地震地磁观测与研究 第３４卷 第３／４期 ２０１３年８月 ＳＥＩＳＭＯＬ０ＧＩＣＡＬ ＡＮＤ ＧＥＯＭＡＧＮＥＴＩＣ ０ＢＳＥＲＶＡＴ１０Ｎ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．３／４ Ａｕｇ． ２０１３ ｄｏｉ：１０．３９６９｝／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－３２４６．２０１３．０３／０４．０２３ 钻孔应变观测干扰及异常分析 段莉莉 ’ 段立新。 １）中国长春１３００２１吉林大学地球探测科学与技术学院 ２）中国哈尔滨１５００２１哈尔滨市防震减灾技术中心 ３）中国河北０７５４００河北怀来地震台 摘要怀来台体积式钻孔应变仪安装于１９８８年，以应变固体潮为主要观测目标。多年来，取得了 连续完整高质量的观测资料。本文列举了怀来钻孔应变的台址背景及仪器观测条件；分析了实际 观测中钻孔应变资料受仪器零漂、气压、水位、降雨等因素的干扰；研究了钻孔应变在本区及邻区 震前出现的记录曲线畸变、潮汐因子异常、应变固体潮畸变等不同形式的异常变化并对其进行特 征分析。研究表明，钻孔应变观测是获取构造活动异常变化信息，进行地球物理研究、地震预测预 报的有效途径。 关键词 钻孔应变；干扰因素；构造活动异常 ０ 引言 地震是特定的地壳介质结构和地壳介质性质在相应的地壳应力作用下，应变能量积累释 放的一种地壳运动形式。钻孔式体积应变仪正是用来获取和记录研究这种连续不断的地壳运 动的一种高灵敏度观测仪器，钻孔应变观测的优势在于它的探头部分置于井下或较深地层，直 接获取地壳构造活动信息，信息量丰富，所测对象物理意义明确而且日常管理简便易操作，是 目前地壳形变学科进行地震预测研究最直接有效的观测方法之一。 １ 台站概况 怀来形变综合台（以下简称怀来台）地处燕山折断带、李信屯断褶处，延庆山字型前弧西翼 与新华夏构造体系大海坨构造带的复合部位，延怀断陷盆地中部，黑山寺狼山断裂北端。 观测台站地面以下有近７ ｍ厚的黄土层，以下为太古界花岗片麻岩岩层，岩体比较完整。 观测井井口高程６２８ ｍ，井孔深度６３．５８ ｍ，孔径１７０ ｍｍ，探头与井壁采用膨胀水泥石英沙混 合焊接为一体。井口到观测室距离约１＿５ ｍ，井房直接与观、贝０室接壤。 观测室为双层墙半地下室（墙内填充珍珠岩保温），主机机箱放置在木制恒温柜中，使用上 海仪表厂８００２型自动温控仪进行柜内温度控制，恒温机柜内日温差小于１．０￣Ｃ，年温差小于 ８．０℃，符合规范要求（段立新等，２００２）。 作者简介：段莉莉（１９８２一），女，河北张家口人，工程师，吉林大学地质工程硕士在读，在哈尔滨市防震减灾技术中心 工作，主要从事地震监测与分析预报工作 本文收到日期：２０１２－１２—１８ 第３／４期 段莉莉等：钻孔应变观测干扰及异常分析 ２仪器工作状况 怀来钻孔式体积应变仪１９８８年４月安装（指探头下井日期），１９９０年观测资料正式产出，２０００ 年１１月后更换为ＴＪ一１Ｃ型地面仪器。历年观测资料显示，井下探头状况良好，仪器工作稳定。 仪器记录应变固体潮汐清晰规则，潮幅卓越，尤其更换ＴＪ一１Ｃ地面仪器以来，抗干扰能力 进一步提高，记录效果令人满意（图２）。陈德福等（２Ｏ０Ｏ）曾用Ｖｅｎｅｄｉｋｏｖ改编程序对全国部 分体积应变仪（ＴＪ一１型）固体观测台站作调和分析结果表明：怀来台的Ｍ。波内在精度在全国 名列前茅。 图ｌ怀来台地理位置及区域地质构造 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ０ｆ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ｔ／日 图２ ２０１２年５月怀来钻孔应变整点值 Ｆｉｇ．２ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｈｏｕｒｌｙ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ３钻孔应变观测的主要干扰因素 影响仪器正常观测的主要干扰因素有仪器零漂、气压、水位、降雨等。 ３．１仪器零漂 仪器安装后１Ｏ多年甚至更长时间段里，由于特定的事件环境、特定的地质条件和井孔介 质特性，仪器零漂较大。表１列举１９９０年至２００１年的年零漂值（以每年年末月均值与年初月 均值求得）。 从表１可以看出，仪器安装后每年零漂量呈递减趋势，漂移历时１Ｏ多年，累计漂移量达 ６．４×１０ 应变量（图３），仪器才趋于稳定。 除仪器初装时井下探头与井壁耦合水泥固化及井孔应力调整外，井水水位下降可能是造 １２４ 地震地磁观测与研究 成仪器漂移的主要原因。钻孑Ｌ打井时曾于井口以下４４ ｍ见水，探头安装后，随着该地区地下 水位的迅速下降，井水水位随之下降；在井水水位下降过程中，井壁松软地层及岩石破碎层也 不停地吸附井水，这种吸附过程加速井水水位的下降，使钻孔逐渐变为干孑Ｌ。这是一个较长的 缓变过程，在水位下降的同时，井孔及井孑Ｌ内壁的应力状况不断调整，进而施加在井下探头周 围的压力随之变化。专家分析认为：水位变化１ ｃｍ，体应变测值约变化１×１０ 量级（易志刚， ２００３），随着井水水位下降，井温随之下降，大约井温每变化约０．