氣壓對徐州地區(qū)三套體應(yīng)變儀不同影響原因的分析＊

李蘭生 高 力 趙 釗 劉 晶 高明智 施建江

1）江蘇省地震局徐州地震臺(tái)，江蘇徐州221008

2）江蘇省徐州市地震局臺(tái)網(wǎng)中心，江蘇徐州221009

3）江蘇省新沂市地震局，江蘇新沂221400

氣壓對徐州地區(qū)三套體應(yīng)變儀不同影響原因的分析＊

李蘭生1）高 力1）趙 釗2）劉 晶2）高明智1）施建江3）

1）江蘇省地震局徐州地震臺(tái)，江蘇徐州221008

2）江蘇省徐州市地震局臺(tái)網(wǎng)中心，江蘇徐州221009

3）江蘇省新沂市地震局，江蘇新沂221400

通過對徐州地區(qū)現(xiàn)有的3臺(tái)體應(yīng)變儀不同程度受到氣壓影響的資料進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)其中2個(gè)臺(tái)的體應(yīng)變資料受氣壓影響大，分析出現(xiàn)這種情況的主要原因可能是儀器探頭與鉆孔耦合得不好造成的。為了減少氣壓對觀測資料的干擾，就需要在儀器下井時(shí)做好儀器耦合的基礎(chǔ)工作，否則儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)將會(huì)影響觀測資料的使用，受氣壓嚴(yán)重干擾的資料甚至?xí)`導(dǎo)我們對地震前兆異常的分析和判定。

體應(yīng)變儀；觀測資料；氣壓影響；耦合；地震預(yù)報(bào)

引言

地震預(yù)報(bào)的關(guān)鍵是地震前兆儀器記錄到資料的真實(shí)性。真實(shí)的資料既來源于儀器本身的工作狀態(tài)，同時(shí)又取決于傳播那些地震前兆異常的介質(zhì)（觀測環(huán)境）。在目前，應(yīng)變儀器可以記錄到納米級(jí)的變化，其精度已經(jīng)滿足我們的需要，因而那些用來傳播地震前兆異常的介質(zhì)就成了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。以形變前兆觀測為例，對不適宜進(jìn)行地震觀測的環(huán)境，我們可以通過重新選擇觀測地點(diǎn)來改善，也可以通過觀察鉆孔巖心的情況，選在巖心較好的地段和位置安放井下儀器。而無法用儀器和感官觀察的儀器探頭與鉆孔的耦合情況，卻成了影響觀測資料質(zhì)量的“大隱患”，這種情況只能靠對已經(jīng)取得資料的分析來判別儀器安裝的好與壞了。

在鉆孔形應(yīng)變觀測中，除了正常記錄到日、月引力對地球表面引起的固體潮以外，還記錄到許多干擾因素，例如氣壓、降雨、溫度等影響。分析日常觀測資料中受這些因素影響的大小程度，也可以判斷出儀器的使用價(jià)值。

利用我臺(tái)在2002年11月—2003年12月期間進(jìn)行的“鉆孔形應(yīng)變儀器探頭與井孔不同耦合材料的試驗(yàn)”的結(jié)果，通過對新沂和邳州的體應(yīng)變資料與氣壓資料進(jìn)行分析對比，得出這兩個(gè)臺(tái)的體應(yīng)變受氣壓干擾影響較大，可能與探頭和鉆孔耦合不好有一定的關(guān)系。

1 徐州地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及儀器分布情況

徐州地區(qū)地處蘇魯豫皖交界中心，地質(zhì)構(gòu)造上屬于華北斷塊區(qū)的南部，在地震區(qū)劃上則屬于大華北地震區(qū)的南緣。徐州的地質(zhì)條件及地質(zhì)構(gòu)造不太復(fù)雜，地震活動(dòng)的頻率和強(qiáng)度均較低。在斷裂構(gòu)造上，徐州地區(qū)斷裂較為發(fā)育，按其規(guī)模大小和在地質(zhì)發(fā)展歷史上所起的作用，其最主要的是北、東向的斷裂分布較廣。徐州地區(qū)主要斷裂有郯城—廬江斷裂帶（主要由4條主干斷裂組成，總體走向?yàn)镹15°～20°E），豐縣—邳州斷裂帶，故黃河斷裂帶。

