大同中心地震台体应变观测资料干扰因素分析及运行质量评价

2018-11-02李文超闫美蓉彭丽娟高存英

山西地震 2018年3期

李文超,闫美蓉,刘发,韩胜,彭丽娟,高存英

(1.山西省地震局大同中心地震台，山西大同 037008；2.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

大同中心地震台(以下简称大同台)体应变仪2006年开始安装，2007年投入运行。对该仪器8年的记录资料进行分析，识别各类非地震前兆干扰，归纳总结干扰引起记录曲线的动态特征。同时对观测数据的内精度进行分析，找出影响观测质量的原因，为地震预测预报提供可靠的资料。

1 台站背景资料

1.1 台址概况

大同上皇庄地震台始建于1970年，海拔高程1 175 m，位于大同市西北，距市区外围公路约3 km。所在地行政上属大同市南郊区马军营乡上皇庄村，有乡间道路通至市区，供电、通讯方便。台站处于大同盆地边缘两大地貌单元的分界处，台站西北部为山区，山地中沟谷发育，切割较深，东南部为洪积-冲积倾斜平原。从地质上来说，台站位于阴山东西向复杂构造带南缘，大同盆地北界构造复杂，有北东、北西向断裂在台站附近交汇，晚近期活动的口泉断裂在台站附近通过。台站西部广泛出露太古界桑干群黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩，混合岩化强烈，上覆盖第四系黄土，东部为冲-洪积砂土、黄土、砾石层等[1]。

1.2 钻孔状况

2006年7月29日，大同台安装体积式钻孔应变仪、探头以及气压、水位、温度辅助测项仪器。钻孔开口孔径147 mm，终孔孔径130 mm，孔深62 m，探头底部实际埋深62 m，有柱状图及岩芯保存。岩石性质为花岗岩，结构完整坚硬。裂隙、含水层、破碎带情况是在58.6～61.7 m岩石完整，钻孔比较干净，沉砂比较少。

2 观测曲线正常动态分析

大同台钻孔体应变自安装以来运行稳定，取得连续可靠的观测资料，能记录到光滑的固体潮曲线，日变清晰，周期规律明显(见图1)。

图1 大同台体应变观测日变曲线Fig.1 Daily variation curve of volumetric strain observation at Datong station

3 主要干扰分析

从大同台钻孔体应变多年的观测数据看，能记录到清晰的地震波形，较好地反映地下应力的变化，但在实际观测中不可避免地受到多种因素干扰，主要有气压、降水、雷电、电源供电以及仪器自身工作状态。

3.1 气压干扰

地面负载的增减会因气压变化而产生影响，从而导致岩体应力应变产生变化[2]。张学阳对高精度潮汐观测中气压观测的必要性进行论述，阐明气压的影响存在周期性变化，周期性变化效应在100 m深度内最大[3]。大同台钻孔体应变井深62 m，分析发现，受气压影响较大，体应变主测项记录曲线与辅助钻孔气压记录曲线日变动态基本呈现同步变化特征。

2014年6月20日19:18大同台体应变辅助测项钻孔气压受雷雨天气气压短时剧烈变化，数据产生波动，钻孔气压数据从894.28 hPa上升到895.44 hPa,之后又迅速下降到894.59 hPa,同时段体应变主测项受钻孔气压短时剧烈变化产生固体潮畸变，与钻孔气压产生同步数据变化(见图2)，体应变曲线在钻孔气压变化趋于稳定后恢复正常变化动态。2015年9月27日17：58体应变辅助钻孔气压从890.0 hPa开始急剧上升，18：23达到最高值891.44 hPa，18：45恢复到正常890.27 hPa。受短时气压急剧上升下降变化，体应变主测项同步产生畸变，形态类似“鼓包”，与气压变化吻合(见图3)。通过钻孔气压曲线和体应变主测项曲线多次数据同步变化对比看出，体应变主测项受钻孔气压数据干扰明显，尤其是短时急剧上升或下降，都会对应形成“尖谷”或“尖峰”，使固体潮曲线产生畸变。在钻孔气压变化趋于稳定后，体应变主测项数据也趋于正常变化形态。

