通河地震台体应变观测干扰分析

通河地震台体应变观测干扰分析
胡澜缤;张彦吉;李继业;王海涛;岳力;贾秀玲
【摘要】利用一元回归、直线拟合、对比理论固体潮汐和潮汐分析等方法,分析并总结通河地震台体应变测项所受自然环境、人为、观测技术系统故障等干扰的特征和量级,发现自然环境干扰对该台体应变影响较大,人为干扰次之.
【期刊名称】《地震地磁观测与研究》
【年(卷),期】2019(040)003
【总页数】8页(P112-119)
【关键词】体应变;干扰因素;干扰分析
【作者】胡澜缤;张彦吉;李继业;王海涛;岳力;贾秀玲
【作者单位】中国黑龙江 150900 哈尔滨市地震局通河地震台;中国黑龙江150900 哈尔滨市地震局通河地震台;中国哈尔滨 150090 黑龙江省地震局;中国黑龙江 150900 哈尔滨市地震局通河地震台;中国黑龙江 150900 哈尔滨市地震局通河地震台;中国黑龙江 150900 哈尔滨市地震局通河地震台
【正文语种】中文
0 引言
钻孔应变观测已成为地震预报有效手段之一。

邱泽华（2010）等提出，地震前地球物理异常判据有：①有正常背景；②非干扰影响；③与地震相关。

以上异常判据明确指出，“干扰影响”是地震异常判定过程中需要排除的重要因素，只有明确各
种干扰源及干扰的表现特征，才能有根据地判别畸变曲线是干扰还是地震异常。

因此，分类总结并排除干扰，是地震数据分析基础。

文中对通河地震台（下文简称通河台）体应变观测资料进行全面整理，对照工作日志，系统归纳近10年体应变典型干扰，简要描述干扰曲线特征，以便在地震数据分析研究中有效剔除干扰，为地震异常判定提供依据。

1 观测背景
哈尔滨市地震局通河地震台位于哈尔滨市通河县岔林村，周边分布NE向伊通—依兰断裂、NW向岔林河断裂和EW向通河断裂。

深部构造莫霍面嘉荫—舒兰深度
陡变带与鸡西—塔溪深度陡变带在通河附近，呈“X”型交叉分布，将黑龙江省大兴安岭以东广大地区分割成互为对顶分布的2个上地幔隆起区和2个上地幔坳陷区，构成莫霍面起伏变化的基本轮廓。

通河台体应变观测井位于伊春—延寿地槽
褶皱带北段，通河断裂与方正断陷附近，岩性为完整的燕山期花岗岩。

通河地震台体应变2007年起采用JT-Ⅱ型体应变仪进行观测，其探头埋深85 m，已连续观测十多年，运行较为稳定，记录了大量蕴含地壳活动信息的数据资料，资料可信度较高。

但是，在安装竖直摆钻孔倾斜探头时刮到体应变电缆，导致体应变备用探头无法正常工作，井下设备不能移动，辅水位探头也无法维修。

2 体应变干扰提取
通河地震台体应变观测主要受自然环境和人为干扰，其次为观测技术系统故障干扰。

2.1 自然环境干扰
自然环境干扰包括气压干扰和降雨干扰。

2.1.1 气压干扰。

气压干扰分为周期性变化和短时剧烈波动。

大气压力以负载荷方
式作用于地壳表面，造成岩体孔隙压力改变，从而导致体应变测值发生变化（苏恺之等，2003）。

钻孔体应变仪安装后，由于水泥层及弹性钢筒的存在，使得弹性
筒内体积的相对变形量略小于自由孔的体积相对变化量，约为0.9倍关系（马京杰
等，2012）。

设地表为无限大平面体，b1为简单条件下体应变测量的气压干扰系数，则
式中，E为杨氏模量，μ为泊松比系数。

由于不同台站岩石的杨氏模量E、泊松比系数μ值不同，气压干扰系数也会存在差异，多数台站实测资料表明，气压实际干扰量比理论值明显偏大（苏恺之等，2003）。

通河台铧子山子台坐落在完整花岗岩上，利用台站周边100 km范围内MS 0.5以上地震P波和S波波速计算杨氏模量和泊松比系数，得E = 65.776 7 GPa，μ = 0.212 8，根据式（1），得到理论气压系数：b1 = 0.220×10-8 /hPa。

2.1.1.1 气压周期性变化。

张学阳（1987）对高精度潮汐观测中气压观测的必要性进行论述，阐明气压影响存在周期性变化，且周期性变化效应在井下100 m以内
较大，而通河台钻孔体应变井孔深85 m，受气压影响较大。

提取通河台2016年2月1日—29日体应变原始数据，发现观测曲线呈上升趋势，应为体应变原始数据受仪器零飘和气压影响所致，见图1。

利用直线拟合，去除体应变仪器零飘影响，发现观测数据曲线与气压变化趋势相同，为正相关，见图2。

将体应变观测数据利用直线拟合，与气压原始分钟值曲线做一元线性回归分析，见图3，可知气压与体应变相关系数达0.898，由体应变变化量除以气压变化量，得到实际气压干扰系数为0.286×10-8 /hPa，比理论气压干扰系数（0.220×10-8
/hPa）大。