０１℃，体应变可引起（０．５— １．０）Ｘ１０ 量级的变化幅度。由此可见，井水水位下降可能是造成怀来钻孔应变仪器十多年 来漂移趋势的主要原因，且每年漂移形态类似，速度大体呈线性递减。 表１ 怀来钻孔应变年零漂统计 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｙｅａｒｓ ｄｒｉｆｔ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ２ × ＼ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ 删 年度 １９９Ｏ １９９１ 年零漂（×１０ 。） １１９ ９００ ６７ ３００ 年度 １９９６ １９９７ 年零漂（×１０一 。） ３９ １Ｏ０ ３２ ９Ｏ０ １９９０ １９９１ １９９２ １９９３ １９９４ １９９５ １９９６ １９９７ １９９８ １９９９ ２０００ ２ｏｏ１ １９９２ １９９３ １９９４ １９９５ １１５ ６００ ６６ ５００ ５２ ４００ ５Ｏ ９００ １９９８ １９９９ ２０００ ２Ｏ０１ ３９ ５００ ２３ ０００ Ｉ９ ６００ １４ ５００ ｔ｜年 图３怀来钻孑Ｌ应变年零漂速度 Ｆｉｇ．３ Ａｎｎｕａｌ ｄｒｉｆｔｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｎ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ３．２气压干扰 大气压力的改变首先是负荷效应，它使地表负荷以及对井孔垂直附加应力产生改变而影 响观测记录，尤其以瞬时气压骤变对记录影响更为明显，表现在大风降温、雷雨等强对流极端 天气过程来临之前，它可以直接破坏观测记录的应变固体潮波形，使记录曲线发生畸变 （图４）。刘琦等（２０１１）通过对大量台站应变观测数据、气压记录进行形态对比及计算分析，发 现气压变化与应变观测之间呈现负相关。 通常气压变化随着不同季节与气温成反比，由于风向、幅度、波长的不同，气压干扰系数也 有所不同（苏恺之，２００３）；长周期的气压缓变对钻孔应变观测记录的固体潮波形影响并不十分 显著，但对于曲线趋势走向产生影响，或加大零漂或改变漂移方向，有时可影响几天，直观表现 为记录曲线呈鼓包（或凹斗），有时会给异常分析带来不便。据张绍治计算，气压对体应变测值 影响为１０ ／ｈＰａ量级。小潮期可影响固体潮形态，短周期波对仪器测值影响较大（易志刚， ２００３）。气压对钻孔应变仪器的干扰程度因台站岩石介质、地理位置不同而各异，且气压干扰 明显存在滞后（或超前）现象。 ９６ｏ 螽９４ｓ ９２９ ０４－０４：１８ ０４－０５：１８ ０４－０６：１８ ０４－０７：ｔ８ ０４－０８：１８ Ｏ Ｏ４：ｌ８ ０４－０５：ｌ８ ０４－０６：１８ ０４－０７：１８ ０４．．－０８：１８ ｔ／月一日：时 ∥月一日：时 图４气压变化对钻孑Ｌ应变记录的干扰 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｒｏｍ ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｎ ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ３．３ 降雨干扰 降雨（尤其短时大雨）可以加重地表负荷，其干扰机理及影响幅度类似气压负荷效应，降雨 第３／４期 段莉莉等：钻孔应变观测干扰及异常分析 。卜ｏ＿【×／删 １２５ 干扰与气压干扰常常结伴而行，实际上降雨本身也夹带着气压干扰。 降雨负荷效应与气压负荷效应大体类似，降雨负荷致使地下岩层中孔隙水压力增加，使岩体应 变产生压缩变形。按理论计算，地面１０ １ＴｌＩｎ降雨量且雨水不渗入地下时，水平状含水层中孔隙水压 力的增加幅度至多为１ ｈＰａ（苏恺之，２００３），与气压变化１ ｈＰａ对观测值的影响基本等量。 本台地面排水性能较好，减轻地面雨水负荷，地面以下６—７ ｍ为黄土，黄土以下为岩石， 黄土层缓冲降雨负荷，且渗透性低。因此，本台单纯降雨干扰并不明显。 ４构造活动异常响应及特征分析 钻孔式体积应变仪设计独特、工艺先进且操作简便、易于管理；由于仪器探头直接置于几 十米深的岩石钻孔中，并与井壁耦合为一体，不仅提高了仪器自身的抗干扰水平，而且增强对 于构造活动异常的响应能力。 ４．１观测曲线异常 莹×易志刚（２００３）曾对怀来ＴＪ一１型钻孔式体积应变仪１９９１－－２０００年资料进行计算，以“数字 递推方法”对原始观测资料进行处理，消除与地震无关的零漂及各种周期影响后发现，校正后 的曲线往往在震前１—２个月内出现大幅度上升一下降一上升的曲线异常过程，异常结束后 １—２个月内时常有近区地震发生（图５）。 ７１５９６ ６ ２１９８７４１． 