乌什地震台体应变不同频带对干扰因素的响应特征_郭春生.pdf

文章编号:1001-8956(2023)02-0196-07中图分类号:P3157文献标识码:A乌什地震台体应变不同频带对干扰因素的响应特征郭春生，斯 琴，关冬晓，徐衍刚，朱治国(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)摘要:形变观测台站建立在地壳表层，处于各圈层的分界面上，不同程度的受到各种影响因素的影响，为研究乌什体应变不同频带对干扰因素的影响特征。利用谱分析研究乌什体应变包含的主要周期成分，并利用别尔采夫滤波及一般多项式拟合分解等方法将乌什体应变测值序列进行分解，研究不同频带下乌什体应变受气温、气压及固体潮的影响因素。结果表明:水位是乌什体应变月波频带的主要影响因素;乌什体应变年频带的主要影响因素是温度，且乌什体应变相位滞后气温约314 d;气压对乌什体应变的影响频带介于潮汐与月波频带之间;各影响因素与体应变之间均具有较强的线性相关性。关键词:体应变;数据综合性;相关系数;乌什地震台doi:1016256/jissn1001-8956202302010地形变测量的目的是为了获取地形变和地震地形变信息，地壳岩石应变测量使用的主要仪器是钻孔应变，包括体应变仪和分量式应变仪 2 种1。其中，体应变仪具有灵敏度高、响应频带宽等突出优点，最适合揭示地壳短期应变变化，钻孔应变观测可为地震学研究提供基础性的背景资料2。“十五”期间在重点地震监测区架设了 80 多套国产的 TJII 型体应变仪2-5。由于钻孔体应变仪的观测深度较浅，气象和水文等非构造因素对测值会产生明显干扰6-7。因此，观测值序列具有综合性、可分性和丰富的数学物理内涵8。同时，地震的“效果”也决不是把积累起来的应力彻底“释放掉”，而这就意味着地震前兆信息的强度，比原来所认为的要小得多9，因此研究观测数据中的干扰因素特征，将对异常的识别与提取具有现实意义。不同因素对体应变的影响已有学者进行了研究，王梅10 对山东省数字化钻孔体应变观测与气压、水位的相关性进行了研究;刘序俨11 从时域和频域分别对福州台和永安台的体应变和井水位资料观的一致性进行了分析;杨小林12 依据超强台风“利奇马”的强度和时空演变特征，采用经验模态分解等方法分析强台风对东南沿海地区钻孔应变影响。本文中基于观测序列的可分析，研究不同频带体应变影响因素的响应特征。这对研究地形变观测包含的信息、物理意义和前兆异常识别等具有重要的参考价值。第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2021-03-02;修回日期:2022-04-07课题项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金(2020D01A85);中国地震局震情跟踪专项(2022020505)作者简介:郭春生(1978)，男，工程师，2004 年毕业于新疆大学电气工程及其自动化专业，主要从事地震前兆观测的分析及系统的运维工作 E-mail:gcskw269 163com1研究方法车用太13 在研究地下水干扰异常时指出，识别干扰异常需要把握成因上的相关性、空间上的相关性、时间上的相关性与强度上的相关性。基于此下面讨论体应变与各影响因素之间的响应机制。承压含水层井水位观测系统对体应变的影响是一种线性时不变响应，井水位埋深与体应变的关系11，b=(1/gk)(1)式中:b 为水位，为含水层流体密度，g 为重力加速度，为体应变，k 为承压含水层弹性介质的压缩系数，b，均为相对观测值。由式(1)，体应变与水位为线性关系，这与本文研究结果中在月波频段体应变与水位具有较高线性相关性结果一致。在假定钻孔所在介质为各向同性弹性体，不考虑洞壁和水泥的力学特性影响，由于气压场均匀作用的区域较大，因此忽略水平方向应力，依据胡可定律，在单轴应力作用时，理论体应变的解析解，v=(12v)zz(2)zz=P/E(3)式中:v为体应变，zz为垂向应变，P 为地表气压负荷，E 为弹性模量，v 为泊松比。由式(2)、(3)可知，体应变与气压为线性关系，因此，乌什体应变的介于潮汐与月波频带之间主要影响因素为气压。只考虑体应变时，可以得出体应变与气温变化之间的关系14，T=aT(4)式中:“”表示压缩为正。在各向同性介质的条件下，a 为常数。由于气温对定点形变的影响存在一个热传导的过程，根据干扰异常时间上的相关性，气温对体应变的影响存在相位滞后，由(4)式可知气温变化与体应变变化成正比关系。2数据分析乌什体应变位于新疆维吾尔自治区天山南麓阿克苏地区乌什县西郊的七女坟旁(412N，792E)，NE 向的阔克沙勒断裂分布在台站北部。台区基岩大面积出露，岩性以石英质砂岩为主15，乌什体应变的观测仪器型号为 TJII 型，钻孔开口径 150 mm，终孔径 130 mm，孔深 80m，实测深度为 77 m。探头底部埋深为 756 m，探头处于砂岩层中。在信号处理过程中，频域分析往往比时域分析方便和高效，而 FFT 则是时域和频域转换的基本运算。选取 2015 年 1 月至 2021 年 5 月乌什体应变、辅助水位、气温、气压及理论固体潮数据为研究对象。利用 FFT 变换进行频谱分析，结合时序曲线分析(图 1)，乌什体应变主要包含有日波、半日波的潮汐频带、年周期频带和介于年周期与日波频带的信息。7912 期郭春生等:乌什地震台体应变不同频带对干扰因素的响应特征图 1乌什体应变频谱分析图(a)乌什体应变时序曲线图(b)乌什体应变频谱分析Fig1Strain spectrum analysis diagram of Wushi别尔采夫滤波可以把地球物理场观测量分解成由日月引力作用形成的潮汐部分和仪器的零漂及其他因素引起的低频趋势变化16。