张家口地震台两套体应变仪观测资料对比分析

2021-07-02刘思宇

防灾减灾学报 2021年2期

郑毅，刘思宇

（1.张家口地震监测中心站，河北张家口 075000；2.雄安新区震灾预防中心，河北雄安 071700）

0 引言

应变观测是监测地壳变形的一种重要手段，其中钻孔体应变观测仪器的探头一般安装于地下几十米甚至几百米的钻孔内，可有效降低地表干扰。连续精密的观测地层内部的应变状态随时间的变化，为地震监测预报提供一种重要手段。“2013年河北省地震局开展仪器升级改造工作，在张家口地震台增加一套TJ－2型体应变仪，2014年正式投入观测，至今仪器工作状态稳定，记录固体潮汐光滑、清晰、规则；同时，张家口地震台还有一套TJ-1型体应变仪，至今已投入观测30多年。目前两套仪器已并行观测达5年以上，本文将利用并行观测期间的资料对两套仪器进行对比分析，探讨两套仪器的优劣性。

1 台站观测概况

张家口地震台位于张家口市鱼儿山下，阴山东西向构造带与山西地震带北段、张渤地震带西北段的交汇部位，台基基岩属侏罗纪火山岩，地质构造复杂。区内主要断裂有NE向蔚县山前大断裂、桑干河断裂以及EW向狼窝沟、崇礼至赤城断裂和怀安至宣化断裂等（图1）。

图1 张家口地震台及周边断裂带分布图Fig.1 Distribution map of Zhangjiakou Seismic Station and surrounding fault zones

TJ-1型体应变仪观测孔与TJ-2型体应变仪观测孔相距约10米，孔深分别为55m和77.80m。TJ-1体积式钻孔应变仪属于液位型体积应变仪，是传统美国方式结构，探头总长约2m，而TJ-2体积式钻孔应变仪属于液压型体积应变仪，为我国自主研制，探头长约1.3m，传感器改为液压传感器，TJ-1型与TJ-2型体积式应变仪技术指标如表1所示。

表1 TJ-1型与TJ-2型体积式应变仪技术指标对比

2 固体潮一致性对比分析

为有效对两套仪器固体潮进行对比分析，节选了2014年11月20日至11月30日的观测数据（图2）。由图2可知，两套仪器记录固体潮汐规则、清晰光滑，日变形态一致，表明两套仪器总体工作状态具有一致性特征。但从细节部分分析，如局部固体潮汐曲线畸变与曲线光滑程度等仍存在一定差异，TJ-1型不及TJ－2型体应变仪，表明深孔观测对地面的抗干扰能力较强。

3 年动态对比分析

TJ-1应变仪观测数据变化显示年动态清晰，年变规律呈缓慢线性上升（图3）；TJ-2应变仪年动态显示，2014年受安装等干扰，仪器运行不稳定，2015年开始出现清晰规律的年变形态，年变规律与TJ-1型相同。对比漂移量，2014—2018年TJ-1型漂移总量为1450.3×10-9，年均漂移量为290.1×10-9；TJ-2型漂移总量为7667.9×10-9，年均漂移量为1533.6×10-9。由于仪器初装后需要一段稳定过程，TJ-2型年均漂移量为TJ-1型的约5倍多，由于仪器初装后需要一段稳定的过程，另据厂家的介绍，金属材料的稳定性在最好的热处理条件下也不小于1×10-7，所以目前TJ-2型体积式仪器的年稳定性已接近1×10-7设计要求。

图3 张家口台TJ-1型与TJ-2型体应变仪整点值曲线Fig.3 Integer point curve of TJ-1 and TJ-2 volumetric strain gauges at Zhangjiakou Seismic Station

4 噪声水平M1对比分析

相对噪声水平M1是衡量形变潮汐观测资料长期稳定性的一项定量指标[2]，本文采用日均值取均方连差方法对TJ-1型、TJ-2型两套仪器2014—2019年2月的相对噪声水平M1进行计算，计算结果见表2。由表2可知，张家口台TJ-1型体应变仪潮汐观测资料相对噪声水平M1最好的年份为2014年；TJ-2型最好的年份为2017年，TJ-1较TJ-2相对稳定。分析认为TJ-1型体应变仪已运行30多年，仪器已处于稳定状态，而TJ-2型体应变仪2014年才开始投入使用，运行时间短，稳定性相对较差，导致仪器噪声水平值上下跳跃幅度较大，但随着观测时间的增长仪器噪声水平逐渐降低并趋于稳定，尤其是2016年以来，噪声水平曲线变化形态几乎与TJ-1型仪器保持一致（图4）。