徐州地區(qū)現(xiàn)有3套TJ－2型體應(yīng)變儀，分別安裝在徐州地震臺(tái)、新沂市嶂蒼臺(tái)（以下簡稱嶂蒼臺(tái)）和邳州市艾山臺(tái)（以下簡稱艾山臺(tái)）。下面是3個(gè)臺(tái)的基本狀況。

（1）徐州地震臺(tái)位于徐州市南郊云龍山第八節(jié)山東坡。臺(tái)站地理坐標(biāo)為34.23°N，117.17°E。云龍山在地質(zhì)構(gòu)造上屬徐州弧形構(gòu)造的一部分，周圍出露大面積基巖，為寒武系中統(tǒng)厚層灰?guī)r，巖性單一致密，節(jié)理發(fā)育，巖石產(chǎn)狀約80°。TJ－2體積式應(yīng)變儀2006年12月12日安裝在徐州地震臺(tái)院內(nèi)2號(hào)井孔測點(diǎn)，2007年7月1日開始試運(yùn)行。探頭深度60 m，巖芯完整，地面表層被厚約1 m的粘土夾碎石層覆蓋。儀器靈敏度優(yōu)于1×10－9，現(xiàn)用格值為2.29×10－9／m V，歷次標(biāo)定格值誤差符合規(guī)范要求，儀器工作狀態(tài)優(yōu)良。

（2）嶂蒼臺(tái)位于新沂市新安鎮(zhèn)官莊村。臺(tái)站地理坐標(biāo)為34.38°N，118.39°E，海拔32.8 m，臺(tái)站處于北北東向郯廬斷裂帶F5斷裂的東側(cè)。TJ－2體積式應(yīng)變儀2010年7月19日安裝。探頭深度60 m，基巖為上白堊統(tǒng)王氏組紫紅色砂巖，第四系覆蓋層厚約1 m，巖芯完整。儀器靈敏度優(yōu)于1×10－9，現(xiàn)用格值為2.17×10－9／m V，2011年1月1日標(biāo)定格值為2.21×10－9／m V，標(biāo)定格值誤差符合規(guī)范要求。

（3）艾山臺(tái)位于邳州市艾山。臺(tái)站地理坐標(biāo)為34.62°N，117.97°E，海拔50 m。TJ－2體積式應(yīng)變儀2010年9月25日安裝。探頭深度57 m，基巖巖性為石英砂巖，青灰色，結(jié)構(gòu)致密，未風(fēng)化。巖石傾角約37°，巖層走向NE。儀器靈敏度優(yōu)于1×10－9，現(xiàn)用格值為2.15×10－9／m V，2011年1月18日15時(shí)標(biāo)定格值為2.16×10－9／m V，標(biāo)定格值誤差符合規(guī)范要求。

3個(gè)臺(tái)之間的距離：徐州臺(tái)—嶂蒼臺(tái)113.42 km；徐州臺(tái)—艾山臺(tái)85.33 km；嶂蒼臺(tái)—艾山臺(tái)46.89 km。

2 3個(gè)臺(tái)站體應(yīng)變觀測資料情況

徐州臺(tái)體應(yīng)變是全國59個(gè)體應(yīng)變臺(tái)中內(nèi)精度最好的臺(tái)站之一，最好月份的內(nèi)精度達(dá)到了千分之二。影響內(nèi)精度的主要原因是，降雨后地下水位大幅度上升，隨之地下應(yīng)力場產(chǎn)生變化，體應(yīng)變儀記錄到這種變化，資料的內(nèi)精度就變差了。從徐州地區(qū)3個(gè)臺(tái)2011年2月體應(yīng)變資料內(nèi)精度計(jì)算結(jié)果看，徐州臺(tái)為0.004 1，嶂蒼臺(tái)為0.016 0，艾山臺(tái)為0.044 2。我們分析影響體應(yīng)變內(nèi)精度的原因，可能與鉆孔位置的地質(zhì)條件、儀器安裝、氣壓和降水等干擾因素有關(guān)。在這里，我們僅對影響體應(yīng)變觀測資料內(nèi)精度時(shí)間長（全年）、影響大（可以高出內(nèi)精度好的臺(tái)站一個(gè)數(shù)量級(jí)）的氣壓干擾進(jìn)行分析。

