长治中心地震台体应变观测干扰识别

2018-11-02窦立婷兰思萱

山西地震 2018年3期

窦立婷，兰思萱，成诚，耿伟，李云,平旗

(1.山西省地震局长治中心地震台，山西长治 046000;2.山西省地震局，山西太原 030021；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 引言

在山西地震台站“十五”数字化观测项目建设以来，观测仪器记录的数据量明显增多，由原来的小时值变成了分钟值。分钟值和整点值资料未被很好地运用，主要原因是数字化数据中各种干扰信息与地震异常信息混杂，无论从形态上还是变化幅度的量级上都不易区分。因此，正确识别数字化观测资料中的各种干扰因素，以便较为准确地提取地震前兆信息的工作就显得尤为重要[1-3]。

文章应用EIS2000地震前兆信息处理软件及MapInfo软件系统，对长治中心地震台(以下简称长治台)体应变2012年9月至2017年7月形变数据进行整理，对影响观测质量的故障问题和引起固体潮畸变的因素进行分析。

1 台站背景资料

1.1 台站概况

长治老顶山地震台属于长治台的子台之一，位于长治市老顶山盐店沟村，距长治台办公地址约10 km，海拔高度1 036 m,处于太行山地区。台站附近出露地层为奥陶系中统上马家沟组(O2S)石灰岩、豹皮壮灰岩夹白云质灰岩，产状为350°<3°。

1.2 钻孔概况

长治台TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变仪是“山西省地震局安全信息服务工程”项目建设时，于2012年9月17日安装完成。台站选用交流供电方式，有防雷保护措施。钻孔井为石灰岩、泥质灰岩，仪器灵敏度优于1×10-9，钻孔孔深63 m，孔径130 mm。长治台体应变井孔位于老顶山上，在打井过程中未打出地下水，故为干孔，可有效避免水位、水温干扰的影响。TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变仪钻孔点远离大型振动源、主干公路、大型变压器、电台发射天线、大型电机等，基岩比较完整，适合作为应变观测场地[4]。

1.3 正常动态分析

仪器自安装以来运行正常，观测曲线光滑，固体潮日变为正常的双峰双谷型，观测资料完整率和预处理率均大于99.95%，数据连续可靠。正常观测日变分钟值曲线如图1所示。

图1 长治台体应变仪分钟值曲线图Fig.1 The minute value of the volumetric strain gauge at Changzhi station

2 形变观测干扰分析

2.1 自然环境因素

2.1.1 雷电干扰

雷电是自然环境中主要干扰因素之一。体应变仪安装于老顶山顶部，地势较高，周围无更高的建筑，当雷电与山体接触后，会形成地电位的急剧升高，有时甚至会产生高达几万伏的电位差，导体上的感应电荷经接地装置不能迅速流入地下，从而直接导致体应变仪探头产生感应电荷，使仪器输出的mV值瞬间增大[5]。

体应变仪值(ΔV/V)=(格值B)×(仪器输出mV值)。

每年6至8月长治地区雷电降雨高发，伴随雷电的发生，体应变观测数据瞬间增大，出现向上的阶变。如图2所示，2016年6月13日15：00-24：00降雨并伴有3次明显的强雷电，每次雷电导致曲线出现相似的向上突跳，易识别。强雷电可能击坏仪器，必须提升防雷级别，减少雷电的影响。

图2 长治台体应变仪分钟值受雷电干扰曲线图Fig.2 The minute value of the volumetric strain gauge disturbed by lightning at Changzhi station

2.1.2 气压影响

体应变观测普遍会受到气压影响，因为气压变化也是引起地壳内应力变化的一个因素。气压出现短期急剧变化时会引起体应变数据产生相应的固体潮畸变，而引起气压变化的因素也是多方面的，如刮风、降雨、降雪、气温波动等[6]。观测曲线出现阶跃或波动的时间相比气压的突变时间有一定滞后性，滞后时间长短与钻孔的密封性有关。

用弹性力学的知识分析，钻孔体应变不仅受水平方向上侧向围压力的作用，在垂直方向还受大气压的直接作用。根据苏恺之教授的推论，建立体应变观测受气压干扰的数理模型为：

ε=b×ΔPa

，

(1)

