库尔勒铁门关体应变监测资料可靠性分析

库尔勒铁门关体应变监测资料可靠性分析

孔适应性观测包括将适应性检测安装在孔中，观察附近岩石的相对变化期。观测对象主要有:体应变、差应变、分量应变。利用钻孔应变进行地震预报研究,是60年代中期,李四光首先倡导并应用于地震预报研究中。主要理论是基于构造地震源于构造运动,当地壳积累的应变能超过岩石的极限强度,导致岩体变形破坏而发生构造地震,因此应变观测直接蕴含地震的前兆信息。经过国内外专家几十年的探索,我国钻孔应变观测技术取得了较快的发展,形成了初具规模的钻孔应力-应变观测台网,并积累了丰富的观测资料和震例。新疆钻孔应变观测始于1964年,先后在乌什、库尔勒、乌鲁木齐等地建设台站,当时使用的是RZB-1型分量式钻孔应变仪。经过几十年的观测,在部分强震前记录到较为清楚地异常,并多次作出了较好的预报。由于仪器老化和数字化,2007年前后,在库尔勒、乌什、温泉、喀什、乌鲁木齐架设了5套体积式钻孔应变仪和库车、乌什架设2套分量式钻孔应变仪。库尔勒铁门关体应变观测点位于库尔勒市以北9km处铁门关水电厂内,台站高程1070m。仪器类型为TJ-2型体积式应变仪,设计技术指标:(1)分辨力优于1×10-9;(2)日均漂移不大于1×10-8;(3)动态范围大于80dB;(4)采样率1次/min;(5)线性误差不大于1%FS;(6)具备自动标定装置;(7)格值相对误差小于5%(1年内),标定重复性优于3%。该仪器2008年1月1日起正式运行,3年观测结果表明,至2010年12月31日记录到压应变累计为1.15×10-4,不考虑趋势变化的影响,日均漂移为1.05×10-7,超过了设计指标,漂移现象明显,虽然没有查出造成这种压性变化的原因,但观测资料能够记录到清晰的固体潮和震时应变波。本文中主要对库尔勒铁门关体应变观测资料进行了可靠性和干扰因素的分析,针对观测资料在近震和远场大震前记录到的固体潮畸变现象进行了统计分析。1观测数据的稳定性分析1.1未成年人安装初期速度观测仪器正式运行3年的观测结果表明,漂移现象明显。而且漂移均为“压缩”方向,但速度明显由大变小。由2007年安装初期快速漂移,逐渐稳定,2008年后年零漂上升幅度明显减小。日零漂由10-7过渡到10-8,逐步趋于平稳(表1)。出现零漂的原因可能主要与水泥固结的缓慢进程和钻孔开挖后的蠕变过程有关。1.2观测资料分析观测资料存在长趋势零漂,但并没有影响仪器记录固体潮汐和观测精度。利用EIS2000软件中维尼迪科夫调和分析法对2008~2010年的观测资料进行逐月分析,并计算了变异系数,表2为计算的潮汐参数统计结果。2008~2010年间,相对误差为0.0139<0.05,达到Ⅰ类台观测精度,说明观测资料精度较高,记录固体潮汐可靠。变异系数为标准差与平均数的比值,反映单位均值上的离散程度,是用在两个总体均值不等的离散程度的比较上。可以说明观测数据的稳定性,从变异系数来看相位滞后等参数均小于0.11,说明观测资料相位、振幅等参量总体稳定。2不同水位干扰下含水层水体应变特征本台体应变观测与其他台站的体应变观测受到的干扰类似,主要为气压效应和水位干扰。气压效应主要是大气压力的改变造成钻孔附近地表负荷变化所导致的效应,气压的波动会直接引起岩石孔隙容积的变化,从而导致观测的应变值随之发生变化。图1为2009年5月体应变整点值数据经直线拟合,消除趋势后的体应变与原始气压整点值对比图,经直线拟合后的体应变与气压呈现出正相关,说明本台气压效应明显。水位干扰的本质是含水层或破碎带中孔隙水的饱和程度发生变化,从而改变体应变观测值。图2为2010年3月15日~4月15日体应变整点值数据经直线拟合,消除趋势后的体应变与原始水位整点值对比图,3月22~26日由于距离钻孔附近的水渠放水,地表水进入钻孔而导致水位出现70cm的变化,但体应变并未出现明显变化,仅3月22日同步出现下降,说明地表水进入钻孔对体应变影响较小,而随着含水层水位饱和对体应变影响较为明显,并存在一定的滞后,且呈负相关变化。因此库尔勒体应变观测中存在气压效应和水位的干扰,而气压变化对体应变正相关,水位为负相关,应变与气压变化基本同步,水位存在滞后效应。3库尔勒体应变观测库尔勒体应变在多次震前记录到固体潮畸变现象,虽然观测中零漂大,但体应变观测可以记录到清晰的固体潮,气压、水位等辅助观测较为可靠,因此为库尔勒体应变记录到的固体潮畸变现象提供了方便。3.13年6月12日国际体现图3、4为库尔勒体应变记录到的固体潮畸变的2个震例,两图均为原始分钟值数据。汶川震前1天,5月11日2时10分~4时33分,库尔勒体应变记录到张性畸变,畸变幅度为46×10-9,而气压、水位没有出现同步性的明显变化,第2天就发生了汶川8级地震,震中距为1960km。6月1日17时30分~19时20分,记录到压性阶跃畸变,异常幅度为11×10-9,而气压、水位未出现变化,异常出现后11天,即2009年6月12日,在距离台站270km处发生4.1级地震。