图2 大同台体应变仪受气压影响曲线图Fig.2 Curve of volumetric strain gauge affected by pressure at Datong station

图3 大同台体应变仪受气压影响曲线图Fig.3 Curve of volumetric strain gauge affected by pressure at Datong station

3.2 降水干扰

大同台体应变数据受降水干扰显著，通过选取典型降雨天气的干扰分析发现，干扰分为两类：一是降雨可造成大地负荷效应。即当降雨为大暴雨时，这一效应可在观测曲线上体现出来；二是降雨后一段时间，随着雨水逐渐渗透到岩体间隙，导致含水层或破碎带中孔隙水的饱和程度发生变化，影响体应变观测值。

2015年8月24日15:31开始出现雷暴雨天气，根据台站辅助观测气象三要素记录15:31至16:16降雨量为12 mm，钻孔水位从15:31至16:16上升1.14 cm，体应变主测项受短时急剧降雨影响导致山体负荷增加，体应变数据产生变化，呈向上压性变化，变化量为6.7×10-9(见图4)。在此次降雨的影响下，钻孔水位从24日15：31的446.6 cm上升到25日11：21的478.8 cm峰值，上升32.2 cm。体应变固体潮曲线出现趋势性上升变化，采用整点值计算，体应变主测项应变变化量为20.8×10-9，呈压性上升，幅度较大。

图4 大同台体应变主测项和降雨量原始曲线图Fig.4 Original curve of the main measurement items of volumetric strain and rainfall

分析认为，降雨干扰引起体应变主测项曲线动态呈压性上升变化。降雨后，体应变观测数值持续性变化时间与降雨量的大小有关。降雨量越大，持续性变化时间越长；反之，则越短。

3.3 雷电干扰

雷电对体应变的干扰，主要表现在对仪器电路的感应[4]。通过对比大同台体应变仪在雷电发生前后(2016年8月7日至13日)的连续观测曲线，可以看出雷电发生后的数据异常和固体潮消失(见第44页图5)，这次雷电造成体应变仪数据模块损坏从而产生错误数据。2014年6月25日15至19时，出现雷暴雨天气，有强雷电干扰，体应变主测项观测曲线出现多次脉冲式畸变，频繁出现开阀阶变(见图6)。

图5 大同台体应变仪器雷击故障曲线图Fig.5 Curve of lightning stroke trouble of the volumetric strain gauge at Datong station

图6 大同台体应变受雷电干扰曲线图Fig.6 Curve of interference caused by lightning to volumetric strain at Datong station

3.4 供电干扰

供电干扰是体应变观测中较常见的一种干扰因素，多数为突变型和脉冲型两种类型，经过排查落实具体原因后可以在实际观测中避免。突变型变化主要由交流供电电压、发电机供电电压、UPS输出电压持续不正确导致，其数据形态通常表现为持续尖峰、错误数据，待仪器输入电压稳定、准确后，形态可恢复到正常状态(见图7)；脉冲型变化主要表现形态为开阀阶变，多为仪器自身故障引起，主要原因为突然断电、交直流电源切换等引起的瞬时电压不稳，导致观测值不正常变化。

图7 大同台体应变受发电机供电故障干扰曲线图Fig.7 Curve of interference caused by generator power supply trouble to volumetric strain gauge at Datong station

4 运行质量评价

在固体潮形变分析中，利用EIS2000软件提供的Venedikov调和分析方法，对大同台体应变观测资料进行计算(其中，2016年度数据截止日期为6月30日)，得到M2波潮汐因子、潮汐因子中误差、相对误差、潮汐相位滞后等数据(见表1)。分析看出，大同台体应变M2波潮汐因子的中误差、相对误差远小于0.05，表明体应变观测资料的内精度、稳定性都较高。其中，2013年、2014年数据计算得出的中误差以及相对误差比往年偏大，原因是仪器、探头受雷击影响以及仪器自动开阀频繁，导致数据内精度下滑。