固體地球在日、月引潮力作用下引起的彈性—塑性形變，稱為固體潮；海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、漲落與進(jìn)退，稱為海潮；地球周圍被厚厚的大氣層包圍著，受引潮力作用而產(chǎn)生的周期性變化稱為大氣潮。實(shí)際觀測結(jié)果表明，臺(tái)站目前所使用的體應(yīng)變儀器對上述3種潮汐現(xiàn)象都有不同程度的響應(yīng)。

由于儀器的觀測精度很高，所以氣壓對體應(yīng)變的影響，就是空氣分子通過巖石中的空隙和由于探頭與鉆孔耦合不好形成的空隙，傳導(dǎo)到儀器探頭的結(jié)果。

體應(yīng)變觀測資料內(nèi)精度好的臺(tái)站在氣壓變化時(shí)間短、變化幅度大的時(shí)候才能記錄到這種變化，雷雨季節(jié)時(shí)在雷雨前后出現(xiàn)得比平常月份要頻繁一些。其他時(shí)間體應(yīng)變資料記錄不到氣壓的影響。

2.1 氣壓對體應(yīng)變短時(shí)間的影響

我們選取徐州臺(tái)、嶂蒼臺(tái)、艾山臺(tái)在2011年2月25～27日氣壓變化較大的3天時(shí)間段的分鐘值資料和體應(yīng)變資料做圖比較，可以看出3個(gè)臺(tái)資料具有以下特點(diǎn)。

（1）3個(gè)臺(tái)站記錄的氣壓曲線基本一致。分別用3個(gè)臺(tái)的氣壓數(shù)據(jù)作一元回歸分析，3個(gè)臺(tái)氣壓之間的相關(guān)系數(shù)分別為：邳州與新沂0.997，邳州與徐州0.996，新沂與徐州0.992。說明3個(gè)地點(diǎn)的氣壓相關(guān)是很好的，造成差別的原因與局地小氣候使氣壓微小變化有關(guān)。

（2）嶂蒼臺(tái)和艾山臺(tái)的體應(yīng)變記錄與氣壓的記錄曲線十分相似，當(dāng)氣壓占了主導(dǎo)地位時(shí)，固體潮形態(tài)就很弱了（圖1）。

（3）徐州臺(tái)體應(yīng)變能夠清晰記錄到固體

圖1 徐州、嶂蒼、艾山臺(tái)體應(yīng)變和氣壓2011年2月25～27日分鐘值圖

潮形態(tài)。在體應(yīng)變的峰、谷時(shí)段，能記錄到短時(shí)間內(nèi)變化幅度較大時(shí)的氣壓影響。

2.2 氣壓對體應(yīng)變長時(shí)間的影響

選取徐州臺(tái)、嶂蒼臺(tái)、艾山臺(tái)2011年2月體應(yīng)變和氣壓整時(shí)值資料做比較。3個(gè)臺(tái)的體應(yīng)變都存在著線性零漂，漂移速率和性質(zhì)都不同。徐州臺(tái)體應(yīng)變?nèi)掌屏?2.26×10－9，呈壓性漂移；嶂蒼臺(tái)體應(yīng)變?nèi)掌屏?2.29×10－9，呈壓性漂移；艾山臺(tái)體應(yīng)變?nèi)掌屏?0.54×10－9，呈張性漂移。

為方便比較氣壓對體應(yīng)變的影響，首先分別對3個(gè)臺(tái)的體應(yīng)變原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一般多項(xiàng)式分段曲線擬合處理（簡稱消除零漂）[1]，然后再與氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。通過比較可看出3個(gè)臺(tái)體應(yīng)變資料的特點(diǎn)。