去除仪器零飘和气压干扰后，体应变与固体潮理论值基本一致，见图4。

图1 2016年2月体应变原始分钟值曲线Fig.1 Original minute curve of body strain in Feb., 2016
图2 体应变直线拟合结果与气压原始曲线对比Fig.2 Comparisons of original pressure data curve vs the straight line fitting volume strain
图3 2016年2月体应变一元线性回归分析(a)拟合残差；(b)体应变拟合结果；(c)
体应变应变量；(d)气压Fig.3 Univariate linear regression analysis of body strain in Feb., 2016
图4 2016年2月体应变去零漂、气压干扰后固体潮理论值对比Fig.4 Comparison of theoretical values of solid tide vs the body strain after zero drift removal and barometric disturbance in Feb., 2016
2.1.1.2 气压短时剧烈波动。

受天气变化影响，气压会出现短时剧烈波动。

大风、
降雨、降雪导致气压出现短时剧烈波动，体应变观测值同步出现显著变化，表现为固体潮曲线波动或张压性畸变，无法利用回归分析完全消除，只能采用定量与定性相结合的方法进行分析（陈小云等，2015）。

（1）大风导致气压扰动。

2012年8月29日台风“布拉万”路经通河县，当地气压于8月28日23:22由994.7 hPa急剧减小，8月29日15:21达最低值（975.3 hPa），8月30日01:32恢复正常值（994.8 hPa），气压变化量达
19.4 hPa。

体应变观测数据在同一时段出现急剧张性变化，后随气压回升转为压
性变化，应变变化量达43.7×10-9，气压干扰系数为0.225×10-8/hPa，略大于
理论气压干扰系数0.220×10-8/hPa。

体应变与气压对比曲线见图5。

（2）降雨、降雪导致气压变化干扰。

降雨和降雪会使得气压发生剧烈变化，对体应变观测造成一定程度干扰。

2016年6月1日通河县出现小雨天气，气压发生上升—下降变化，导致体应变出现压、张性变化，见图6(a)，可见：15时44分—16时01分降雨量达0.7 mm，气压增大0.7 hPa，体应变发生压性变化，量值为1.8×10-9，气压干扰系数为
0.25×10-8/hPa，大于理论气压干扰系数。

图5 2012年8月体应变、气压分钟值曲线Fig.5 Curves of body strain and air pressure minute value data in Aug., 2012
图6 2016年雨雪天气对体应变、气压的干扰(a)2016年6月1日降雨影响；(b)2016年10月16日降雪影响Fig.6 Effects of rain and snow weather on body strain in 2016
2016年10月16日通河县出现小雪天气，气压发生上升—下降变化，导致体应变压、张性变化，见图6(b)，可见：17时01分—18时27分短时小雪，气压增大1.0 hPa，体应变压性变化，量值为1.6×10-9，气压干扰系数为0.16×10-
8/hPa，小于理论气压干扰系数。

2.1.1.3 气压干扰潮汐分析。

2012年3—9月，通河台体应变观测数据受到气压周期性及短时剧烈波动干扰，将该时段数据进行直线拟合及一元回归处理，剔除零飘与气压干扰，对体应变原始数据及体应变去气压干扰数据进行潮汐分析，得到M2波、O1波、半日波和周日波，见图7。

图7 体应变原始数据与去除气压干扰后数据潮汐对比(a)M2波；(b)O1波；(c)半日波；(d)周日波Fig.7 Comparative analysis of original data of body strain with data of tide after barometric exclusion
由图7可见，在体应变气压干扰潮汐分析中，气压变化对周日波影响较大。

对比分析发现，气压周期性与剧烈波动干扰对M2波、O1波和半日波均未产生较大影响，趋势基本一致；体应变原始数据周日波最大值为4.63×10-9，最小值为
0.37×10-9，相差4.26×10-9，去零飘和气压后，体应变周日波最大值为
1.58×10-9，最小值为0.50×10-9，相差1.08×10-9。

通过对比，最大值相差3.05×10-9，最小值相差0.13×10-9。

2.1.2 降雨干扰。

降雨对体应变观测会产生即时或延时影响。

（1）降雨即时影响。

大暴雨时，降雨量造成大地负荷效应，在体应变观测曲线上明显可见。

如：2016年7月24日通河遭受强降雨，降雨量达59.0 mm，且当日15时降雨量整点值达33.6 mm，体应变观测曲线出现尖峰干扰，变化量达
91.3×10-9，此时气压无明显升降变化，表明非气压干扰所致（图8），与降雨量变化曲线对比，发现体应变产生明显压性变化后回复正常时间，与降雨时段一致，表明此次干扰为降雨产生大地负荷效应所致。

