阜新地震臺體應(yīng)變資料清理與研究

張松嵬，王海燕，張弘穎，宋振宇，李彤霞

（1.阜新地震臺，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

阜新地震臺體應(yīng)變資料清理與研究

張松嵬1，王海燕2，張弘穎1，宋振宇1，李彤霞2

（1.阜新地震臺，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

通過對阜新地震臺體應(yīng)變資料清理，總結(jié)出了阜新體應(yīng)變數(shù)據(jù)的動態(tài)特征及變化規(guī)律；提取了典型的干擾形態(tài)，為在今后觀測工作中排除干擾積累了寶貴經(jīng)驗；對體應(yīng)變同震響應(yīng)特征與地震之間的關(guān)系進行了詳細分析，也檢驗了體應(yīng)變儀的映震能力，為以后體應(yīng)變資料分析和發(fā)現(xiàn)震前異常打下良好的基礎(chǔ)。

相關(guān)性；干擾；同震響應(yīng)；映震能力

0 引言

我國進行鉆孔體應(yīng)變觀測主要是從中國地震局“九五”計劃的“體應(yīng)變儀的實用化研究”開始有了較大發(fā)展[1]，近些年國內(nèi)許多學者也開展了許多相關(guān)研究，主要集中在以下方面：（1）干擾因素分析及排除[2-3]；（2）觀測數(shù)據(jù)處理及方法[4]；（3）異常特征及其與地震關(guān)系研究[5-6]；（4）同震響應(yīng)特征及其他[7-8]。上述研究多是針對某個個體鉆孔開展，由于個體結(jié)果在鉆孔結(jié)構(gòu)、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境等方面的獨特性，其研究結(jié)果不能直接應(yīng)用于本測點資料，另外隨著阜新體應(yīng)變觀測資料的不斷積累，觀測環(huán)境及人員變動、觀測井孔改造的存檔、觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)分析、各類異常動態(tài)的全面整理、以及映震效能的分析研究等都是我們面臨的一個重要任務(wù)，這些資料的全面整理及系統(tǒng)研究可以為今后的監(jiān)測及數(shù)據(jù)有效應(yīng)用提供有益的參考，但這些工作在以往并未充分的開展。為進一步挖掘阜新體應(yīng)變數(shù)據(jù)微動態(tài)的科學內(nèi)涵、引進數(shù)據(jù)處理新方法、吸取其他研究成果的經(jīng)驗、增強體應(yīng)變數(shù)據(jù)在日常地震預(yù)報中的應(yīng)用，我臺對體應(yīng)變資料進行了一次全面系統(tǒng)的整理，并做了綜合分析研究，借鑒引進國內(nèi)外近年的研究成果，總結(jié)體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化的基本規(guī)律，分析影響正常動態(tài)因素及其影響特征，提煉典型的異常特征及干擾特征，研究異常與地震活動的關(guān)系，為以后進一步深入研究及應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 阜新地震臺體應(yīng)變手段簡介

阜新地震臺體應(yīng)變鉆孔位于中生代斷陷盆地邊緣花崗巖地區(qū)中一條北北東走向的小斷裂帶上，屬裂隙水、單井涌水小于每秒1000升的地區(qū)，地形總體向西南傾斜。地下徑流方向與地形一致，南北落差近48米，屬一側(cè)充水接觸帶的上側(cè)。西北有一座小型水庫，距井口直線距離為150米，經(jīng)反復(fù)論證水庫對鉆孔水質(zhì)、水位和體應(yīng)變儀器無影響。

2002年1月開始應(yīng)用TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀器進行正式觀測，是遼西地區(qū)為數(shù)不多的重要的形變監(jiān)測手段，自觀測以來資料連續(xù)、完整，儀器靈敏度優(yōu)于1×109，固體潮汐清晰，與其輔助手段成相關(guān)變化，能反映地下應(yīng)力場的變化，可信度較高，作為當時全國唯一一個在自流井孔中觀測的體應(yīng)變測點，其觀測資料有較好的研究價值。

