泉州地区三套TJ-2C钻孔体应变观测资料对比分析

尤宇星，罗开奇，陈新兴，张有明，林文峰

（泉州基准地震台，福建 泉州 362000）

0 引言

钻孔体应变观测，属于地壳形变观测的一种小空间尺度的观测。TJ-2型钻孔体应变仪一般安装在井下几十米至数百米深的基岩中，探头钢筒用膨胀水泥与岩石耦合，保证应力与位移在边界上连续，其观测灵敏度达到10-9的量级［1］。可以捕捉到丰富的信息，却不可避免地夹杂一些非构造运动的外界干扰因素。因此，各观测井的埋深、井孔条件、观测环境的不同，使体应变记录到的固体潮亦受到很多不同因素的干扰［2-3］。泉州地区目前有三套TJ-2C钻孔体应变观测仪，分别位于泉州市地震局院内（以下简称泉州局）、泉州地震台院内罗鼓山下（以下简称测点3） 和清源山山下1号洞洞内（以下简称测点7），本文拟以这三个观测井2015年的观测资料进行以下几个问题的对比分析：（1）观测资料质量；（2）受到的干扰因素；（3）映震效能。以此为依据评价各观测点的运行状况及临震异常特征，以期能够在钻孔体应变观测方面提出对地震监测预报更科学合理的建议。

1 井孔条件及仪器概况

泉州台位于北东向的长乐—诏安断裂带与北西向的永安—晋江断裂带两组断裂带的交汇点附近的罗鼓山，其海拔高程25 m，2001年8月在罗鼓山下架设了一台TJ-2C型体积式钻孔应变仪，钻孔岩性为二长花岗岩，基岩完整、裂隙不发育，井深72 m。2014年11月在距罗鼓山400 m处的清源山1号洞洞内又安装了一台TJ-2C型体积式钻孔应变仪，钻孔岩性为二长花岗岩，基岩完整、裂隙不发育，但在孔深8 m处有漏水，井深42 m。泉州局体应变观测点安装于2002年9月，成孔井深100 m，基岩完整，钻孔岩性为花岗岩。这三套仪器工作稳定，抗干扰性能比较强，精度与格值符合规范要求，主要受降雨、水位、气压干扰较大。体应变分钟值曲线能清晰记录到日变潮汐波形与远震波形。

2 观测质量分析

2.1 观测资料的完整性

资料缺记率按原始采样数据缺记率（N原）和整时值缺记率（N时） 分别进行统计：

再以下式计算得出平均缺记率：

表1 统计各观测井平均缺记率

2.2 观测资料的动态变化规律

这三套仪器的日变动态曲线均清晰、光滑、稳定，与理论固体潮一致性很好（图1）。泉州台两套仪器年变动态受降雨等因素的影响在长趋势情况下上呈较明显的压性变化，而泉州局年变动态稳定，在长趋势情况下上呈微弱的压性变化。体应变观测资料的年变幅和年零漂可以反映观测仪器的稳定性（表2）。钻孔应变仪的传感器埋深大，由膨胀水泥与基岩耦合为一体，理论上体应变传感器不应出现由于地表气温变化引起的年变形态，年变幅应保持在一个较小且稳定的范围内；年零漂可用来衡量观测仪器及其墩基的稳定程度，如墩基稳定且耦合较好则仪器零漂小，获得的观测数据精确性便高［1］。泉州台测点3与泉州局体应变已安装多年，均进入相对稳定阶段，年变幅和年零漂均较小，而泉州台测点7在2014年11月安装以来，亦慢慢趋于稳定，月零漂从2015年1月527.6×10-9， 6 月为 425.1×10-9， 而 12 月则为331.9×10-9，开阀次数亦从2014年12月以来的一个月多次到2015年全年共三次。

表2 统计各观测井动态变化规律

图1 泉州地震台测点3与测点7与泉州局同期日变动态曲线Fig.1 The dynamic curves of Monitoring Point 1 and 7 at Quanzhou Seismic Station at 1 and 7 and Quanzhou Bureau’s data in the same period

