乾陵地震臺(tái)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)資料分析

張晨蕾 何明文 楊曉東 劉 盼 史春偉 陳嘉選

（中國西安710068 陜西省地震局）

0 引言

地殼形變觀測(cè)能夠直接捕捉地震孕育、發(fā)生過程中產(chǎn)生的形變變化。鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)是一種小空間尺度的地殼形變觀測(cè)。將鉆孔應(yīng)變儀探頭安裝在鉆孔下方的基巖中，可精細(xì)觀測(cè)到地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)的連續(xù)變化，有助于研究地震應(yīng)力、應(yīng)變的發(fā)展變化規(guī)律，為地震相關(guān)研究提供基礎(chǔ)性背景資料（李希亮等，2013）。文中以乾陵地震臺(tái)（下文簡稱乾陵臺(tái)）2018—2020 年鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)資料為研究對(duì)象，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、干擾因素及映震能力，以期為其他相關(guān)數(shù)據(jù)分析提供參考。

1 觀測(cè)環(huán)境

乾陵臺(tái)位于陜西省咸陽市乾縣陵前村，海拔高度885 m，地質(zhì)構(gòu)造上屬渭河斷陷盆地中段與鄂爾多斯地臺(tái)南緣接觸帶，臺(tái)基巖性為奧陶系炭巖，形變觀測(cè)屬國家Ⅰ類觀測(cè)項(xiàng)目。該臺(tái)地處渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原過渡地帶，關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂以南，乾縣—富平斷裂以北（楊曉東等，2018；楊小林等，2020）。

乾陵臺(tái)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)始于2007 年，于該年1 月13 日架設(shè)安裝TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變測(cè)量儀，1 月14 日開始運(yùn)行。該臺(tái)體應(yīng)變鉆孔井孔為干孔，開口孔徑：150 mm，終孔孔徑：130 mm，孔深：71.3 m。TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變測(cè)量儀多年來運(yùn)行良好，記錄曲線緩慢正向漂移，巖石呈壓性變化。

2 觀測(cè)資料質(zhì)量分析

選取乾陵臺(tái)2018—2020 年鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)資料，從觀測(cè)資料完整性、年零漂和資料精度方面進(jìn)行分析。

2.1 觀測(cè)資料完整性

觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率上。連續(xù)率是指觀測(cè)設(shè)備記錄數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占原始采樣總數(shù)的百分比，完整率是指經(jīng)預(yù)處理后有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占應(yīng)有數(shù)據(jù)總數(shù)的百分比。分析2018—2020 年乾陵臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)資料，計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率，結(jié)果見表1，可見該臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率和完整率均高于99.5%，數(shù)據(jù)完整性較高。

2.2 年零漂

年零漂用來判斷基值的穩(wěn)定性。乾陵臺(tái)體應(yīng)變儀2018 年漂移量為2 201.4×10-9，2019 年為2 886.2×10-9，2020 年為2 377.7×10-9（表1），體應(yīng)變觀測(cè)曲線呈緩慢正向漂移，漂移量較明顯，近3 年體應(yīng)變儀漂移量滿足形變學(xué)科組觀測(cè)要求，說明觀測(cè)系統(tǒng)基值穩(wěn)定性較好。

2.3 觀測(cè)資料精度

基于最小二乘法的維尼迪柯夫調(diào)和分析方法，能夠計(jì)算體應(yīng)變潮汐因子及其相對(duì)誤差（精度），得到固體潮觀測(cè)值與其理論值的偏離情況，從而判斷觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量（盧雙苓等，2018）。計(jì)算得到乾陵臺(tái)2018—2020 年體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)潮汐因子及其絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，結(jié)果見表2，可見：該臺(tái)體應(yīng)變潮汐因子變化較穩(wěn)定，平均值在0.69±0.01 范圍內(nèi)；觀測(cè)精度（相對(duì)誤差）較好，平均值最小為0.012 8，最大為0.016 4。

表2 鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)資料調(diào)和分析結(jié)果Table 2 The results of harmonic analysis of observation data of borehole strainmeter

3 干擾分析

對(duì)選取的乾陵臺(tái)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)資料，從自然環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)和人為干擾方面進(jìn)行分析。

3.1 自然環(huán)境干擾

自然環(huán)境變化會(huì)改變體應(yīng)變測(cè)項(xiàng)的監(jiān)測(cè)條件，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。降雨和氣壓是乾陵臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)中受到的主要自然環(huán)境干擾。雨水到達(dá)地表后逐漸滲入巖體孔隙，導(dǎo)致孔隙水壓力增加，使得水位上升，從而引起巖體體應(yīng)變產(chǎn)生變化；氣壓變化會(huì)導(dǎo)致地面負(fù)載產(chǎn)生變化，從而引起巖體應(yīng)力、應(yīng)變的改變（李杰等，2003）。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2018 年5 月21 日當(dāng)?shù)亟涤炅?3.1 mm，乾陵臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)值上升56.2×10-9；2018 年4 月4 日氣壓發(fā)生劇烈變化，變幅為11.2 hPa（圖1）；該臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)曲線出現(xiàn)同步趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折，變幅為58.8×10-9（圖2）。分析乾陵臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)與氣壓的相關(guān)性，計(jì)算得到二者相關(guān)系數(shù)為0.928 1，均大于李杰等（2003）給出的山東省3 個(gè)臺(tái)站體應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)：泰安臺(tái)0.394、長清臺(tái)0.619、煙臺(tái)臺(tái)0.876，說明乾陵臺(tái)體應(yīng)變對(duì)氣壓變化的響應(yīng)更為靈敏。

