四川姑咱台钻孔应变仪异常核实分析.pdf

38第 3 期（总第 188 期）2023 年 9月No.3Sept.2023收稿日期：2022-09-20；修回日期：2022-12-25作者简介：李风懿（1994-），男，四川康定人，助理工程师，主要从事地震监测 E-mail：416673499 qq com四川姑咱台钻孔应变仪异常核实分析李风懿，刘仕锦，田思留，阳光，何蓉，袁媛（四川省地震局康定地震监测中心站，四川 康定 626001）摘 要：2020 年 5 月至 2021 年 7 月，姑咱地震台YRY-4 分量钻孔应变仪出现了明显的 4 个分量同步压性-张性异常变化，经过系列异常排查和实验，利用对比分析、自检性分析、滤波分析等方法，最终认定该异常变化为仪器数采故障引起的干扰，排除了地震前兆异常的可能。关键词：姑咱台；钻孔应变仪；异常核实；排查实验中图分类号：P315 7 文献标识码：A 文章编号：1001-8115（2023）03-0038-06DOI：10 13716 j cnki 1001-8115 2023 03 007“十五”数字地震观测网络建设期间，多分量式钻孔应变仪作为一种小尺度地层应变观测仪器在许多台站进行安装运行，至今已积累了较为丰富的观测资料。可靠、连续的观测数据是地震预测的基础数据，而地震前兆异常的落实工作，是与地震监测预报的科学探索共生共存的科学环节，对于提高地震分析预报的水平与能力，实现有防震减灾实效的地震预报是一项必需的工作（中国地震局监测预报司，2000），尤其是观测资料异常的现场核实是一项艰难而又重要的工作（冯琼松等，2016）。许多学者对这些观测资料从不同方面进行了分析研究，如观测资料干扰因素的分析（阳光等，2015）；祁蒙等（2020）通过排查徐州地震台钻孔应变仪数据异常，得出仪器数据压性变化异常是由地下地质构造变化引起的。2020 年 5 月至 2021 年 7 月，姑咱台 YRY-4 型钻孔应变仪 4 个分量出现同步压性-张性变化。在此期间，多位专家曾亲临台站开展现场异常核实工作，台站人员与专家一起对该异常进行跟踪核实，以判定是否为地震前地球物理异常。本文针对该次异常变化过程，结合数据分析，对异常结果进行实验验证，并对整个跟踪过程进行经验总结，为台站今后开展异常跟踪核实工作提供参考。1 台站及异常概况11 台站背景资料姑咱台位于四川省甘孜藏族自治州康定市姑咱镇的大渡河西岸，高程为 1 445 m。台站在地质构造上位于北西向的鲜水河断裂带、北东向的龙门山断裂带和北南向的安宁河断裂带交会复合部位，坐落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核心部位，在大渡河边古河床冲积堆层上，出露岩性为花岗闪长岩。大渡河距离姑咱台钻孔应变观测井直线距离约 450 m。姑咱台钻孔井深 40 69 m，地层岩性为元古代的花岗岩，钻孔水位32 8 m，其附近有较大漏水裂隙。姑咱台钻孔应变仪于 2006 年 10 月 28 日安装在台上院坝内，分量钻孔应变仪 4 个径向位移传感器互成 45 夹角，呈“米”字型布置。仪器安装在完整基岩底部，探头安装深度约 40 m。1 路分量的方位为 52，2、3、4 路分量的方位顺时针依次递加 45，4 路分量分别简称为 NE、EW、NW 和NS 分量（下同）。台站于 2019 年 12 月 26 日开始使用高频数采。从历史资料来看，姑咱台钻孔应变仪能够清晰、完整地记录固体潮，有效记录地震事件、长趋势年变化等不同频度的地应力变化（任天翔等，2018；阳光等，2015，图1）。台站钻孔应变仪观测资料受大渡河水位变化（包括上游电站水库蓄放水引起的水位变化）、降雨、钻孔裂隙水、气压、气温等的干扰（阳光等，2015），其中最主要的干扰因素为大渡河的水期干扰，在每年丰水期，仪器观测值与 EW 向分量记录曲线有较好的一致性。392023 年 9 月李风懿，等：四川姑咱台钻孔应变仪异常核实分析图 1 2018 年 1 月姑咱台钻孔应变仪正常分钟值日变曲线12 异常现象2020 年 5 月 21 日姑咱台钻孔应变仪 4 个分量分钟值数据出现明显的同步“凹变”（压性畸变，图 2），NW 分量变化的幅度最大，最大变化幅度为-71510-10，且异常会不定时出现，随着时间进程，异常幅度和异常频次明显增强；但在 2021 年 3 月 13 日却又转为 4 分量同步“凸变”（张性变化），图 3 为 2021 年 4 月25 日至 28 日明显的“凸变”记录曲线。图 2 2020 年 5 月 21 日同步压性异常曲线通过对 20202021 年的分钟值数据和观测工作日志进行逐日查阅和梳理，并将异常数据变化划分为 3个阶段（第、和阶段，图4）。