怀来台体应变干扰因素分析及质量评价

宋晓煜，马广庆，王志敏，张 帆，池海江

（1.河北省地震局张家口地震监测中心站，河北 张家口 075400；2.河北地震台，河北 石家庄 050021）

地壳应力的状态变化是引起褶皱、断裂及地震等地表变形及破坏发生的根本因素，发生在地壳表面的各种地质灾害都与地应力的作用息息相关。钻孔应变观测是研究地壳应力状态及其变化规律的主要手段，同时也是地震观测与研究中不可或缺的主要技术（白金朋，2013）。TJ－Ⅱ型钻孔体应变仪作为地球动力学仪器在观测和研究地壳形变方面发挥着重要作用（李海亮等，2010；苏恺之等，2003）。河北省地震局怀来地震台地处于首都圈及京西北地震监视区，在地震监测中具有重要作用，该台对本区及邻区近震有着较好的映震能力和震前异常反映（王曰风等，2018）。2008年1月7日安装TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪，探头放置于古界花岗片麻岩层，经过石英砂浆固化、探头和井孔祸合、钻孔温度恢复、仪器调整平衡等过程，仪器能记录到清晰、规则的固体潮引起的变化。通过多年观测积累了丰富的资料，但是在观测过程中经常出现数据突跳及干扰现象，为准确识别各类非地震前兆干扰，本文主要针对怀来台体应变观测出现的干扰因素进行分类总结，分析钻孔温度、钻孔气压、钻孔水位与体应变之间的关系，同时对TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪器运行质量进行评价，对剔除干扰因素有积极的意义，以便在资料处理时发现规律，为地震监测提供准确的基础数据。

1 台站概况

怀来地震台地质构造处于延怀盆地中部、延庆山字型前弧西翼与新华夏系构造体系大海沱构造带的复合部位（池海江等，2003）。定点形变观测测项主要有SQ-70DSI型水平摆倾斜仪、VP型垂直摆倾斜仪、DSQ型水管倾斜仪、SS-Y型洞体应变伸缩仪、TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪。其中体应变钻孔深74.0 m，终孔孔径为130.0 mm，探头位置放置于井下64.0 m处，用膨胀水泥固定，该段有5.0 m完整花岗片麻岩，仪器主机和数采安装在观测室内的大理石墩上，采用聚乙稀泡沫板保温套将仪器密封，有利于降低外界气候变化带来的干扰。怀来地震台TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪自运行以来，观测数据曲线有一定的动态变化规律，曲线光滑，测值的日变动态清楚，由图1可看出呈现规律的固体潮形态。

图1 怀来地震台体应变日观测曲线

2 体应变仪观测影响因素分析

为准确识别各类非地震前兆干扰，针对怀来台体应变观测出现的主要干扰因素进行分类总结（张红秀等，2019），目前主要受自然环境（大风、气压、降雨）、电源干扰和人为干扰。

2.1 大风、气压和降雨的影响

通过分析对比2018～2020年体应变观测数据，由于春季张家口地区风力较大，局部风力达到7级以上，2018年4月6日02∶01～07∶29，2019年3月30日07∶47～20∶19（图2a），2020年3月30日07∶41～17∶20（图2b），大风影响体应变观测，表现为曲线“毛刺”现象，造成数据不稳定。

图2 2019年3月30日（a）和2020年3月30日（b）体应变受大风干扰

气压变化是通过地球表面产生边界应力效应造成的，使得岩体内部各种裂隙受到压缩或者拉伸改变岩体的孔隙压力（赵小贺等，2018），造成测值发生明显变化。气压对体应变短时间影响，主要表现在雷雨季节，气压会出现短时剧烈波动，造成曲线畸变。如：2018年6月10日17∶39～18∶19钻孔气压升高，引起体应变观测值同步变化，曲线形态呈“鼓包”式（图3a）；2019年6月29日00∶36～03∶34钻孔气压降低，体应变观测曲线与钻孔气压呈同步变化趋势，曲线形态呈“凹陷”式（图3b）。通过多年资料分析，在雷雨季节，体应变观测在雷雨前后出现的干扰次数要比平常月份频繁。气压对体应变的长时间影响主要表现为同步变化。选取2019年6月至9月钻孔气压与体应变整时值资料做比较，可以看出，钻孔气压对体应变观测显示同步变化特征（图4）。