2005年由于6年體應(yīng)變儀遇雷擊探頭損壞，2005年10月新鉆了2號孔，新孔孔深61米，此井孔為自流井（下文統(tǒng)一稱為2號孔）。2005年 11月在中國地震局地殼應(yīng)力研究所專家的指導(dǎo)下，我臺完成了新鉆2 號孔中新儀器探頭的安裝。地面測量儀在北京做了維修檢測，并于2006年1月1日開始正式觀測。

2008年10月21日體應(yīng)變儀因數(shù)采儀故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)中斷。2009年2月15日地殼所專家來我臺將原有九五數(shù)字化體應(yīng)變儀地面主機更換為十五儀器并做調(diào)試，16日開始正式并入十五前兆臺網(wǎng)試運行。自觀測以來資料連續(xù)、完整，儀器靈敏度達到1×10-9，固體潮汐清晰，與其輔助手段成相關(guān)變化，能反映地下應(yīng)力場的變化，儀器采樣率為分鐘值。

2 觀測數(shù)據(jù)動態(tài)分析

2.1影響因素分析

2.1.1 氣壓影響特征分析

體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線變化與氣壓變化相關(guān)性較好，特別是在氣壓發(fā)生大幅變化時對體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線形態(tài)影響明顯，嚴重時會對體應(yīng)變趨勢性變化造成一定影響（圖1）。

2.1.2 井水位變化影響特征

體應(yīng)變受水位數(shù)據(jù)曲線變化影響明顯，并且有很好的相關(guān)性。在受到水位變化干擾時，體應(yīng)變的響應(yīng)略有延遲（圖2）。

2.2動態(tài)特征分析

2.2.1 正常動態(tài)特征分析

（1）體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線動態(tài)變化特征

2002年1號孔體應(yīng)變儀所記錄的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)總體呈下降趨勢，2006年2號孔體應(yīng)變儀所記錄的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)總體呈上升趨勢。經(jīng)臺站工作人員分析，這兩臺儀器之所以呈現(xiàn)出不同的趨勢變化，是由于第一次在1號孔安裝儀器探頭后，井口未做固封處理，為半開放狀態(tài)，所以數(shù)據(jù)曲線形態(tài)呈張性變化；而第二次在2號孔安裝儀器探頭后，對井口做了固封處理，所以數(shù)據(jù)曲線形態(tài)表現(xiàn)為壓性變化。體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)曲線形態(tài)的這兩種變化都是長期趨勢性的，對數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量沒有造成影響，都能夠較好地體現(xiàn)出地下應(yīng)力場的變化情況（圖3）。

（2）年變規(guī)律分析

我們對體應(yīng)變數(shù)據(jù)做去趨勢分析，體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線有清晰的年變規(guī)律。大約在每年的7月數(shù)據(jù)曲線達到最低值，12月數(shù)據(jù)曲線達到最高值（圖4）。

（3）月變、日變規(guī)律分析

體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線有清晰的固體潮汐變化，每月大、小潮汐有規(guī)律的交替變化（圖5），日變曲線有明顯的駝峰形固體潮汐變化（圖6）。

2.2.2 有明確干擾源的異常動態(tài)特征分析

（1）電壓干擾

體應(yīng)變儀2002年多次出現(xiàn)電壓干擾，干擾形態(tài)主要表現(xiàn)為臺階變化。電壓干擾主要是由于停電或電源電壓不穩(wěn)定造成，如2002年6月 29日13時至15時停電干擾，造成輔助測項測值干擾較大，但體應(yīng)變變化不明顯（圖7）。經(jīng)過十五臺站改造使用UPS供電，電源電壓干擾問題現(xiàn)在已經(jīng)徹底解決。

（2）受1號孔井水流量大幅變化干擾

因1號孔與2號孔距離較近，兩井又互相連通，所以當1號孔中氣氡儀水泵發(fā)生故障或輸水管路漏水時，就會對體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)曲線形態(tài)造成較大影響。當水泵抽水中斷時體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線的壓性變化并不顯著，而在抽水量增加時體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線有明顯的張性變化，變化幅度與抽水時間、流量呈正相關(guān)關(guān)系。體應(yīng)變儀2012年6月26日07: 25—07: 45因氣氡儀輸水管接口漏水，井水流量發(fā)生變化，導(dǎo)致體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線形態(tài)出現(xiàn)大幅階變（圖8）。