因此，为研究乌什体应变潮汐频带的影响因素，首先采用别尔采夫滤波将乌什体应变、辅助水位、气温、气压分解出日波、半日波并计算体应变与各因素之间的相关系数，乌什体应变与理论固体潮具有较高的线性相关性，相关系数为0777，绘制它们之间的散点图(图 2a)。利用一般多项式分段曲线拟合滤出乌什体应变及辅助测项周期在 1 至 2 个月内的月波，并计算乌什体应变与气压、气温和水位在月波频带的相关系数，仅水位与体应变相关系数较高，为0905，绘制水位与体应变散点(图 2b)。图 2乌什体应变与理论固体潮、水位散点图(a)体应变与理论固体潮散点图(日波、半日波)(b)体应变与水位散点图(月波)Fig2Scatter plot of body strain with theoretical solid tide，water level on Wushi station891内陆地震37 卷乌什体应变的固体潮记录清晰，日波、半日波频带与固体潮具有较高的线性相关性，乌什体应变在月波频带的主要影响因素是水位，且为线性关系。为研究乌什体应变年周期频带的主要影响因素，再利用按年分段的一般多项式分段曲线拟合，滤出乌什体应变、气温、气压、水位的年频带的周期成分，计算体应变与气温、气压、水位的相关系数，分别为 0607，0796，0265 3，绘制体应变与气温、气压散点图(图 3)。图 3乌什体应变与气压、气温散点图(a)体应变与气压散点图;(b)体应变与气温散点图Fig3Scatter plot of body strain with pressure，temperature on Wushi station气压对体应变的影响实际是力的作用，而气温对地形变的观测是一个热传递的过程，气温与气压具有负线性关系。因此，为了进一步研究气温、气压与体应变的关系，统计体应变与气温的相位关系(图 4)。乌什体应变滞后气温约 314 d，经相位平移后，体应变与气温相关系数为 0961，绘制它们的散点图(图 5)。图 4乌什体应变与与相位滞后气温天数关系图Fig4elationship between Wushi body strain andtemperature days with phase lag图 5乌什体应变与气温散点图(相位平移后)Fig5Scatter plot of Wushi body strainand temperature根据图 3(a)和图 5 可知，利用线性回归分析得到，可以利用 y=246538 2x+52603 9 剔除气压对乌什体应变的影响，利用 y=617856x+45279 剔除气温对乌什体应变的影响，得到其残差曲线(图 6)。9912 期郭春生等:乌什地震台体应变不同频带对干扰因素的响应特征图 6乌什体应变与气压、气温回归曲线(a)乌什体应变与气压回归残差(b)乌什体应变与气温回归残差Fig6egression curves of wushi body strain，air pressure and air temperature在剔除气温影响之后年周期变化消失，结合相关性分析结果与图 5，气温是乌什体应变年频带的主要影响因素。作用于地表的气压波动会产生达 109量级的地壳应变17，当周期大于2 000 s 时，气压频谱成份较强，气压对地壳应变场影响比较大，这种响应不容忽视18。本文中选取 2018 年 1 月 1 日至 3 月 31 日体应变和气压分钟值数据对此加以研究(图 7)。由图 7 可以看出，乌什体应变的波动变化与气压具有一定的相关性。图 7乌什体应变与气压曲线图(a)乌什体应变(b)乌什气压Fig7Curves of Wushi body strain and air pressure002内陆地震37 卷为了进一步研究气压对体应变的影响，利用小波分析将时间序列分解为 2 4)min，48)min，816)min，16 38432 768 min 共14 个频带，并利用相关性分析计算相关系数(表 1)。由图 7、表 1 可知，在第 1214 频带乌什体应变与气压具有较高的线性相关性，气压对乌什体应变的影响介于在潮汐和月波频带之间。表 1乌什体应变与气压相关系数频带1234567891011121314相关系数00201250044022001870405036703870335012109310981098308763结束语地球物理观测的主要目的是提取地震异常，然而地球物理观测台站介于不同圈层的交界面，会不同程度的受到来自不同圈层的各种影响因素。本文中基于地球物理观测值序列的可分性，利用小波分析分解了乌什体应变和气压分钟值序列，利用别尔采夫滤波和一般多项式拟合将乌什体应变分解为日波、半日波、月波和年波等频带，然后运用相关性分析研究了乌什体应变在不同频带的干扰因素和影响特征。本文的研究结果对了解乌什体应变观测值序列所包含的信息及其物理意义，加深了对其物理意义的认识和理解，这对了解仪器观测系统的误差、地震地形变异常提取和异常可靠性分析具有积极意义。