（1）徐州臺(tái)體應(yīng)變能夠完整清晰地記錄到固體潮形態(tài)，全月的資料受氣壓趨勢性影響較小。

（2）嶂蒼臺(tái)體應(yīng)變能夠記錄到大部分時(shí)段的固體潮形態(tài)，以及小部分時(shí)段的固體潮形態(tài)畸變，全月的資料受氣壓趨勢性影響較明顯。

（3）艾山臺(tái)體應(yīng)變能夠記錄到部分時(shí)間段的固體潮形態(tài)，以及一半時(shí)段的固體潮形態(tài)畸變，全月的資料受氣壓趨勢性影響較嚴(yán)重（圖2）。

2.3 體應(yīng)變與氣壓的一元回歸處理、內(nèi)精度及氣壓干擾系數(shù)

用3個(gè)臺(tái)2011年2月體應(yīng)變、氣壓整時(shí)值資料，分別采用別爾采夫?yàn)V波法、分段曲線擬合法和一元回歸方法進(jìn)行處理[1－2]。得到的結(jié)果是：徐州臺(tái)體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)最小，內(nèi)精度最好，實(shí)際觀測記錄到的氣壓對其影響極小，氣壓影響系數(shù)約為0×10－9／h Pa；嶂蒼臺(tái)體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)最大，內(nèi)精度僅次于徐州臺(tái)，實(shí)際觀測記錄到的氣壓對其影響明顯，氣壓影響系數(shù)約為6.48×10－9／h Pa；艾山臺(tái)體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)小于徐州臺(tái)，大于嶂蒼臺(tái)，實(shí)際觀測記錄到的氣壓對其影響較明顯，內(nèi)精度最差，氣壓影響系數(shù)約為5.11×10－9／hPa。從計(jì)算結(jié)果看，影響體應(yīng)變內(nèi)精度的主要因素是氣壓（表1）。

圖2 2011年2月徐州、嶂蒼、艾山臺(tái)體應(yīng)變和氣壓值圖

表1 體應(yīng)變與氣壓一元回歸分析、內(nèi)精度、氣壓影響系數(shù)結(jié)果

3 體應(yīng)變觀測資料受氣壓影響的原因分析

體應(yīng)變觀測資料受氣壓影響的原因，我們認(rèn)為主要有以下兩種。

（1）與觀測場地基巖的破碎程度有關(guān)。無論哪一種形應(yīng)變儀器都需要將儀器探頭安放在完整的巖石上，但是我們往往不可能保證做到使每一套儀器都安裝在理想的位置。這給觀測資料的質(zhì)量帶來巨大的影響，甚至有的儀器的資料根本就無法使用。因此這一點(diǎn)是無庸置疑的。

（2）探頭與井孔耦合得不好。體應(yīng)變儀器安裝時(shí)，探頭一般安裝在井下40～90 m巖石相對完整的地段。耦合材料是膨脹水泥和石英砂，和水?dāng)嚢杈鶆蚝笱b入沉砂器，然后沉入井下預(yù)定位置，水泥從沉砂器出口流到孔底，再將探頭放入井底，靠探頭本身的重量自然沉入水泥之中并凝固。這種耦合方式有可能存在類似建筑業(yè)澆注混凝土后，沒有采用混凝土振動(dòng)棒振搗密實(shí)步驟而出現(xiàn)的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。如果蜂窩狀的情況在探頭與井孔之間出現(xiàn)，就有可能影響我們的觀測資料。特別是安裝時(shí)全憑在地面做的一些實(shí)驗(yàn)和實(shí)際安裝積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，而耦合是在井下水中進(jìn)行，所以我們就無法很準(zhǔn)確地知道耦合情況，最終只能以實(shí)際觀測的資料來分析判斷安裝的成功與否。在儀器安裝時(shí)，我們可以借鑒池順良研究員在安裝YRY－4分量應(yīng)變儀的做法（個(gè)人交流），先將井水抽干，墊入一定量的膨脹水泥（找平層）后放入儀器探頭，再放入足夠量的膨脹水泥，然后用一個(gè)環(huán)狀的鐵質(zhì)重物將探頭四周的膨脹水泥夯實(shí)。這一做法可以最大程度地使探頭在井孔中處于中心位置，減小地應(yīng)力測量中鉆孔偏心可能帶來的對觀測數(shù)據(jù)的影響[3－4]，還可以避免探頭與孔壁之間的膨脹水泥中出現(xiàn)氣孔而影響應(yīng)力的傳遞效果。