水位的突变是可以导致体应变产生台阶变化,如图2中3月22日水位变化导致固体潮形态出现差异,但在这2次畸变过程中,气压和水位观测均没有发现明显的变化,这两次固体潮畸变不是气压效应和水位干扰所致。3.2固体潮和高血压异常发生情况由两次固体潮畸变例子可以看出,畸变幅度较小,仅几十个应变量(10-9),且具有一定的持续时间,而库尔勒体应变日变幅约为100个应变量,因此识别出所有固体潮畸变是比较困难。为了正确识别,利用固体潮畸变持续一定的时间的特性,采用整点值数据序列来滤除观测中记录到的高频成分,并对整点值数据做一阶差分分析,利用固体潮畸变时间和速率变化来提取出固体潮畸变,并将出现速率偏离均值较大的时间段在分钟值数据中查找畸变准确时间段,对比气压、水位分钟值数据,确认畸变可靠性,采用此方法可以不遗漏固体潮畸变现象。表3为提取出2008~2010年所有固体潮和气压效应、水位干扰导致固体潮形态畸变的事件,由于无法区分是由于近震,还是由于远、大震导致的固体潮畸变,因此以台站300km范围内的4级以上地震、中国强震和与之对应的全球大震同列于表中。经过统计,2008~2010年期间,共出现48次(组)固体潮形态畸变,其中,有6次为气压效应或水位干扰所致,即共出现42次确认型固体潮畸变异常。这42次(组)异常共对应41组地震,地震对应率高达97.6%,仅2009年2月20日新疆柯坪5.2级地震前未出现畸变。从畸变开始和结束时间统计来看,并无优势分布的态势,一般持续时间为7分钟至533分钟,其中100分钟内的畸变占71.1%,说明畸变持续时段主要为100分钟以内。畸变幅度为(2~100)×10-9之间,畸变在50个应变量以内的占78.4%,说明畸变的异常幅度小。出现畸变的性质来看,张性异常和压性异常都有,但张性异常占80.4%(干扰不统计),说明畸变主要以张应变为主,但仍有压性异常存在。2008~2010年,300km范围内4级以上地震共发生15次(组),其中2008年6月18日4.3级地震为漏报。2008年6月18日4.3级地震前,5月20日存在畸变,但此次畸变距离地震发生时间长达28天,且6月4日已经发生4.1级地震,因此认为此次地震前不存在畸变现象。由于近震、远震畸变无法区分,13次(组)地震中有6次(组)地震发生期间无远震,因此不是远震前造成的畸变,其余7次(组)地震与远震混合一起,无法区分是近震还是远震造成固体潮畸变的现象。从畸变至发震的时间统计来看,均为24天以内,其中有7次为10天以内。2008~2010年,发生的35次(组)强远震前均存在固体潮畸变现象,强远震前存在固体潮畸变所占比例高达83.3%,其中7次(组)与近震无法区分,但仍可看出强远震震前,库尔勒体应变记录到的固体潮畸变异常突出。4近震前的异常表现综上所述,库尔勒体应变观测能够记录到清晰的固体潮,观测资料内精度为0.0139,达到了I类台观测精度,说明观测资料具有可靠性。观测中,存在固体潮畸变现象,造成畸变的原因主要有3种,第1种为气压效应或水位变化导致的固体潮畸变,统称为外部干扰;第2种为强远震前的畸变;第3种为近震前的畸变。外部干扰所导致的畸变从体应变的观测原理能够解释,并利用辅助观测在日常观测中得到了证实,这种干扰,只要辅助观测正常,是完全能够识别并排除。地震前,由于构造应力的不断积累,可导致震源区或受震源区影响的区域地壳发生形变,钻孔中的应变仪器能够记录到而影响了固体潮正常的形态。库尔勒体应变记录的畸变表明,多数记录的畸变均以急始的张性或压性变化开始,并缓慢的恢复,而从测震仪器也未发现与附近较小地震有关,说明这是地壳发生形变。国内钻孔应变在震前也有记录到固体潮畸变的现象,记录到的畸变一般为震前几十天到几小时,异常幅度多为10-8~10-9,其特点与库尔勒体应变记录到的畸变相似。近震前能够记录到震前畸变的现象,往往不难理解,但第2种强远震前的畸变却引起我们的思考,远震前的影响区域有如此大的范围?为什么其他前兆观测仪器没有观测到?我们知道,钻孔应变观测频率是介于测震仪和其他前兆仪器频率之间的观测手段,观测手段动态范围大、频带宽、分辨率高,加之探头位为地表一定深度,可以避免气象因素的干扰,因此其响应相对较为灵敏。另外,库尔勒所处的特殊地理位置和台基条件,可能是能够记录到这种震前畸变的一个原因。以往库尔勒分量式钻孔应变观测表明,在震前能够记录到快速的应变阶的变化,不同的是异常幅度、持续时间和对应远震的距离存在差异。以往分量应变观测结果表明“异常应变量级为10-6~10-5,以短临异常为主,应变性质多呈压性。异常相应范围可在900多公里……”,而库尔勒体应变记录到的畸变异常幅度明显小,持续时间短,某些强远震的震中距更远。分量钻孔应变记录到的短临异常和体应变记录到的固体潮畸变现象存在差异,分量应变记录的短临异常明显幅度较大,而且观测曲线明显以跳变为主,而体应变记录到的畸变现象主要为缓慢的单调变化为主,造成两者之间的差异可能与仪器观测的物理对象不同所致。库尔勒体应变在强远震前记录到的固体潮畸变现象并不是个例,但也不是每次强震前都能够记录到固体潮畸变现象,而近震前固体潮畸变的比例高达97%。昆仑山口西8