大同中心地震台钻孔应变数据异常调查分析

白伟利，李宏伟，高龙飞，韩 胜，梁大勇，张文慧

(1.山西省地震局大同地震监测中心站，山西 大同 037000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局忻州地震监测中心站，山西 忻州 034200；4.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

钻孔应变观测是研究地壳运动的主要观测手段，在地震地球物理观测中占有重要地位[1]。21世纪初，YRY-4型四分量应变仪开始进入中国地震观测网，为地震预测、预报服务，至今国内布设的四分量钻孔应变仪已近百台，多次记录到大震前后的应变异常[2]。如,四川芦山Ms7.0地震和汶川地震前，姑咱台钻孔应变观测数据分别出现应变阶跃和短周期的“毛刺”形态变化，有可能是强震的临震前兆信号[3-5]。通过与汶川地震前姑咱台的变化数据进行初步对比，发现大同台与姑咱台的数据变化形态相似，均呈现出短周期的“毛刺”。为调查大同台数据变化原因，下面对数据变化特征进行分析，排查数据异常原因并进行解决。

1 台站及钻孔应变观测概况

大同中心地震台(以下简称大同台，目前更名为大同地震监测中心站)位于阴山东西向复杂构造带南缘，大同盆地北界，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。YRY-4应变仪钻孔位于台站西约800 m处的山沟内，钻孔深50.2 m,探头安装在30 m深处，口泉断裂下盘，出露岩性为太古界花岗伟晶岩、蚀变花岗伟晶岩和蚀变片麻岩，基岩完整，地下水位变化幅度不大。钻孔远离大型振动源、主干公路、电台发射天线、大型电机。仪器自运行以来的主要干扰因素有雷电、气压、系统故障和井口结冰等。

2 异常概述

大同台YRY-4型钻孔应变仪安装于2011年10月，记录的固体潮清晰，观测质量较好。2018年9月更换数采主机后，观测数据出现规律性的小幅噪声变化，数据曲线形态如第41页图1所示。

第41页表1为数据变化前后的精度统计，显示2018年8月至11月受仪器故障和干扰影响，仪器自检内精度值和固体潮精度值明显增大。表明，异常数据影响大同台的观测质量，也影响固体潮内精度和自检精度。

表1 2018年大同台YRY-4钻孔应变观测数据精度Table 1 The accuracy of strain observation data of borehole YRY-4 at Datong station in 2018

3 干扰分析及排查

3.1 观测环境调查

图1中各测道数据同步出现“毛刺”形态的干扰，之后数月内数据变化幅度减小。汶川地震前，位于龙门山断裂带西南端的姑咱台钻孔应变仪，记录到异常应变变化，数据异常变化以短周期(数分钟至数小时)的“毛刺”形态为特征[3]。通过与姑咱台的数据对比，发现姑咱台的“毛刺”形态多为单边变化，大同台的异常数据属于上下突跳的噪声变化，一般出现在18时至次日07时左右，因数据变化在时间上存在明显的周期性，推测可能不是地球物理异常。

图1 大同台YRY-4钻孔应变数据曲线Fig.1 Strain data curve of YRY-4 borehole at Datong station

这种时间上表现为规律性的干扰，通常是由周围环境存在振动施工或大型电台发射等人为活动引起。台站第一时间对观测环境进行大范围的调查，检查钻孔的井口装置正常，也未发现周围有大型振动源等施工活动，距离台站最近的上皇庄村也无大型施工改造、设备改造等，认为不存在对钻孔应变的影响。

3.2 观测系统检查

YRY-4型钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器，在圆筒中部位置安装四个方向互相间成45°交角的四组径向测微传感器，测量四个方向圆筒直径的微小变化。当把圆筒探头放入地层钻孔，并用耦合介质将探头与地层连为一体后，通过仪器测量系统获得地层钻孔四个方向的钻孔孔壁径向位移。大同台钻孔探头1路应变方位相对磁南北为25°，2路、3路、4路应变方位分别为70°、115°、160°。将四路元件的θ代入下式得到对应观测方向的应变值：

Sθ=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-φ)，

(1)

式中：ε1为最大主应变，即沿θ方向；ε2为最小主应变；φ为应变主方向；A、B为待定常数，称为耦合系数。A、B 的大小与套筒、水泥及周围岩石的材料和尺寸以及周围岩石性质等有关系[6]。

图2 大同台应变观测元件方位角Fig.2 Azimuth angle of strain observation element at Datong station

从仪器观测原理可知，当仪器工作正常时，4个分量的观测值 Sθ应满足“自检条件”：

ΔS1+ΔS3=ΔS2+ΔS4[3]。

图3是2018年9月11日至27日干扰最严重时段，图中S1+S3和S2+S4曲线几乎一致，经计算其相关系数超过0.97，说明观测系统运行正常，观测数据可靠。基于以上结论，分析认为干扰可能是由观测室内机柜、接地线、其他仪器或用电设备漏电引起。

图3 大同台YRY-4钻孔应变仪分钟值曲线和同时段数据自洽分析Fig.3 Minute value curve of YRY-4 borehole strain gauge at Datong Station and self-consistent analysis of simultaneous data

3.3 观测室干扰排查

大同台YRY-4钻孔应变仪观测室位于台站西800 m处的山沟内，面积约13 m2，中间采用隔断，分为测震摆房和形变观测室。观测室内有2个专业机柜和UPS不间断电源、配电箱等公用设备。观测室和机柜内设备分布如图4和图5所示。

图4 大同台YRY-4钻孔应变观测室内部布设Fig.4 Indoor layout of strain observation in borehole YRY-4 at Datong station

图5 大同台YRY-4观测室内机柜示意图Fig.5 Schematic diagram of indoor cabinet for YRY-4 observation at Datong station

观测室内对应变数据产生干扰的用电设备可能很多，经过分析，列出了可能的干扰因素并逐一进行排查，具体排查措施和结果如表2所示。在排查期间，由于每次主机测试数据所需恢复时间较长，导致整个干扰排查持续时间较长。

表2看出，停用防雷隔离电源后干扰消失。防雷隔离电源通过与UPS不间断电源连接，输入220 V交流，内部由皮带带动发电机工作，将电能转化为机械能，再转化为电能，输出稳定的 12 V直流给主机供电。检查电源内部电机和线路，发现电源内部接入交流的电线有磨损漏电，磨损位置在电源内部，不拆开电源很难发现。更换电源后，数据噪声干扰消失，曲线恢复正常。选取干扰前后9月的数据曲线对比如图6所示。

表2 观测室干扰排查措施及试验结果Table 2 Investigation measures and test results of interference in observation room

图6 大同台YRY-4钻孔应变观测干扰排除前后对比曲线Fig.6 Interference period of strain observation in borehole YRY-4 at Datong station and contrast curve after interference elimination

4 结语

对于大同台更换数采主机后出现的噪声干扰，台站工作人员开展多方面的调查、检查和处理分析工作，逐项排除测区周边环境、观测仪器、观测室内机柜和探头防雷器等因素的影响，最终判定数据异常是由防雷隔离电源内部线路磨损漏电产生。同时，该干扰在时间上具有规律性，变化周期短，呈现出高频的“噪声”形态。初步分析可能是由于新数采主机有较高频的采样，对该干扰敏感，在观测室内智能电源和UPS不间断电源充电工作时受干扰较严重，导致干扰呈现时间上的周期性。