制 －４６９４３８ １９９１ １９９２ １９９３ １９９４ １９９５ １９９６ １９９７ １９９８ １９９９ ２０００ １９９１ １９９２ １９９３ ｌ９９４ １９９５ １９９６ １９９７ １９９８ １９９９ ２０Ｏ０ ｔ／年 ∥年 图５ 怀来钻孔应变旬均值曲线 （ａ）用数字递推方法消除零漂后的曲线；（ｂ）原始测值曲线 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｅｎ—ｄａｙ ａｖｅｒａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｎ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ２００２年８月３日在河北省怀来县发生ＭＩＪ４．４地震，震前出现与上述类似的异常过程：记 录曲线当年６月２６日改变原来的上升趋势漂移速度明显减小，至７月５日速率虽有一些微小 波动，但曲线趋势基本持平；７月６日曲线转 为下降，７月１８日转为缓慢上升，直到８月 １日上升突然加速，８月２日上升速度达 ２．７×１Ｏ＿‘，８月３日发生地震。从异常出现 到地震发生不到４Ｏ天，出现上升一下降一 上升的异常过程，在曲线上升过程中发生地 震（图６）。 ４．２潮汐因子异常 １ ２ ３ ４ ５ ６ 科 ７ ８ ９ １０ 图６ ２００２年怀来钻孔应变整点值曲线 Ｆｉｇ．６ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｈｏｕｒｌｙ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ２００２ 由于日月引潮力对地球表面的共同作用，使地球表面和内部产生变形，这种连续不断的周 期性变形称为固体潮。固体潮与地球内部物质的弹性性质密度分布密切相关，不同地区的固 体潮理论值可以用地球潮汐为计算模型准确地计算出来，但实际钻孔应变观测值与该理论值 存在一定差异，这种实际地球与模型地球的差异可以通过潮汐因子来量化和描述，潮汐因子的 １２６ 地震地磁观测与研究 变化还描述了弹性地球及其非均匀分布密度的特殊性质。 圜 疑 圜 疑 疑 圜 疑 ６ ５ ４ ７ ５ ３ ８ ５ ２ ４ ２ 研究表明：震前往往实际观测值出现畸变，潮汐因子偏离正常轨迹（图７）。 ０垒×／∞ （ａ） 位 ５，６ ％彤 ” ｏ 一， ０ｌ ０２ ０３ ｏ４ Ｏ５ ０６ ０７ Ｏ８ ０９ ｌ０ ｌ１ ｌ２ ｔ／月 图７怀来钻孔应变１９９９年潮汐因子变化与地震的关系 （ａ）ＩＶｉｚ波潮汐因子变化；（ｂ）０１波潮汐因子变化；（ｃ）体应变半日波潮汐因子变化；（ｄ）体应变周日波潮汐因子变化 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｉｄｅ ｆａｃｔｏｒ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｎ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ １９９９ ４．３应变固体潮畸变 地震孕育过程中，由于应变能量的不断积累，震源体及孕震区应力状态和介质力学特性发 生变化，使地壳产生变形和密度变化，震源体可能出现预破裂或预扩展，从而使钻孔应变仪记 录出现应变固体潮波形畸变。 钻孔应变实测值与该点应变潮汐理论值之差称为应变固体潮畸变值。若畸变值大于 １０ 量级，则认为应变固体潮波形畸变异常（易志刚，２００５）。连续出现多次异常称为应变固体 潮波形畸变峰群异常。 据易志刚统计，１９９８年１月１０日张北６．２地震前，怀来钻孔应变仪出现了明显的应变固 体潮畸变。如图８所示，１９９７年１０月底到ｌ１月上旬出现应变固体潮波形畸变峰群异常，最 大峰值达６．４８×１０ 应变量。 张北６．２ － ．．Ｉ ｌ Ｉ 图８ 张北地震前怀来钻孔应变固体潮畸变 Ｆｉｇ．８ Ｔｉｄａｌ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｎ Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ｂｅｆｏｒｅ Ｚｈａｎｇｂｅｉ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ５ 结束语 通过列举怀来钻孔应变（ＴＪ一１Ｃ体积应变仪）主要干扰因素以及部分资料异常实例，有了 以下认识。 （１）仪器漂移、气压、降雨等干扰因素，在日常观测中是无法回避的客观存在，但可以对资 第３／４期 段莉莉等：钻孔应变观测干扰及异常分析 １２７ 料进行去漂移处理，对气压、降雨等干扰因素通过作相关分析、滤波、组合滤波、一元、多元或逐 步回归方法予以消除，由表及里、去伪存真，从而发现有用的信息。 （２）怀来钻孔应变观测资料在本区及邻区震前（比如１９９８年张北６．２级地震、２００２年怀 来４．４级地震）均出现记录曲线畸变、潮汐因子异常、应变固体潮畸变等不同形式不同程度的 异常变化。 （３）有关专家曾用“数字递推法”、“线性回归分析”、“周期图法”、“潮汐因子异常”等不同方 法，对怀来钻孔应变观测资料进行再处理，发现该资料具有较好的映震能力。 由此可见，钻孔应变观测是目前地壳形变学科进行地震预测研究最直接有效的观测方法 之一。随着数字化观测的逐步完善和观测资料的不断积累，对仪器诸多干扰因素的认识更深 化、细化，可更为严谨有效地排除干扰，在分析前兆信息方面迈出更大步伐。