(2)

式中：ε为钻孔体应变量；b为气压影响系数；ΔPa为大气增量；E为岩石弹性模量；μ为岩石泊松比。体应变与气压一般呈正相关性[7]。

以长治台2015年5月10日观测数据为例，13：00观测地点出现阵雨，钻孔气压由882.6 hPa开始上升，达到889.4 hPa；体应变主测项数据同时出现趋势变化，体应变量由678.3升高到697.9毫角秒。随着钻孔气压的稳定，体应变量也趋于稳定，表明长治台体应变与气压具有较高的线性相关性，且体应变的短期波动变化与气压基本同步(见图3)。体应变观测曲线与气压观测曲线保持良好的一致性，影响体应变的固体潮记录。

2.2 观测系统因素

2.2.1 数采故障

数采故障直接影响数据的连续率。

图3 长治台体应变仪受气压影响动态变化曲线Fig.3 The dynamic change of the volumetric strain gauge under the influence of air pressure at Changzhi station

导致数采故障的原因主要有两种，一是由于数采长期工作，偶尔会出现死机;二是断电，数采无法正常工作。以长治台2014年6月25至27日数据为例，前兆管理系统显示体应变采数不正常，依次按下主机面板上的4个切换按钮，主机显示屏上数字不动。针对这种情况，需要采取断电，重启主机，手动采集数据。重启后，前兆管理系统界面显示正常(见图4)。

图4 长治台体应变分钟值受数采故障影响曲线图Fig.4 The minute value of the volumetric strain gauge under the influence of data acquisition trouble at Changzhi station

以长治台2015年4月2至3日停电导致数采故障为例,14∶50网页采数异常，经电话询问，因老顶山停电引起(见图5)。

图5 长治台体应变分钟值因停电导致数采故障影响曲线图Fig.5 The minute value of the volumetric strain gaugeunder the influence of data acquisition trouble by power outage at Changzhi station

2.2.2 信号干扰

体应变仪自2012年9月运行以来，在11、12月仪器输出数据噪声大。经请教有关专家，认为仪器接地线没有处理好。由于仪器外壳存在静电，造成对观测数据的干扰，主测项频繁出现毛刺(见图6)。2013年1月1日重新安装地线，7月25日对地线进行检查升级，把两根电线通过焊锡组成一条，作为体应变数采与接地的连线，之后数据再未出现毛刺。

图6 长治台体应变分钟值受信号干扰曲线图Fig.6 The minute value of the volumetric strain gauge disturbed by signal at Changzhi station

为防止遭遇雷击，2017年6月1日在长治地区雷雨高发期前对体应变进行防雷项目改造。改造完成后，7月19日数据曲线出现向下的阶变，随后曲线持续密集型数据突跳(见图7)。经检查，仪器正常，当天老顶山地区无雷雨天气，疑为信号避雷器受其他地区信号影响，将避雷接线去掉后，曲线恢复正常。

图7 长治台体应变分钟值受避雷器接线影响曲线图Fig.7 The minute value of the volumetric strain gauge under the influence of arrester at Changzhi station

2.3 人为因素

体应变受人为干扰主要包括仪器调零和标定。如图8所示，2013年12月11日人为对仪器进行开阀，造成数据干扰。如图9所示，2014年1月1日对仪器进行标定，观测人员将产生的错误数据进行缺数预处理。处理后，记录曲线表现不明显，因此人为干扰必须在工作日志中详细记录，便于以后观测资料的分析。

2.4 同震阶跃

通过对2002年仪器安装以来的原始记录分析整理，发现长治台的钻孔体应变共记录到百余次地震，主要是6级以上的远距离大震及近距离的较大地震，记录到的地震事件对观测数据的影响程度与地震的远近及震级的大小都有一定的关系。震级越大，距离越近，对数据幅度的影响越大，持续时间也越长。如图10所示，以2017年1月22日12∶30的所罗门群岛M7.9地震为例，长治台钻孔体应变于12∶37记录到该地震，持续时间160 min，可见地震事件对数据的影响不可忽视。