2.3 观测资料的主要干扰分析

2.3.1 长期动态变化的影响因素

从2015年泉州地区这三套体应变观测资料发现，除仪器自身的工作状态以外，主要存在两个干扰因素：降雨和水位的影响。泉州台测点3及测点7观测井成孔新鲜、完整、密封性良好，井孔条件类似，观测井井水位在安装完成后进入稳定阶段。能引起观测井井水位变化的最大因素是降雨，而由于泉州台测点3、7分别处于罗鼓山和清源山山脚下，易于被渗透积水，所以受到的干扰较大，长期干扰影响如2015年5月18日至6月10日、7月16日至7月31日以及9月1日至9月29日（图2方框所示） 以及12月2日至9日的四次连续降雨，罗鼓山体应变观测曲线年变动态由原来的张性变化转变为压性变化，最大幅度达1110.7×10-9。泉州局观测井地处较为平坦的新兴商业区，周围均为已成型的办公或住宅区域，无抽灌水、大型项目施工等现象，加上该观测井井口密封良好，故其年动态受降水的干扰很小。

图2 泉州地震台测点3、降雨、测点7年变动态图Fig.2 The annual variable dynamic graph of Monitoring Point 3，rainfall and point 7 at Quanzhou Seismic Station.

2.3.2 短期动态变化的影响因素

泉州地区使用的气压计分辨率为0.1 hPa，而体应变仪灵敏度优于1×10-9，因此微小的气压影响都可能被体应变观测记录到。对2015年1月20—21日测点3（采用测点7辅助测项辅助气压）、测点7、泉州局体应变与气压分钟值一元回归分析结果显示，相关系数和回归系数分别为 0.67， 6.74×10-9/hPa； 0.43， 5.28×10-9/hPa；0.36，4.12×10-9/hPa，3个台体应变与气压均较显著的相关。钻孔应变虽然与气压显示出显著的相关性，但是只有当气压出现短时剧烈波动时体应变观测值才会同步出现显著变化，表现为固体潮曲线波动畸变,如2015年8月7日至9日气压波动下降19.3 hPa，泉州台测点3、泉州台测点7体应变观测曲线亦均同步呈下降—缓慢上升—恢复原状，其中泉州台测点3下降幅度为136.9×10-9，泉州台测点7下降幅度为134.1×10-9，泉州局下降幅度为50.4×10-9。

2015年9月6日15：22泉州台及泉州局均记录到气压突然上升，15：32开始降雨，降水量20分钟达到7.4 mm，分别引起罗鼓山体应变观测值形态阶跃14.0×10-9，清源山体应变观测值形态阶跃136.9×10-9，然后均呈指数形式衰减—正常波动水平，测点3时间滞后约20 min，测点7时间滞后约60 min。泉州局体应变则表现不明显，这一效应可在观测曲线上明显看出（图3）。

图3 泉州地震台测点3与测点7短期遇大暴雨的干扰动态变化Fig.3 The disturbance of the Monitoring Point 3 and 7 at Quanzhou Seismic Station in short term

2.4 观测资料的固体潮调和分析结果

为了从监测地震前兆角度对观测井内在质量进行定量评价，以观测数据作为评价基础，以参加计算的数据文件作为评价单元，以分析计算结果作为评价依据［2］。作者对这三套体应变观测资料进行调和分析得到M2波振幅因子及其相对中误差（表3）。潮汐因子月均值RM2，为M2波潮汐因子逐月计算结果的均值，它表征体应变观测响应的灵敏度，显然，地震前兆监测需要该值越大越好。而M2波振幅因子的相对中误差则检验其观测资料的精度和长期稳定性［3］。由于泉州台测点3因11月主机故障缺记、12月维修直至恢复正常受到干扰、清源山测点4月、7月、11月因体应变开阀而导致潮汐因子及中误差畸变（表4）。从其他时间段内的月潮汐因子中误差统计看出，泉州地区这三套体应变观测仪器均达到优秀台站1类台的标准。