第阶段（2020年2月29日至2021年3月12日）：此阶段的异常变化以“凹变”的压性为主，偶尔会有小幅度的同步“凸变”（张性变化），且异常变化的频次和幅度逐渐增强。该段异常变化经历了 3 个变化过程：（a）2020 年 2 月 29 日至 2020 年 5 月 20 日，最大异常变化幅度为正常日变幅度的 3 倍，最大变化幅度为-71510-10，不影响数据的日变形态，异常出现次数较为零星；（b）2020 年 5 月21 日至 12 月 20 日，最大异常幅度为正常日变幅度的 6 倍，导致记录曲线日变形态畸变严重，但数据的变化402023 年第 3 期四 川 地 震图 3 2021 年 4 月 2528 日仪同步张性异常曲线速率和方向仍符合年变规律，异常在 2020 年 56 月，8 月和 12 月出现得较为密集；（c）2020 年 12 月 21 日至 2021 年 3 月 12 日，最大异常幅度为正常日变幅度的 67 倍，短时间内甚至出现超量程变化。此时段的分钟值数据曲线严重畸变，数据变化幅值较往年同期增大数倍，打破多年的年变规律，异常频次较之前明显增加。第阶段（2021 年 3 月 13 日至 7 月 22 日，图 5）：该异常是在 2021 年 3 月 1113 日多次对仪器进行了调零、重启、更换电源等操作后出现的，进行仪器维修的原因是姑咱钻孔应变仪 2021 年 3 月 11、12 日数据记录超量程。该阶段的异常由前期的压性转为 4 个分量的同步、大幅张性脉冲变化为主，最大张性异常日变化幅度达 54 22610-10，是正常日变幅的 212 倍，完全打破多年同期的变化规律。第阶段（2021 年 7月 2331 日）：2021-07-22T15571655，台站人员将原高频数采更换成 EP3 型老数采后，仪器记录数据的张性和压性变化特征消失，4 个分量日变形态清晰，还记录到了地震事件；2021 年 7 月 3031 日，台站人员又将 EP3 型数采换成原高频数采，仪器记录数据又出现 4 分量同步的以压性为主异常变化特性，异常变化幅度和异常性质与第阶段的相同。图 4 20202021 年钻孔应变仪记录曲线412023 年 9 月李风懿，等：四川姑咱台钻孔应变仪异常核实分析2 异常核实分析21 异常现场核实异常期间，根据对仪器工作状态和观测环境等情况的调查结果表明，观测环境良好，测点周边没有明显的环境干扰因素，仪器供电等工作正常。另外姑咱台是一个形变观测综合台，同台的洞体应变伸缩仪、VP 垂直摆倾斜仪、水管仪和重力仪在姑咱台钻孔应变仪异常时段均未出现过明显异常变化。22 异常变化幅度分析姑咱台钻孔应变仪自2006年安装以来，台站周缘200 km内曾发生了两次 MS7 0 及以上大地震（2008 年的汶川 MS8 0 地震，震中距 156 km；2013 年的芦山 MS7 0 地震，震中距 83 km），钻孔应变仪记录到的汶川震前最大异常变化幅度为 2 94510-10，记录到的芦山震前最大异常变化幅度为 2 56410-10（该值可能是修路干扰或震前异常）。本次异常变化中，无论是压性或张性异常，它们都具有 4 个分量变化同步、同相位和同数量级的特征，最大异常变化幅度为 NW 分量的 54 22610-10。由于地壳形变（应变）的积累是一个缓慢过程，且岩石受力是不均匀的，故推测能观测到如此规律的地壳形变前兆异常的可能性也不大，且异常幅度超过 MS8 0 地震瞬时同震应变（最大为 9 38010-10）的数十倍的现象是不太合理的，故推测此次异常可能是仪器自身故障造成的。23 仪器自检分析钻孔 4 分量应变仪具有检验观测数据真实性的自检功能（池顺良，2013），它将 4 个径向位移传感器按照米字型均分布置，相邻两传感器方向相差 45，构成两组互相正交的孔径相对变化观测，4 个传感器的测值除了可确定平面中的 3 个应变量（剪应变 1、剪应变 2 和面应变）外，还能提供一组校核条件，用以检查测值的可靠性，这种自检对于说明探头与围岩的耦合状况具有关键作用。图 6 是姑咱台钻孔应变仪 4 个分量分钟值观测的面应变和自检相关系数曲线。由图可知：2 条面应变曲线变化较为相似；从 2020 年 2 月开始，相关系数逐渐升高，特别是在 2021 年 3 月 13 日由压性变化转为张性变化后，面应变的相关系数更高；2020年 2 月开始各分量观测数据可能受到同一信号源的控制程度逐渐增强。姑咱台钻孔应变仪异常期间，面应变虽然满足数据自检的自洽方程，但这只能说明探头与围岩的耦合状况良好。由于异常具有的同步、同相位和异常幅度数量级相当的特点，此时用自检方程来判定仪器是否正常并不合适，不能完全排除观测系统 问题。