分析认为，在强降雨时，每毫米降雨量，体应变发生0.27×10-8的变化。

因作为辅助测项的水位数据缺失，无法分析降雨所致地下水位变化对体应变观测的干扰影响。

（2）降雨延时影响。

降雨后，雨水逐渐渗入岩体孔隙，孔隙水压力增加（陈小云等，2015），导致体应变观测数据出现压性—缓慢张性变化。

如：2018年7月20日通河遭受强降雨，降雨量达61.8 mm，且当日13时降雨量整点值达12.84 mm，体应变在12:36—12:58出现压性变化，后缓慢下降，至16:17恢复正常，见图9。

由图9可见，在体应变压性变化期间，气压呈上升状态，在体应变缓慢下降期间，气压基本呈水平状态，不存在明显下降变化，表明体应变异常非气压干扰所致。

在降雨过程中，随着雨水逐渐侵入岩体空隙，应力上升，降雨停止，雨水逐渐从岩体空隙流出，导致体应变呈压性转缓慢张性变化，整个过程持续约221 min，其中压性变化量达3.2×10-9，张性变化量为2.7×10-9。

图8 2016年7月24日体应变降雨干扰曲线Fig.8 Disturbance curve of body strain rainfall on July 24, 2016
图9 2018年7月20日体应变降雨干扰曲线Fig.9 Disturbance curve of body strain rainfall on July 20, 2018
2.2 人为干扰
调查发现，通河台及周边近10年来存在以下人为干扰：工程干扰（修建锅炉房、修建办公用房和修建滑雪场等）和标定、开阀。

（1）工程干扰。

2009年在距通河体应变观测井约20 m处修建锅炉，9月11日将50 t煤运至锅炉房附近，体应变观测曲线出现固体超畸变，表现为压性变化，变化量为7.5×10-9（图10）。

图10 2009年9月11日体应变观测曲线Fig.10 Body strain observation curve on Sep. 11, 2009
2012年8—10月，在距观测井约60 m处修建办公用房，占地面积320 m2，房屋总质量约640 t，体应变观测曲线出现张性变化后转压性变化，张性变化幅度为13.9×10-9，压性变化幅度为16.8×10-9（图11）。

2016年11月2日距观测井约20 m处修建滑雪场，导致体应变观测曲线呈张性
后转压性畸变，最大变化幅度为72.2×10-9。

2017年11月10日滑雪场二期施工，体应变观测曲线出现固体潮畸变，表现为压性变化，最大变化幅度为
58.7×10-9（图12）。

（2）标定、开阀干扰。

按照《倾斜应变台网观测与运行管理工作细则（2015修订）》要求，对体应变进行标定和开阀，会产生不可用数据。

图11 2012年5—11月体应变一元回归分析曲线Fig.11 Univariate regression analysis curve of body strain from May to November 2012
图12 滑雪场修建对体应变干扰(a)2016年11月2日；(b)2017年11月25日—28日Fig.12 Body strain disturbance caused by ski resort construction
2.3 观测技术系统故障干扰
（1）雷电干扰。

雷电出现时，对体应变观测仪器电路产生感应，导致体应变观测出现变化。

2017年9月5日01时至02时通河出现雷雨天气，且雷电较强，体
应变观测曲线在同一时间出现上升后下降变化，变化幅度为47.5×10-9（图13）。

（2）供电模块故障。

2014年6月5日—7日，通河台体应变无法正常记录数据，表现为体应变仪连续重启。

检查发现，数采电源模块损坏，导致体应变仪无法正常工作，返厂维修后恢复正常工作。

（3）数采死机。

体应变数采无法正常ping通或记录数据呈一条直线，一般由数
采pc104模版当机所致。

（4）数采格值恢复出厂设置。

2017年9月6日体应变数据固体潮汐幅度突然变大，表现为正常幅度的3倍，检查发现，为数采格值恢复出厂设置所致，格值更
改后数据恢复正常。

图13 2017年9月4日—5日体应变受雷电干扰曲线Fig.13 The curve of body strain affected by lightning interference from Sep.4 to 5, 2017
3 结论
通过对通河台近年来体应变干扰数据的分析，可以得到以下结论：①自然干扰因素有气压、风扰和降雨等，其中：气压周期性干扰与体应变相关系数在0.6以上，实际气压干扰系数比理论气压干扰系数大；气压干扰对体应变的M2波、O1波和半日波影响较小，对周日波影响较大；降雨对体应变产生的影响，在体应变原始曲线中明显可见。

目前，对于气压周期性干扰，可通过一元线性回归消除，而短期气压剧烈波动干扰，只能对比体应变数据予以排除；②人为干扰因素有工程干扰、调零、标定等；③观测技术系统故障干扰因素有雷击、体应变仪器内部不稳定、数采
pc104当机等。

在实际观测中，异常数据可能由多种干扰造成，需及时排查干扰源，以便为判定地震前地球物理异常提供依据。

参考文献
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