地震局太原基准地震台,山西太原 030025；2.山西省地震局临汾中心地震台,山西临汾 041000；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原 030025)

0 前言

气压对体应变观测存在一定的影响，张凌空等研究体应变观测中的气压干扰机制和排除方法；王梅做了数字化体应变与气压、水位相关性研究；卢双苓等、刘川琴等对钻孔体应变观测的干扰异常进行分析；李光科分析总结重庆库区各台钻孔应变受气压、水位影响情况，并进行了气压、水位改正[1-6]。

文章对山西省地震局代县中心地震台体应变资料进行气压影响及排除分析，对气压影响程度及排除效果进行总结。

1 资料选取及整理

数据选取以日均值为主，资料来源于山西省地震局前兆预处理数据库，以“十五”数字化以来(2008-2017年)连续、可靠的数据为主。

分析时，首先对收集到的原始数据进行初步整理，发现观测曲线有数据波动、台阶时，进行日值查询、仪器维护记录查询，并进行原始库分钟值数据查询，在此基础上对数据进行删除、抬升等处理。

2 气压影响及排除分析

2.1 体应变与气压相关性分析

张凌空从理论上推导出，对于同一口观测井，各项参数基本恒定，即体应变与大气压保持一种线性关系[1]。因此处理资料时，可以建立线性回归方程，求得体应变与大气压关系，以排除干扰。

代县台体应变观测采用TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变仪，其设计原理为：应变值增加表示压性，减小表示张性。

以代县台2017年数据为例进行分析，由于代县体应变每年夏秋季干扰较大，观测数据起伏变化，分析时选取受干扰小、趋势单一(近似于一条斜线)的冬季(1-3月份)时段的资料，该时段体应变与气压曲线形态如图1所示。

图1 代县台气压及体应变观测曲线Fig.1 Observation curve of barometric pressure and volume strain in Daixian station

从图1看出，2017年1-3月份的气压曲线无长趋势漂移，体应变曲线存在向下漂移(张性)趋势。在趋势变化的影响下，气压影响不明显。当气压曲线存在很大波动时，体应变曲线仅观察到微弱的波动。

针对体应变的漂移变化，对其进行去趋势处理，研究时采用一般多项式最小二乘法对体应变资料进行去趋势拟合处理。第11页图2为处理后的体应变与气压曲线对比图，为便于观察，进行曲线重合对比排列，可以看出，二者形态非常相似，曲线存在较好的一致性。

计算2017年1-3月的相关系数，R分别为0.91、0.99、0.86，总相关系数为0.93。查阅计算结果可得，30个(研究时段中的按月分段)统计数据相关性检验显著性水平α为0.01时，rα为0.449；显著性水平α为0.01时，f1,28为7.64，计算出1月的F检验值为126.9，说明数据之间的相关性显著(2、3月份结果相似)；90(研究时段中的1-3月份总时段)个统计数据显著性水平α为0.01时，rα为0.267。显著性水平α为0.01时，f1,88为6.93，计算出1-3月的F检验值为570.2，远远大于检验值，说明代县体应变按1个月或3个月进行的相关统计均符合检验要求，相关性显著。

对1-3月份数据进行一元线性回归计算，得到回归方程如下:

Y=-2 880.74+3.18X，

(1)

式中：Y表示因变量体应变值；X表示自变量气压值。气压系数为3.18×10-9hPa，表示每hPa引起的体应变变化量。

由于观测过程中不可避免地存在仪器故障，数据因更换仪器造成波动。结合仪器维修更换记录，引用潮汐因子作为数据稳定性判断依据，对更换仪器造成跳动较大的数据进行校正，给出校正后的气压系数。

为全面了解代县气压的影响情况，对该台体应变与气压数据进行多个时段(选取缺数较少、其他干扰相对少、故障少的时段)计算，结果如表1所示。

从表1看出，各时段体应变与气压呈显著正相关，相关系数多次达到0.90；气压系数存在一定的波动，在(4.10～8.62)×10-9/hPa的范围内变化。气压系数的波动，可能是季节原因，冬夏季节不同，孔隙含水量不同，岩石响应不同(见表1中2012年、2014年不同时段系数)；数据处理方法或过程的差异也可能对分析结果造成一定的差异，如1-3月，拟合处理时体应变值进行去趋势处理，气压曲线由于趋势变化不明显，未进行去趋势处理，实际上气压存在微弱的趋势下降变化(图2中的1月份、3月份曲线吻合程度较2月份的差)，这种数据处理的差异引起计算结果存在一定误差，1-3月各月系数变化范围为(5.44～6.98)×10-9/hPa。

表1 代县台气压影响一览表Table 1 The influence of atmospheric pressure in Daixian station

2.2 气压影响的排除

将1-3月份的气压值作为自变量代入式(1)，得到受气压影响的体应变拟合理论曲线，进一步计算出体应变(去趋势后的)与理论体应变的差值，得到去除气压影响的体应变值，完成体应变(去趋势后)受气压影响的排除工作(见第12页图3)。

由图3可见，处理后效果显著，曲线大的波动消除，变得非常光滑，与原曲线相比，曲线幅度也明显减小。经统计，1-3月份去趋势后，代县体应变幅度为61.6×10-9，处理后的残差值(去除气压影响的去趋势体应变值)幅度为18.3×10-9，仅为原值的三分之一。

第12页图4给出代县体应变原始曲线a、按回归系数计算的气压影响下的理论体应变曲线b、c及原始与理论体应变差值(去除气压影响体应变)曲线对比图，从曲线d可以看出，处理后的体应变曲线变得光滑，排除气压干扰效果较好。

为分析气压对体应变年变的影响，曲线c纵坐标范围为参照体应变原始数据年变幅度(曲线a)设置，从该曲线可以看出，理论体应变曲线压缩为接近直线，

图3 代县台气压与去趋势后体应变数据散点图Fig.3 Scatter plot of barometric pressure and volume strain data after removal of the trend in Daixian station

说明气压对代县体应变影响程度较小，幅度约占体应变年变的十分之一。对比a、b曲线看出，代县体应变年变化的大致形态没变，气压造成的微小波动被除掉。

2.3 影响分析

气压系数为每hpa气压变化引起的体应变变化量，从表1的气压系数值可知，每hpa的气压变化引起代县体应变(4.0～8.0)×10-9的变化，一年中气压的年变幅最大(每年的最高值与最低值之差)约为35.0 hPa，气压年最大变化量引起体应变(1.4～2.8)×10-7的变化，代县台每年的体应变幅度变化为(2.0～10.0)×10-6(校正后)，气压造成的影响占年变化百分之几的量(<10%)，在年变及更长趋势(<1%)变化中影响较小。如图4中，从曲线b可以看出气压变化造成体应变的总变化幅度为76.6×10-9，体应变原始曲线(曲线a)的总变化幅度为984×10-9，二者的比值为7.8%，这个结果说明体应变的大幅度年变化(或季节变化)不是受气压影响形成(研究显示，年变的主要影响因素为水位变化所致，在此不展开讨论)，气压对体应变年变化影响较小。

图4 代县台体应变去趋势、气压影响下的理论体应变及二者残差曲线Fig.4 Theoretical volume strain after removal of the trend and the barometric pressure influence and the residual curve

在周、月会商分析中，用到分钟值数据做较短时段的数据分析，体应变短时段变化幅度小，气压的影响相对变大，应注意气压剧烈波动造成的数据“异常”[7-8]。