表2 张家口台体应变仪相对噪声水平M1（单位：E-9）

图4 TJ-1与TJ-2型体应变仪2014—2019年M1相对噪声水平曲线（单位：E-9）Fig.4 The M1 relative noise level curve of TJ-1 and TJ-2 volumetric strain gauges from 2014 to 2019

5 气压效应对比分析

目前，张家口台体应变观测存在的主要干扰因素是气压，气压骤变或突变易造成地面荷载的增减，引起岩体应力应变的变化，气压的影响存在着周期性变化，主要以短周期影响最为显著，它直接破坏观测记录的应变固体潮汐波形，使记录曲线发生畸变（图5）。长周期的气压缓变对钻孔应变观测记录的固体潮波形影响并不十分显著，但对于曲线趋势走向产生影响，或加大零漂或改变漂移方向，有时可能影响几天，直观的表现在记录曲线呈现“鼓包”或“凹斗”特征。体应变观测与气压有很好的相关性，呈正相关。

图5 体应变与气压观测对比分析Fig.5 Contrastive analysis of volume strain and barometric pressure measurements

气压干扰的消除方法之一是相关分析与一元线性回归计算。在气压消除前，首先对体应变与气压的相关性进行分析，检验它们的相关性，其相关程度可用相关系数R表示，R值在1～－1之间[6]。

对张家口台两套体应变2017年10月24日至10月30日的观测数据进行相关分析（图6），TJ-1相关系数R为0.940，回归残差的标准差为4.926，回归系数a为-1373.51431，b为2.48782；TJ-2型应变仪的相关系数R为0.843，标准差为8.815，回归系数a为4371.12738，b为2.53449，其中a为常数项，b为气压干扰系数。计算结果说明（图7）在观测孔介质岩性参数一致时，气压对两套仪器的干扰程度基本一致，两套仪器受气压的干扰系数b为2.5×10-9/hPa，这与苏恺之关于钻孔应变观测受气压干扰的理论估计值相近[3]；从相关系数来看，二者受气压干扰程度又有细微差异，更进一步证实了深孔观测可以降低气压干扰；另外从上述的两套仪器记录固体潮汐的情况也证实了深孔观测对地面的抗干扰能力较强的优势。

图6 张家口台两套体应变观测与气压观测一元线性回归计算消除干扰Fig.6 Elimination of interference by one-dimensional linear regression calculation of two sets of volume strain observation and barometric observation at Zhangjiakou Seismic Station

6 M2波α潮汐因子值

采用Venedikov调和分析方法[2]检验观测仪器与观测资料的内在精度。观测资料选取时段为2014年1月至2019年2月整点数据，分别对张家口台TJ-1型、TJ-2型体应变仪观测资料进行逐月调和计算分析。TJ-2型M2波潮汐因子α值均值为0.5199，相对中误差均值为0.0306，TJ-1型M2波潮汐因子α值均值为0.3512，相对中误差均值为0.0174。根据形变观测技术规范要求[2]，应变类观测台达到I类台的精度指标为潮汐因子相对中误差噪声水平M1＜0.05×10-6。由上述计算结果可知，张家口台两套体应变仪均达到I类台的观测精度要求，观测环境受干扰小，仪器运行稳定，观测资料质量稳定可靠。

采用Venedikov调和分析对张家口台两套体应变仪2014年1月至2019年2月整点观测数据进行处理，计算得到固体潮M2波潮汐因子α值与潮汐因子速率，利用潮汐因子α值系统偏离方法研究分析上述指标参数的变化特征与地震对应关系（图7）。对于图7中潮汐因子出现异常的时段，笔者对仪器记录的原始采样数据、观测日志、气压等逐一进行对比分析，首先排除各类观测环境引起的干扰，确保提取的异常真实可靠。

图7 TJ-1型与TJ-2型体应变潮汐因子与速率变化曲线Fig.7 Tidal factor and rate curve of body strain of TJ-1 and TJ-2

笔者搜集2014年以来发生在台站周边250km范围内的ML≥3.5级地震，潮汐因子α值偏离量以5%作为控制阈值，由表3的统计结果可知，多数震前张家口台体应变仪潮汐因子α值均出现系统偏离现象，异常特征为潮汐因子α值在正常稳定的背景值范围内动态变化—偏离正常背景值（偏离量5%）—持续偏离—极值—恢复—待发震。潮汐因子在震前基本为负异常居多，一种可能的机理解释是震前孕震区应力增强，产生微裂隙，出现扩容现象，导致孕震区岩石弹性降低[4-5]，岩石弹性降低在固体潮观测中表现为振幅减小，潮汐因子α值降低。