图 5 第阶段同步压性异常曲线24 滤波分析异常数据变化较为显著的时间段是 2021 年 17 月，且仪器 4 个分量数据在异常期间具有同步特征，故通过对 NE 分量不同时段数据进行低通滤波分析，结果发现：异常时段数据中的高频成分的幅度较大，具有成丛性；正常时段数据中的高频成分数据量较低，且 4 个分量的滤波曲线有明显的差异性，推断 2021 年17 月的异常变化是受同一干扰源的影响。25 排查和实验姑咱台钻孔应变仪在出现数据记录超量程和异常压性转张性期间，康定地震监测中心站成立了调查小组，开展了系列核实、排查和实验工作，表 1 为具体的工作内容。从开展的排查及实验工作和仪器能够记录地震事件来分析，认为仪器观测系统前端探头检测部分工作应该是正常的。在使用替换法更换成老EP3 数采和新高频数采后，异常变化都消失了，截至 2022 年 5 月再未出现过同类变化。为了验证是否为数采故障，选择又换回原高频数采，结果又出现了 4 个分量的同步压性变化，其变化形态及性质和第阶段的压性异常相同。因此认为 2020 年 5 月至 2021 年 7 月的异常变化均为数采故障引起的干扰。422023 年第 3 期四 川 地 震图 6 20202021 年姑咱台钻孔应变仪面应变及自检相关系数曲线表 1 钻孔应变仪张性异常期间开展核实、排查和实验工作情况日期开展工作情况2021-03-1122082219，两次远程手动调零并重启仪器。2021-03-121700调零和重启仪器，1750更换电源适配器。2021-03-131755更换为原电源、断开仪器与机柜共地干扰、远程重启仪器。2021-03-1909190923更换电源线。2021-03-300855换上屏蔽干扰的光纤线。2021-04-121433检查地板下和机柜数据线路，未发现数据线路破损，线路接口无松动、无接触不良。1458人为提拉井口线路3 cm左右（NE、EW、NS分量变化甚微，NW分量有压性台阶）；1515第二次人为提拉井口线路3 cm左右（NE、EW、NS分量变化甚微，NW分量有压性台阶）；1533人为注水2 L，分两次，间隔10 s（NE、EW、NS分量变化甚微，NW分量有压性台阶）；16331641人为垂直敲击孔盖、地面和导管（4个分量都记录到了高频事件，4个分量为张性台阶）。2021-04-211455安装单独的电源接地线接在机柜地网上。2021-04-241000将数采机柜接地；1828重启数采。2021-04-2508590909，远程重启数采。2021-05-071545将钻孔应变仪机房、电源房、另一机房的接地装置用外线进行连接，消除不同地网间可能的电压差。2021-05-100930将接地实验的连接线撤除。2021-05-180000更换成EP3型老数采，因ID无权限更改，1小时后又换回原高频数采。2021-06-21将电源切换成电源适配器供电，换上电源防雷接线盒，张性变化持续。2245远程调零后重启数采。2021-07-22将EP3型老数采寄到武汉解决了跨年问题后寄回，15571655更换为EP3型老数采后，张性和压性变化消失。2021-07-3009070910换回原高频数采后，出现同步压性变化。2021-07-311407又换回EP3型老数采，继续数采故障排查试验。2021-08-051420更换新寄来的高频数采。固体潮清晰，恢复正常的变化速率和方向。3 结论姑咱台钻孔应变仪从 2020 年 5 月开始出现的明显的压性-张性异常变化后，经过一年多时间地排查，在采用替换法更换成老 EP3 和新高频数采后，所有的异常变化形态均消失，观测曲线能清晰地记录到固体潮和地震事件，变化速率与方向也恢复正常。通过台站开展的异常现场核实、排查实验，仪器自检相关系数分析、数据滤波分析、异常幅度与历史地震同震应变的对比分析，认为姑咱台钻孔应变仪从 2020 年 5月至 2021 年 7 月的压性-张性异常变化是仪器数采故障引起的干扰，排除了地震前兆异常的可能，此次异常是一起典型的仪器干扰案例。432023 年 9 月李风懿，等：四川姑咱台钻孔应变仪异常核实分析参考文献池顺良 2013 分量钻孔应变仪记录的汶川、芦山强震前兆应变异常 J 科技导报，31（12）：27-30冯琼松，李思瑶，陈强，等 2016 昆明地震台水管倾斜仪异常核实 J 国际地震动态，（8）：11-15祁蒙，吴继炜，张岑，等 2020 徐州地震台2016年11月2017年YRY-4分量钻孔应变仪异常核实 J 地震地磁观测与研究，41（5）：83-89任天翔，杨少华，董培育，等 2018 大渡河水位变化对四川姑咱台钻孔应变观测影响的数值分析 J 中国科学院大学学报，35（5）：674-680阳光，陈超，袁梅，等 