3 體應(yīng)變資料與地震活動關(guān)系研究

3.1天然地震

我們將2002年1月至2012年12月體應(yīng)變儀記錄到的天然地震分為遠震、近震、深震三部分進行研究。遠震即指震中距大于1000km的地震，近震即指震中距小于1000km的地震，深震即指震源深度大于300km的地震。

3.1.1 體應(yīng)變地震波形態(tài)特征分析

體應(yīng)變儀記錄的遠震波形與測震儀記錄的地震波形相似，震相有明顯的衰減過程。

對中、俄交界地區(qū)深震的映震能力一般，能夠記錄到少數(shù)較大深震的地震波，地震波形記錄的不完整，形態(tài)類似數(shù)據(jù)突跳（圖9）。不過相對于遠震波形態(tài)，深震的地震波形態(tài)特點還是比較明顯的，很容易就能夠?qū)⑺麄儏^(qū)分開。

對近震地震波形記錄的也不完整，形態(tài)類似數(shù)據(jù)突跳，例如2012年5月28日體應(yīng)變儀記錄到的河北省唐山市M4.8級地震，震中距為369km（圖9）。

經(jīng)過對阜新臺體應(yīng)變歷史資料中的地震同震響應(yīng)圖像逐一查找分析，目前只發(fā)現(xiàn)一個震例體應(yīng)變儀在震前出現(xiàn)異常變化。這個地震是2012年12月7日16點18分在日本本州東海岸附近海域（37.8oN，144.2oE）發(fā)生的M7.4級地震，震前在16點12分時體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)突升變化（圖9）。因為在現(xiàn)有我臺的體應(yīng)變數(shù)據(jù)資料中只發(fā)現(xiàn)這樣一個震例，所以目前還無法確認這一異常變化是否是地震異常，還有待于今后在日常觀測中積累經(jīng)驗。

3.1.2 體應(yīng)變同震響應(yīng)特征與地震的方向性、距離、震級之間關(guān)系分析

體應(yīng)變儀同震響應(yīng)的響應(yīng)幅度、延遲時間、形態(tài)與地震的震級、距離、方向性之間沒有絕對的相關(guān)性，例如在2011年3月日本本州東海岸附近海域發(fā)生的兩次地震，圖中6.5級地震遠震波的響應(yīng)幅度（9.9E-9）反倒比6.6級地震遠震波的響應(yīng)幅度（6.7E-9）大（圖10）。我們選取了6個不同地區(qū)震級相同的震例作對比，我們可以看出同震響應(yīng)的延遲時間并沒有因為震中距增大而減小，變化幅度也沒有完全隨著震中距減小而增大（表1）。而體應(yīng)變受到的遠震波形態(tài)與地震的方向性也沒有表現(xiàn)出相關(guān)性。

造成這一結(jié)果的主要原因，我們認為有可能是由于地震波在地下不同介質(zhì)中傳播的速度不同、以及地震波在地下的傳播方式?jīng)Q定的，這也充分的說明了地震的復(fù)雜性和多樣性。

表1 體應(yīng)變相同震級地震記錄統(tǒng)計表

3.1.3映震能力分析

體應(yīng)變儀能夠清晰地記錄到我國周邊M6.0級以上遠震的地震波，以及全球多數(shù)M7.0級以上地震的地震波（圖9）。我們選取了2009年3月1日至2012年12月31日體應(yīng)變數(shù)據(jù)資料，通過提取其中149個地震波與全球M7.0級以上地震目錄進行對比分析，在這一時段中全球共發(fā)生M7.0級以上地震88次，其中有61次地震體應(yīng)變儀有同震響應(yīng)，占總地震個數(shù)的69.3%，充分說明阜新臺體應(yīng)變儀對大遠震的響應(yīng)能力較強。

