气压变化对伸缩应变观测日变曲线的影响

气压变化对伸缩应变观测日变曲线的影响

kail地震台的膨胀仪于2000年11月制成，2001年1月正式开始观测。通过几年来的观测,发现其日变曲线形态经常因干扰发生畸变。关于气压对地震观测资料的影响,前人做过很多分析。例如,蔡朝智等(1980年)从空气浮力变化的角度分析了长周期地震观测中的气压效应,认为气压变化是763长周期地震仪大周期波动的主要原因。罗少聪等(2005年)利用弹性地球负荷理论和流体静力学平衡假设条件下的干空气及其垂直温度梯度分布,理论计算了大气压力作用下地表位移、重力和倾斜格林函数,认为大气效应弹性项影响主要来自于远离台站的区域,引力项对重力的影响主要来自于台站近区,对倾斜的影响来自于远离台站的区域。乔子云等(2000年)从气压的载荷效应分析了气压对体应变观测的影响等。气压对地震观测资料的影响可以归结为两个原因,即气压引起大气浮力的变化而改变系统平衡,和气压的载荷效应引起的地壳形变。文中尝试从力平衡角度分析气压对伸缩仪日变资料的影响。1北轮台—台站概况观测场地位于库尔勒市北霍拉山南缘的山坡上,北面3km处为铁门关水电厂,东面为孔雀河,具体地理位置为北纬41°47′24.45″,东经86°10′33.22″。观测场地为一山洞,山洞全长400m,近似呈“∪”形,有两个洞口,山洞中部修建一隔离墙以降低山洞内空气对流,毛洞高约4m,宽3m左右。该山洞在构造上处于南天山褶皱带与塔里木地台的交界部位,对场地影响较大的断裂主要有北轮台—辛格尔断裂和兴地断裂。北轮台—辛格尔断裂走向290°～300°,倾向NE,倾角60°～70°,长300km以上,形成于古生代,为塔里木地台与天山地槽的分界断裂。兴地断裂长约500km,走向NWW,倾角大于70°,断层崖明显,阶地清楚。此断层全新世以来仍有活动,沿断裂小震活动十分频繁。2ss-y伸长仪sd伸缩仪主要用于硐体应变固体潮及地震前兆地应变监测与研究。地应变测量是测量地壳表面两点间的基线长度的相对变化量,即ε=L′-LL=ΔLLε=L′−LL=ΔLL.(1)式中,L为原地壳表面两点间的距离,即基线长;L′为变化后地壳表面两点间的距离;ΔL为地面两点的变化量;ε为单位长度的相对变化量,即应变量。SS-Y伸缩仪以线膨胀系数极小的含铌特种铟瓦(Nb-Invar)材料为基线棒。基线由测量方向无阻力的悬吊系统托起。悬吊系统由框架及吊丝组成,每隔1.5m设立一个支墩。系统的相对观测精度优于1×10-9,日均漂移小于10-9,换能器灵敏度优于0.01μm,量程大于100μm1。3气压变化对sd-y扩张仪观测的影响3.1基线有效长度与有效基线长度变化的关系根据SS-Y伸缩仪原理及结构分析,在悬挂点之间的基线棒在重力的作用下必定会产生弯曲,随着基线的增长,这种局部的弯曲和整体的弯曲会更加明显。在实际安装过程中,由于安装场地的限制,基线各悬挂点很难保证在一条直线上(或同一水平面上)。正因为这样一个系统弯曲的存在,就会使气压的变化对观测资料的影响得到放大,进而可能会影响到观测资料的日变曲线及精度。为了简化分析,两个悬挂点的一段基线的受力情况见图1。如果只分析基线的弯曲情况,则重力G、浮力、弹力之间存在这样的关系G=f弹+f浮.(2)由勾股定理,经过简单推导可以得出基线垂直变化与有效基线长度的关系,即2LΔL-ΔL2=2Δxx-Δx2.(3)式中,L为有效基线长度,ΔL为有效基线变化,x为垂直方向上总的形变,Δx为垂直形变的变化量。由于ΔL、Δx数值很小,可以消除二次项,(3)式可写成ΔL=xLΔxΔL=xLΔx.(4)由此可近似认为,ΔL与Δx成正比例关系。1x与基线棒材料的弹性系数有关,L与两个悬挂点的距离有关。也可以这样认为,有效基线长度变化与基线材料的弹性系数成正比,与悬挂点的距离成反比。因此这两个参数必须合理选择,才能有效减小垂直方向上的形变对基线有效长度的影响。气压变化与空气密度变化之间存在如下关系,ΔΡΡ=Δρρ.(5)式中,P为标准大气压,ΔP为大气压的变化量,ρ为标准大气压下的大气密度,Δρ为气压变化ΔP时相应的大气变化密度1。气压变化ΔP时,基线受到大气的浮力变化为Δf=ρπLr2gΔΡΡ.(6)式中,r为基线棒半径。在讨论气压变化与浮力变化之间关系时,可以不考虑重力作用。根据胡克定律,基线有效长度变化可表述为ΔL=xρπr2gkΡΔΡ.(7)式中,k为基线棒的倔强系数,x为标准大气压下基线在垂直方向上的形变。(7)式表明,当基线材料、形状选定时,基线有效长度变化与气压变化量呈正比例关系,也就是说两者之间存在正相关。气压的变化主要表现为上下波动,波动幅度102Pa左右,其应变量的变化率相对量级达到10-8,超出了SS-Y伸缩仪相对观测精度1,因此认为其影响是不可忽略的。3.2伸长观测结果的相关性分析库尔勒地震台气压观测点位置在西洞口内50m左右,由于监测山洞的两个洞口相通,洞内存在明显的温度梯度和气流,气压实际观测曲线常常存在高频波动。在日常观测中,也可以很直观地观测到气压的短期波动与伸缩观测曲线之间的对应关系。我们选取2006年1月27～31日5天的伸缩和气压观测整点值数据(图2a),通过高通滤波分别提取高频信息(图2b)分析其相关性。图2中可以看出该时间段气压波动幅度达到800Pa,相应的应变量高频波动幅度也达到了3×10-8。而伸缩观测数据变化与气压变化的相关系数的均值分别达到0.95、0.89(图2c),存在明显正相关。这也验证了前文分析结果。4缩小项目所需的血压影响伸缩仪观测的因素很多,例如基线材料的温度效应,吊丝的温度效应,重力场的变化,环境场的变化,监测山洞中的空气对流、温度梯度等,文中仅从力学平衡角度尝试分析了气压对伸缩观测的影响,得到了一些粗浅的认识。由于库尔勒台监测山洞的特殊性,气压对伸缩观测资料的影响特征主要表现为高频扰动,实际观测和理论分析都表明两者之间存在显著正相关。通过5年来的日常观测经验,我们认为减小伸缩观