圖1 體應(yīng)變、降雨量觀測(cè)曲線Fig.1 Curves of body strain and rainfall observation

圖2 體應(yīng)變、氣壓觀測(cè)曲線Fig.2 Curves of body strain and barometric pressure observation

3.2 觀測(cè)系統(tǒng)干擾

近年來乾陵臺(tái)UPS 電源穩(wěn)定性有所下降，對(duì)儀器正常觀測(cè)造成干擾。2020 年9 月29日00:02—00:16，UPS 電源發(fā)生故障，重啟后恢復(fù)正常；07:34—08:40，UPS 電源再次發(fā)生故障，斷電維修，導(dǎo)致該時(shí)段體應(yīng)變資料出現(xiàn)缺數(shù)、突跳和臺(tái)階（圖3）。

圖3 UPS 不穩(wěn)定記錄曲線Fig.3 Recording curve due to UPS instability

3.3 人為干擾

對(duì)儀器進(jìn)行定期的檢修維護(hù)，也會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。2018 年8 月25 日15:45—16:26，對(duì)乾陵臺(tái)體應(yīng)變儀進(jìn)行檢修，根據(jù)需要，整理供電線路時(shí)進(jìn)行臨時(shí)斷電，導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)突跳現(xiàn)象（圖4）。

圖4 檢修儀器記錄曲線Fig.4 Recording curve due to maintenance equipment

4 映震能力分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018—2020 年，全球共發(fā)生7.0 級(jí)及以上地震42 次，中國共發(fā)生6.0 級(jí)及以上地震15 次，其中：乾陵臺(tái)體應(yīng)變儀記錄到全球7.0 級(jí)及以上地震25 次（震時(shí)形變波形明顯），達(dá)地震總數(shù)的59.52%；記錄中國6.0 級(jí)及以上地震8 次，達(dá)地震總數(shù)的53.33%?？梢?，該臺(tái)體應(yīng)變儀對(duì)全球7.0 級(jí)及以上地震和中國6.0 級(jí)及以上地震同震響應(yīng)較明顯。

2018—2020 年乾陵臺(tái)體應(yīng)變儀記錄地震78 次，結(jié)果見表3，其中：①近震（震中距在100—1 000 km 范圍內(nèi)）5 次，其中震級(jí)最大為6.0（震中距762 km），體應(yīng)變儀記錄到波形異常變化持續(xù)時(shí)間為31 min，震級(jí)最小為2.2（震中距887 km），波形異常變化持續(xù)時(shí)間為8 min；②遠(yuǎn)震（震中距大于1 000 km）73 次，其中震級(jí)最大為8.1（震中距9 741 km），波形異常變化持續(xù)時(shí)間為134 min，震級(jí)最小為3.8（震中距1 115 km），波形異常變化持續(xù)時(shí)間最短，為7 min。因此，乾陵臺(tái)鉆孔體應(yīng)變儀記錄地震震級(jí)越大，波形異常變化持續(xù)時(shí)間越長。

表3 乾陵臺(tái)鉆孔體應(yīng)變地震記錄Table 3 Earthquake catalog recorded with borehole strainmeter at Qianling Seismic Station

以2020 年3 月25 日10:49:19 千島群島7.5 級(jí)地震（48.93°N，157.74°E，震源深度30 km）為例，分析乾陵臺(tái)體應(yīng)變儀地震記錄特征。此次地震發(fā)生后，乾陵臺(tái)體應(yīng)變儀于當(dāng)日10:53—12:30 清晰記錄到此次地震異常波形，地震引起觀測(cè)數(shù)據(jù)突變，從而導(dǎo)致記錄波型發(fā)生變化，變化幅度51.7×10-9（圖5）。

圖5 乾陵臺(tái)體應(yīng)變地震波型記錄Fig.5 The record of coseismic wave of the body strain observation at Qianling Seismic Station

5 結(jié)果

通過對(duì)2018—2020 年乾陵臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)果：體應(yīng)變運(yùn)行良好，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，表現(xiàn)在數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率和精度均較高；降雨和氣壓變化會(huì)對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)資料產(chǎn)生干擾，表明體應(yīng)變儀靈敏度較高；體應(yīng)變儀對(duì)全球7.0 級(jí)及以上地震和中國6.0 級(jí)及以上同震響應(yīng)較明顯，震級(jí)越大，地震波形異常記錄持續(xù)時(shí)間越長。由于該臺(tái)體應(yīng)變儀架設(shè)時(shí)間較長，運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)故障，影響正常觀測(cè)，需對(duì)儀器進(jìn)行定期維護(hù)、檢修，有助于提升觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。