短时气压干扰下TJ-Ⅰ、TJ-Ⅱ型体应变观测频谱对比分析

茅远哲，张国苓，董 博 ,2，乔子云，马 栋，曹 筠

(1.河北省地震局，河北 石家庄 050021；2. 河北地质大学，河北 石家庄 050021)

钻孔体应变观测是地壳应力应变状态及其变化规律的重要研究手段，同时也是现代地震前兆观测手段中不可或缺的技术力量 (李海亮等，2010；苏恺之，2003)。已取得的形变观测手段受大气干扰因素的频谱机制研究成果表明：相对于地表形变观测手段，钻孔应变观测虽然从一定程度上减弱了大气压强影响(马栋，2011)，但其仍是对钻孔应变观测结果造成影响的常见且明显干扰因素之一(茅远哲等，2016)。为进一步对此问题进行研究，本文选取易县台两套体积式钻孔应变仪观测结果中受到气压干扰的部分分钟值资料作为研究对象，利用小波分析法对主测项与辅助钻孔气压测项资料进行同期分析，计算体应变主测项与气压测项在各个频段上的小阶数据结果，对比TJ-Ⅱ型与TJ-Ⅰ型体应变仪受短时气压干扰下的频谱响应特征，分析两套体应变观测手段识别短时气压干扰的能力。

1 测点环境与观测仪器

河北省地震局易县地震台地处太行山隆起带与华北平原拗陷区的分界部位，位于太行山北段低山丘陵地区的紫荆关断裂带东侧，台站地理位置及周边断裂分布如图1所示。2014年台站完成TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变仪安装，并与原有TJ-Ⅰ型体应变仪并行至2015年12月。体应变钻孔选址于易县台站院内中部的空旷区域，其中TJ-Ⅰ型体应变井深70.3 m，TJ-Ⅱ型体应变井深90 m，两井相距10 m，均采用市电和UPS电源供电。TJ-Ⅱ型钻孔体积式应变仪相对于TJ-I型具有如下优势：1)具有更高的灵敏度和分辨率，理论上可以捕捉到更为微小的细节变化信息，能够记录到更高频率的数据信息；2)量程扩大1倍以上，对于观测仪器采集的数据宽度有了明显的提升；3)为了在遭受雷击等情况下造成传感器损坏后井下仪器还能继续工作，TJ-Ⅱ型在仪器内部加装了一个性能完全一致的备用传感器，进一步提高仪器产出数据的连续率。

图1 易县地震台地理位置及周边断裂示意

2 资料选取与研究方法

以易县地震台并行的两套钻孔体积式应变仪数字观测资料为基础，整理出仪器在2015年3月1日至12月31日共10个月的数字观测分钟值资料，挑取出其中2次分别受到高气压与低气压明显影响事件(分别为2015年8月17日和9月8日)，选取两个测点全天分钟值观测资料作为分析对象。短时气压波动过程，即持续时间一般在数分钟、数十分钟以至数小时。目前分析气压对体应变的影响较为常用的方法是小波变换。小波变换主要是从不同频段将数据进行分解，进一步分离和识别高频和低频信息(乔子云等，2000),将其应用于主测项与辅助气压测项数据，提取出主测项与气压测项在各频段中同步变化且形态特征一致的部分，即气压干扰“响应”频段，进一步对比分析两套体应变仪对气压变化的响应频段特征。

3 频谱对比分析

气压干扰能够在一定程度上掩盖地壳形变的真实变化，因此识别与排除体应变观测中的气压干扰非常重要(乔子云等,2000)。根据对潮汐形变观测受干扰情况的初步分析，气压干扰对潮汐形变观测的影响主要为观测系统受到高气压与低气压环境控制下产生的变化，所以本文将干扰体应变观测的气压变化类型分为两类：高压环境干扰与低压环境干扰(孙伶俐等,2014)。