表3 统计各观测井潮汐因子

表4 统计各观测井潮汐因子相对中误差

3 地震映震效能分析

3.1 各测点地震映震能力分析

通过对泉州地区体应变仪记录的同震变化进行统计，绘制出了体应变映震能力图：2015年全球共发生了19次7级及以上地震，泉州台测点3记录到10例，泉州台测点7记录到17例，泉州局记录到14例；其中震中距4000 km范围内发生7级及以上地震14次，泉州台测点7和泉州局均记录到14例，泉州台测点3记录到5例；其中，泉州台测点7记录最小地震为5.0级，震中距261 km；而对于远震大震，如智利地震7.5级，震中距18088 km，泉州地区这三套仪器也均有较完整的记录。从图4可以看出，泉州台测点7体应变的灵敏度最好，记录地震个数最多。

图4 泉州地区体应变仪映震能力图Fig.4 Seismic capacity of bulk strain gauge in Quanzhou area

3.2 各测点对台湾地区强震映震特征分析

台湾地区及其附近海域在2015年全年共发生MS5.0级以上地震15次，其中泉州台测点3记录到其中5次，泉州台测点7记录到其中9次，泉州局测点记录到3次，台湾地区及其附近海域MS5.0～6.0之间记录到的同震波形更多的是以尖峰突跳为主，持时不超过10 min，记录到最远震中距为410 km，震前基本上观察不到异常波形。在MS6.0级以上时，以2015年02月14日04：07—04：30的台湾台东县附近海域（北纬 22.6°， 东经 121.5°）。 04：06 发生 MS6.2级地震（震源深度7 km），震中距391 km为例（表5）。在该震例图中可以明显看到测点7于03：56起至发震时刻前，体应变观测曲线不再光滑，出现高频的毛刺现象（图5），根据国内有关研究认为这种现象是由于地震孕育到一定程度，由于孕育区的微裂隙出现扩展、串通，使得观测区介质发生变化，从而导致观测区的钻孔体应变仪记录到的潮汐因子发生畸变。目前，需要积累更多此类的震例及其震前异常现象，为地震预报提供更为精确的判断。

表5 2015年2月14日台湾台东县附近海域MS6.2级地震同震特征

图5 2015年2月14日台湾台东县附近海域MS6.2级同震波形Fig.5 The coseismal waveform of MS6.2 earthquake on Feb.14，2015 near Taiwan taitung county

3.3 各测点对远震大震映震特征分析

泉州地区这三套体应变观测仪器的分钟值能够记录到非常完整的大震远震波，如2015年09月17日06：54智利中部沿岸近海8.2级、07：18智利 6.8级、09：41智利 6.0级、 11∶55智利6.1级以及12：10智利中部沿岸近海6.8级等多个地震，其中最大地震为智利中部沿岸近海（南纬 31.6°， 西经 71.6°） 06：54 发生 8.2 级地震，震源深度20 km，震中距18791 km为例。从下表看出震级越大，震中距越远，同震波形衰减时间越久，持续时间越长，清源山测点持续波动了将近8个小时才恢复正常变化（图6）。

表6 2015年9月17日智利MS8.2级为主群震同震特征

图6 2015年9月17日智利Ms8.2级为主群震同震波形Fig.6 The coseismal waveform of Chile Ms8.2 earthquake on Sep.17，2015

4 结论

泉州地区这三套体应变观测资料连续，泉州台测点3（罗鼓山） 测点完整率较差，但内在精度均较高，年动态均由于受到6、7、9、12月份降雨影响，年变动态均处于较明显的压性变化，泉州台测点7（清源山） 由于尚处于待稳定阶段，年零漂较大，泉州局年动态则非常稳定。

对各台体应变资料调和分析得到的M2波振幅因子相对中误差如表2所示。即各台资料观测质量排序为泉州局、泉州台测点7（清源山）、泉州台测点3（罗鼓山），显示出受气压、降雨影响明显的台站其资料观测精度较低，正确地反映了各体应变台观测资料整体质量水平。

这三套仪器的体应变分钟值均能清晰地记录到台湾5.5级以上、全球7级以上地震，通过分析它们的映震效能得到：震级越大，形变波衰减时间越长，振幅也越大，波形也更尖锐；其中泉州台测点7（清源山）体应变的灵敏性最好，也多次出现过临震异常。对于出现临震前兆异常现象，需要积累更多的案例，以期未来能够为地震预报或预警提供更有价值的数据。