参考文献:1张凌空，牛安福周期气压波对地壳岩石应变测量影响的理论解J地球物理学进展，2009，34(4):1 366-1 370 2苏恺之，李海亮，张钧，等钻孔地应变观测新进展M北京:地震出版社，2003:2-13 3马学军，徐长银库尔勒体应变观测影响因素特征分析J 内陆地震，2020，34(4):408-412 4邱泽华中国分量钻孔地应力-应变观测发展重要事件回顾 J 大地测量与地球动力学，2010，30(5):42-47 5牛安福，张凌空，闫伟，等中国钻孔应变观测能力及在地震预报中的应用J大地测量与地球动力学，2011，31(2):48-52 6徐长银，杨绍富，孙海军，等库尔勒铁门关钻孔体应变观测干扰异常分析J 内陆地震，2017，31(1):87-91 7秦磊，胡军民，曾智，等典型干扰对连云港地震台体应变的影响J内陆地震，2019，33(2):181-186 8中国地震局监测预报司 地形变测量 M 北京:地震出版社，2008 9吴忠良，蒋长胜，彭汉书，等与地震预测预报有关的几个物理问题J物理，2009，38(4):233-237 10 王梅数字化体应变与气压、水位相关性研究 J 大地测量与地球动力学，2002，22(4):85-88 11 刘序俨，杨锦玲，王紫燕，等福建省井水位与体应变观测一致性分析J地震学报，2017，39(3):395-406 12 杨小林，杨锦玲，危自根中国东南沿海地区钻孔体应变对超强台风“利奇马”的响应特征与机制J地震学报，2020，42(3):306-318 13 车用太，鱼金子，刘成龙，等判别地下水异常的干扰性与前兆性的原则及其应用实例J 地震学报，2011，33(6):800-808 14 陈顺云，刘力强，刘培洵，等 应力应变与温度响应关系的理论与实验研究J中国科学(D 辑)，2009，39(10):1 446-1455 15 赖爱京，徐衍刚，冯英，等水厂抽水对乌什地震台体应变观测数据的干扰分析J防灾科技学院学报，2009，11(2):54-571022 期郭春生等:乌什地震台体应变不同频带对干扰因素的响应特征 16 国家地震局预测预防司地壳形变分析预报方法 M 北京:地震出版社，1998 17 张学阳潮汐观测中高精度气压辅助观测的必要性及气压效应的校正 J 地壳形变与地震，1987，4(4):273-280 18 周龙寿，邱泽华，唐磊地壳应变场对气压短周期变化的响应 J 地球物理学进展，2008，23(6):1 717-1 726ESPONSE CHAACTEISTICS OF BODY STAININ DIFFEENT FEQUENCY BANDS TOINTEFEENCE FACTOSON WUSHI STATIONGUO Chun-sheng，SI Qin，GUAN Dong-xiao，XU Yan-gang，ZHU Zhi-guo(Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous egion，Urumqi 830011，Xinjiang，China)Abstract:Deformation observation station is established on the surface of the Earth s crust，at theinterface of various layers，and is affected to varying degrees by various influencing factors To studythe influence characteristics of different frequency bands of Wushi body strain on interference factorsUsing spectral analysis to study the main periodic components of Wushi body strain，and using meth-ods such as Bertsev filtering and general polynomial fitting decomposition to decompose the Wushibody strain measurement sequence，the factors affecting Wushi body strain under different frequencybands such as temperature，atmospheric pressure，and solid tide are studied The results indicatethat:water level is the main influencing factor of the monthly wave frequency band of Wushi bodystrain;The main influencing factor of the annual frequency band of Wushi body strain is tempera-ture，and the phase lag of Wushi body strain is about 314 days behind the temperature;The fre-quency band of the influence of atmospheric pressure on the strain of the Wushi body is between thetidal and lunar wave frequency bands;There is a strong linear correlation between various influ-encing factors and body strainKey words:Body strain;Data comprehensiveness;Correlation coefficient;Wushi seismic station202内陆地震37 卷