3.1 高气压对体应变的干扰

高气压控制的区域其中心地带气压较高，气流呈辐散状态向周围方向运动，受控中心区域下沉气流占主要优势。此时响应形态在观测曲线上的反映特征多为密切震颤状，结合微观反应考虑，很可能是由于地表气压波动会造成区域负荷发生变化，同理仪器所在钻孔水面负荷发生增减导致。根据中国地震前兆台网处理系统记录显示，易县台两套体应变观测曲线均于2015年9月8日20～23时出现畸变(如图2)。观测系统所在地区畸变时段内未发生水位与温度的明显变化，钻孔气压观测曲线出现与主测项变化形态接近的震颤。畸变形态在分钟值观测曲线上呈震颤状，与上述特征相符，推断主测项曲线畸变主要是由高气压干扰类型引起的。

3.2 低气压对体应变的干扰

低气压时区域中地面中心附近的气压相对低，受控区域的中心盛行上升气流，由于空气上升运动导致此类情况通常伴随着降水发生，此时潮汐曲线的形态多为起伏抖动状。后者是气流受洞腔内空气振荡发生扰动，导致潮汐观测上出现抖动响应。根据中国地震前兆台网处理系统中记录到的易县台两套体应变观测曲线均在2015年08月17日16时至20时出现畸变，且记录到该时段中出现少量降雨，与低气压环境背景条件相符合，畸变在观测曲线上呈起伏抖动状形态，测点附近在畸变时段内未出现明显温度变化，且与水位变化无相关性，钻孔气压观测曲线出现相近的抖动变化。推断主测项观测曲线发生畸变是由低气压干扰引起，如图3所示。

图3 2015年8月17日易县台TJ-Ⅰ和Ⅱ型体应变及辅助测项预处理分钟值曲线

3.3 从高阶部分对比两套体应变频段特征

现有研究表明，短时气压干扰对体应变观测的响应频段主要出现在6阶(32～128 min)部分(孙伶俐等,2014)，且该频段包括更多细节信息，因此对两套体应变的主测项与辅助钻孔气压观测在高阶范围(64～128 min)内的数据结果进行同轴对比，对比分析两套观测系统对气压干扰的响应频谱特征。(1)对于高气压干扰，两套体应变主辅观测小波6阶如图4所示，进一步计算，得到TJ-Ⅰ与TJ-Ⅱ型体应变观测主测项与辅助气压测项的观测数据小波6阶的相关系数分别为0.93与0.94。这表明TJ-Ⅰ与TJ-Ⅱ型体应变响应能力相近，均可以显示出体应变观测值与钻孔气压之间具有较高的相关性，对两种型号的体应变采用小波方法得出的解析结果均易进行高气压干扰的频谱识别。(2)对于低气压干扰，两套体应变主辅观测小波6阶如图5所示，进一步计算，得到TJ-Ⅰ与TJ-Ⅱ型体应变主测项与辅助气压测项观测分钟值小波6阶数据的相关系数分别为0.89与0.93。结合观测曲线观察，TJ-Ⅱ型较TJ-Ⅰ型体应变在6阶上的主测项与气压测项数据变化显示出了更好的同步性，且具有更好的相关性。说明对于此类呈抖动形态的低气压干扰畸变，TJ-Ⅱ型体应变在小波高阶细节上的体现比TJ-Ⅰ型体应变更加灵敏，更清楚地显示了体应变观测值与钻孔气压观测值的相关性，且在高阶频段上更易于识别该种气压干扰。

图4 易县台2015年9月8日高气压干扰

图5 易县台2015年8月17日低气压干扰

4 结论

利用小波分析法处理易县地震台体应变观测与钻孔气压观测分钟值数据，对观测中常见的受高气压环境干扰与低气压环境干扰情况分别进行了相关分析，得出以下结论：(1)TJ-Ⅰ型与TJ-Ⅱ型体应变观测主测项时序曲线均能响应短时气压干扰变化且时间较为同步，两套观测曲线变化形态较一致。(2)在高气压下，TJ-Ⅰ型与TJ-Ⅱ型体应变的主测项与气压测项在高频6阶细节上的相关系数接近，说明对于此类呈颤动形态的高气压干扰畸变，TJ-Ⅱ型体应变在小波解析细节上与TJ-Ⅰ型体应变响应能力相近；在低气压下，TJ-Ⅱ型体应变主测项与其钻孔气压测项在高频6阶曲线上的变化一致性较TJ-Ⅰ型变化形态更加同步且更为灵敏，具有更高的相关系数，说明TJ-Ⅱ型体应变观测更易于识别低气压干扰。