图3 2018年6月10日（a）和2019年6月29日（b）气压对体应变短时间干扰

图4 2019年6～9月气压对体应变长时间干扰

在体应变观测中，降雨能增加地壳表面的荷载量，造成地壳应力发生相应的变化，继而引起体应变测值出现变化（胡澜缤等，2019）。通过分析怀来地震台体应变观测资料发现，降雨干扰分为即时影响和延时影响。2019年6月12日怀来地区发生强降雨，降雨量达24.2 mm，且当日15时降雨量整点值达19.9 mm，体应变观测曲线出现尖峰干扰（图5a），变化量达57.0×10－9。表明此次干扰为降雨产生大地负荷效应所致。雨水随着时间慢慢渗入岩体的孔隙中，使得孔隙压力迅速增多，造成延时影响，引起体应变测值发生变化（李杰等，2003）。2020年8月18日07时至10时降雨量为19.8 mm，随着降雨缓慢渗透，体应变观测曲线在08∶20测值增高（图5b），变化量达17.6×10－9。

图5 2019年6月12日（a）和2020年8月18日（b）体应变受降雨影响

2.2 电源干扰

2019年6月16日00∶01～01∶16电源不稳（交直流电切换，造成输出电压不稳定），产出错误数据，曲线出现“脉冲式”突跳（图6），变化幅度达到94.9×10－9，01∶17电压稳定后，测值逐渐恢复正常。因此，定期进行巡检维护，减少电源干扰，是保障观测的基础环节，也是提高资料完整率的重要保证。

图6 2019年6月16日体应变观测受电源干扰

2.3 人为干扰

2018年9～11月台站进行标准化改造，线路整理造成体应变观测仪在2018年10月16日整理线路时间段（09∶01～10∶25）内数据突跳，曲线出现“毛刺”现象，施工改造（10∶26～12∶20）造成数据缺测（图7a）。按照《倾斜应变台网观测与运行管理工作细则（2015修订）》规范要求（张英杰等，2016），2019年1月1日台站人员对体应变进行按时标定，造成干扰，表现为数据“脉冲式”上升（图7b），变化幅度达到44.5×10－9。

图7 2018年10月16日（a）和2019年1月1日（b）体应变观测受人为干扰影响

3 体应变与钻孔温度、气压、水位之间的关系

在对体应变观测干扰因素进行分类总结基础上，进一步分析钻孔温度、钻孔气压、钻孔水位与体应变之间的关系，利用origin数据分析计算得出体应变与气压相关系数为0.680，与水位相关系数为－0.455，而与温度的相关系数仅有－0.246。通过各测项散点图对比和相关系数分析（张帆等，2021），说明钻孔气压对体应变变化呈正相关（图8a），钻孔水位对体应变变化呈负相关（图8b），而钻孔温度影响作用相对较弱（图8c）。

图8 体应变观测与钻孔气压（a）、水位（b）、温度（c）的关系

4 体应变仪运行质量评价

资料的完整性、稳定性、可靠性是判断观测资料质量优劣的重要指标。观测资料只有达到观测技术标准要求时，才能更好地判断出观测资料的正常动态背景。为此，有必要对观测资料进行完整性、稳定性、可靠性分析（尤宇星等，2012；李杰等，2002）。统计2018年至2020年怀来台体应变观测数据完整率，其结果分别为94.11%、99.84%、99.93%，这说怀来台体应变观测数据完整率逐年提高，造成2018年完整率数据不达标（≤99.5%）的主要原因在于2018年台站标准化改造，断续缺测影响数据观测完整率。内在精度方面通常采用M2波潮汐参数的稳定性来分析仪器对应变固体潮的观测精度。应变固体潮M2波潮汐因子的“内精度”是指M2波的均方差与潮汐因子的比值，即相对误差（李文超等，2018）。内精度（小于0.05）代表观测固体潮数据可靠性，数值越小，说明观测值越可靠，选取2020年怀来地震台体应变的观测资料，利用EIS2000软件进行Venedikov调和分析计算内在质量（全建军等，2021），计算结果见表1。从表1可看出2020年3月相对误差为0.0567，8月相对误差为0.0531，造成3月、8月内在观测质量较低的原因分别为UPS故障停电缺测，气压及雷雨干扰。

表1 2020年怀来地震台1～12月体应变调和分析结果

5 结论与认识

通过对怀来台TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪干扰因素及运行质量分析得出几点结论：（1）运用体应变观测资料分析异常与地震的关系时，排除干扰因素是前提，怀来台体应变资料主要受大风、气压、降雨以及电源和人为干扰的影响，其中较为突出的是气压和降雨干扰。（2）降雨对体应变的影响与台站所处地区裂隙发育情况息息相关，降雨通过大地负载效应渗入岩体孔隙中，导致岩石内部的压力加大，体应变观测呈现压性上升同步变化，造成体应变观测受到降雨快速影响和缓慢影响。（3）通过计算怀来体应变观测资料，影响资料质量的因素除受钻孔自身环境外，受电源故障、降雨、人为干扰较大。为进一步分析钻孔体应变与钻孔温度、气压、水位之间的关系，运用Origin软件进行分析发现：钻孔气压与体应变变化呈正相关，钻孔水位与体应变变化呈负相关，而钻孔温度影响作用相对较弱。