钻孔应变观测方 法必将在未来的地震预测预报、科学研究中发挥更大作用。 爹考文献 陈德福，段立新，等．怀来等台固体潮观测调和分析结果ｆＪ］．华北地震科学，２０００，１８（２）：５０—５４． 段立新，等．怀来形变综合台的钻孔应变观测［Ｊ］．地震监测，２００２，４：１５—２５． 刘琦，等．四分量钻 Ｌ应变资料的质量评价及拟合分析［Ｊ］．地震，２０１１，３１（２）：８７—９５． 苏恺之．地应变观测资料的物理解释（二）／／钻孔地应变观测新进展［Ｍ］．北京：地震出版社，２００３：１１１—１３１ 易志刚．体应变资料处理与异常分析／／钻孔地应变观测新进展Ｉ－Ｍ］．北京：地震出版社，２００３：６３—７９． 易志刚．钻孔体应变观测资料的地震短临异常［Ｊ］．地震地磁观测与研究，２００５，２６（增刊）：１７８—１８５． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ａｎｏｍａｌｉｅｓ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｄｕａｎ Ｌｉｌｉ ）・。 ａｎｄ Ｄｕａｎ Ｌｉｘｉｎ。 １）Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｄｉｓａｓｔｅｒ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｈａｒｂｉｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，ＨｅｉｌｏｎｇＪｉａｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ １５００２１，Ｃｈｉｎａ ２）Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２１，Ｃｈｉｎａ ３）Ｈｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ，ＨｅＢｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ０７５４００，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ａｄｄｒｅｓｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｉｎ Ｈ ｕａｉｌａｉ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｌｉｓｔｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ａｃｔｕａｌ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ ｂｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｚｅｒｏ ｄｒｉｆｔ，ａｉｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅ１，ｒａｉｎｆａｌＩ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｆａｃ— ｔｏｒｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ａｂｎｏｒｍａｌ ｃｈａｎｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｒｅｃｏｒｄ ｃｕｒｖｅ ａｂｅｒｒａｎｃｅ，ｔｉｄｅ ｆａｃｔｏｒ ａｎｏｍａｌｙ ａｎｄ ｓｔａｉｎ ｓｏｌｉｄ ｔｉｄｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔａｉｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｂｅｆｏｒｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ， ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ．ｂｏｒｅｈｏｌｅ Ｓｔｒａｉｎ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｉＳ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙ ｉｎ ｇｅｔｔｉｎｇ ａｂｎｏｒｍａｌ ｃｈａｎｇｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｅｃｔｏｎｉｃ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｓｔｒａｉｎ，ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｅｉｓｍｉｃ ａｎｏｍａｌｉｅｓ