由新沂市嶂蒼臺(tái)和邳州市艾山臺(tái)的觀測資料，我們想到了在2003年5月做的“鉆孔應(yīng)變儀器探頭與井孔耦合方法的試驗(yàn)”中的試驗(yàn)3的結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)是在探頭外殼元件受力方向的兩側(cè)分別插入直徑為25 mm，長450 mm的圓鋼，相當(dāng)于用圓鋼做耦合材料，將石英砂分層填充在探頭和圓鋼周圍的空區(qū)，并夯實(shí)至井口。在兩個(gè)相同方向元件取得的資料中，壓1能夠清晰地記錄到固體潮，壓2記錄到的卻是氣壓變化。原因是探頭使用的不銹鋼管在壓2受力元件的位置有凹陷不平的情況，形成了受力元件通過凹陷不平的不銹鋼管與金屬棒之間的石英砂，接收到了遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)變場變化的氣壓，同時(shí)也接收到與金屬棒及巖壁緊密接觸的不銹鋼管壁的其他部位間接傳遞過來的地殼應(yīng)變場變化的信息。所以壓2表面上看記錄到的是氣壓變化，但通過對壓2數(shù)據(jù)與氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸處理后，我們便看到了與壓1相似的比較明顯的固體潮形態(tài)（圖3）。也就是說在耦合不好的情況下，只記錄到氣壓的資料經(jīng)處理后可以顯示出固體潮。通過一系列的試驗(yàn)，還得到在完全沒有耦合的情況下只能記錄到氣壓的結(jié)論[5]。然而在實(shí)際觀測中，多數(shù)臺(tái)站體應(yīng)變記錄的情況是，既記錄到固體潮，同時(shí)還受氣壓的影響很大，以至于嚴(yán)重影響了資料的內(nèi)精度，給我們的分析預(yù)報(bào)工作帶來很多麻煩。筆者認(rèn)為這種情況與耦合不太理想有一定的關(guān)系，邱澤華和張凌空等的研究結(jié)果也表明應(yīng)變觀測存在井孔耦合效應(yīng)的問題[6－7]。

圖3 捆綁圓鋼后壓1原始數(shù)據(jù)、壓2一元回歸分析結(jié)果以及壓2原始數(shù)據(jù)與氣壓曲線

討論：基于鉆孔形應(yīng)變觀測都存在探頭、水泥和圍巖3部分組成的各向異性的“雙環(huán)”問題，如果存在著鉆孔偏心帶來的對觀測數(shù)據(jù)的影響，那么這是一個(gè)值得我們在鉆孔形應(yīng)變觀測中進(jìn)行深入研究的問題。

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Analysis of the causes about the different effects of the atmospheric pressure on three sets of volume strain instruments in Xuzhou

Li Lansheng1），Gao Li1），Zhao Zhao2），Liu Jing2），Gao Mingzhi1），Shi Jianjiang3）
1）Xuzhou Seismic Station，Jiangsu Earthquake Administration，Xuzhou 221008，China
2）Station Network Center of Xuzhou Earthquake Administration，Xuzhou 221009，China
3）Xinyi Earthquake Administration，Xinyi 221400，China

We analysed the varying effects of the atmospheric pressure on three sets of volume strain instruments in Xuzhou.It is found that two of them were greatly affected by atmospheric pressure，which might be mostly caused by poor coupling between the instrument probe and the drill hole.It is suggested that the basic work on the coupling of the instrument should be done to reduce the disturbance from atmospheric pressure when it is placed into the well.Otherwise，the data would be affected by inadequate coupling，and correspondingly the analysis and judgement on the earthquake precursor anomaly would be misled by those seriously contaminated data.

volume strain instrument；observed data；atmospheric pressure influence；coupling；earthquake prediction

P315.72＋7；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2012.11.009

2012－06－12；

2012－07－12。

（作者電子信箱，李蘭生：llsjsxz＠163.com）