對近震的映震能力不強，截止到2012年12月我們在體應(yīng)變數(shù)據(jù)資料中只記錄到1次，是2012年5月28日河北省唐山市M4.8級地震，震中距為369km（圖9）。與之相對比2003年8月16日巴林左旗發(fā)生的M6.2級地震，震中距為256km，體應(yīng)變儀就沒有記錄到相應(yīng)的地震波形（圖11）。

對中、俄交界地區(qū)深震的映震能力一般，能夠記錄到少數(shù)較大深震的地震波，地震波形記錄的也不完整，形態(tài)類似數(shù)據(jù)突跳（圖9）。

我們認為，由于體應(yīng)變儀器自身特性以及采樣率等因素，決定了其對長周期面波發(fā)育較好的遠震接收能力較強，相對于地震波周期小、持續(xù)時間短的近震、深震及本地礦震的映震能力較弱。

3.2非天然地震

阜新臺體應(yīng)變儀能夠記錄到個別的本地礦震，記錄到的形態(tài)類似于數(shù)據(jù)突跳。因為礦震持續(xù)時間短，并且體應(yīng)變記錄的是分鐘值數(shù)據(jù)，所以只能在特定條件下記錄到礦震的長周期面波（圖12）。

4 結(jié)論與探討

（1） 通過對阜新臺體應(yīng)變與其輔助氣壓、水位觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，我們發(fā)現(xiàn)體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化受氣壓、水位變化影響明顯，并且體應(yīng)變與輔助氣壓、輔助水位數(shù)據(jù)曲線存在正相關(guān)關(guān)系，數(shù)據(jù)曲線之間有較好的同步性。

（2）阜新臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線固體潮汐變化清晰，有明顯的年變變化規(guī)律，能夠真實反映地下應(yīng)力場的變化情況。

（3） 通過對由于干擾造成的體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線形態(tài)變化特征分析，總結(jié)出了典型干擾的形態(tài)特征，為今后在日常觀測工作中排除干擾提供依據(jù)。

（4）阜新臺體應(yīng)變儀對大遠震有較強的映震能力，能夠記錄到大部分M6.0級以上的遠震波。對近震、深震及本地礦震的映震能力不強，只能記錄到極少數(shù)的地震波。我們認為，這是由于體應(yīng)變儀器自身特性以及采樣率等因素，決定了其對長周期面波發(fā)育較好的遠震接收能力較強，相對于地震波周期小、持續(xù)時間短的近震、深震及本地礦震的映震能力較弱。

（5） 阜新臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線震前異常的特征尚不明確，在多年觀測中我們只提取到一次震前出現(xiàn)異常變化的震例，還不能夠總結(jié)出阜新體應(yīng)變震前異常變化規(guī)律，需要我們在今后日常觀測中繼續(xù)積累經(jīng)驗。

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ANALYSIS AND RESEARCH OF THE VOLUME STRAIN DATA AT FUXIN SEISMIC STATION

ZHANG Song-wei1， WANG Hai-yan2，ZHANG Hong-ying1，SONG Zhen-yu1，LI Tong-xia2

（1.Fuxin Seismic Station，Liaoning Fuxin 123000, China；2. Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034, China）

act: Based on the analysis of the volume strain data, the dynamic characteristics and changing regular of Fuxin volume strain were summed up. And the typical morphology of interference was abstracted. It can accumulate valuable experience for future observation work in excluding the interference. The relationship between seismic attributes and earthquake according to volume strain coseismal was analyzed detailedly. And the earthquake reflecting ability of the volume deformeter has been inspected. It makes a good foundation for the future volume strain data analysis and finding anomalies before earthquakes occurred.

s: relativity; interference; co-seismic response; earthquake reflecting ability

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.04.007

1674-8565（2016）04-0043-08

2016-07-06

2016-08-28

張松嵬（1977-），男，遼寧省阜新市人，畢業(yè)于遼寧師范大學，本科，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測與預(yù)報工作。