2015 姑咱台YRY-4 分量钻孔应变仪观测数据异常和干扰特征分析 J 四川地震，（1）：41-47中国地震局监测预报司 2000 地震前兆异常落实工作指南 M 北京：地震出版社Verification and Analysis of Abnormal Borehole Strain Gauge in Guza Station，Sichuan ProvinceLI Fengyi，LIU Shijin，TIAN Siliu，YANG Guang，HE Rong，YUAN Yuan（Kangding Earthquake Center Station of Sichuan Earthquake Agency，Sichuan Kangding 626001，China）Abstract：Between May 2020 and July 2021，the Guza seismic station YRY-4 showed abnormal that appeared to be obvious in four trends including synchronous changes of compressional and extensional variations Based on a series of abnormal check，experiment，comparative analysis，self-checking methods，and filtering analysis，we concluded that the abnormal changes were caused by the interference，which excluded the possibility of earthquake precursory anomaliesKeywords：Guza station；borehole strain gauge；verification of abnormal；checkAnalysis of YRY-4 Component Borehole Strain Observation Data in Daixian，Shanxi ProvinceSHANG Yongming1，2（1 Xinzhou Earthquake Monitoring Center Station of Shanxi Earthquake Agency，Shanxi Xinzhou 034000，China；2 National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan，Shanxi Taiyuan 030025，China）Abstract：Based on the observation data of YRY-4 component borehole strain in the county from 2016 to 2021，we used Venedikov reconciliation and relative calibration methods to verify the reliability of observation data from the aspects of continuity，integrity，annual variation trend and stability of observation data Moreover，we applied the relative calibration results to correct the observation data According to the“borehole lining”theoretical model and the strain conversion theory，the structural strain changes in the survey area are calculated The results show that the strain field near Daixian station is in a stable extrusion state，which is characterized by the main direction of strain at 187 Keywords：YRY-4 component borehole strain；relative calibration；harmonic analysis；reliability；tectonic strain variation（上接第 30 页）