木拉提江?阿不来提 金花 毛玉剑

摘要：应用相关性分析和小波分析方法，研究气压、水位与榆树沟分量应变之间的关系及影响机制，结果表明：（1） 水位是榆树沟分量应变长周期变化的主要影响因素，尤其对分量应变EW、NE向影响较显著，表现为中高度线性负相关；2016—2018年EW向相位滞后水位约1 d，NE向相位滞后水位约8 d；2019—2021年EW向相位滞后水位约4 d，NE向相位滞后水位约7 d；（2） 气压是分量应变短周期变化的主要影响因素，EW、NW向对其响应更为灵敏，表现为中高度线性负相关；EW向与气压不存在相位滞后，NW向相位滞后气压约55 min；（3） 小波分析结果显示，气压对EW分量影响的显著频段为2⁶～2⁸min 、2¹⁰～2¹⁵min，对NW分量影响的显著频段为2⁶～2⁸min、2¹¹～2¹⁴min。

关键词：榆树沟；分量应变；小波分析；气压；水位

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.011

地壳在形变、应变过程中会引发地震，因此地壳应力应变观测是地震监测预报的重要手段。分量式钻孔应变仪是记录地壳应变，研究地球物理过程和地球动力学的动态观测仪器^［1］，具有观测精度高、稳定性强、频带宽、安装可靠等特点。本文以榆树沟分量应变为研究对象，应用相关性分析及小波分析方法，定量研究气压、水位对榆树沟分量式钻孔应变的影响特征，并对影响机制进行探讨。

由于分量式钻孔应变建立在地壳浅层，受到水圈、大气圈、人类活动等信息的影响^［2］。干扰源种类多，影响机制复杂，干扰与地震异常形态有时难以区分，给地球物理观测异常的判定增加了难度^［3］。近年来，国内学者关于气压、水位对钻孔应变观测资料的影响做了大量研究。李国斌^［4］运用相关性分析得出固原体应变与水位长期存在高度负相关，与气压短期存在高度正相关。邱泽华^［5］在对分量钻孔应变台网观测进行评估时，得出气压对分量应变4个分量存在不同程度响应；刘琦^［6］分析了44套气压、水位与YRY-4应变观测间的关系，并对应变资料作了综合质量评价；马京杰^［7］、李杰^［8］通过对具有典型代表的7套钻孔体应变资料分析，发现气压是体应变观测关键影响因素；张凌空等^［9］计算了宝坻、东三旗及张家口3个台站观测数据，得出短周期气压增大时体应变压性增强且基本同步，长周期气压的影响则没有得出统一的结论；周龙寿^［10］研究发现作用在地表上的气压波动能够产生10^-9量级的地壳应变；杨小林^［11］用传递函数对陕西4 套体应变与气压分频进行频响分析，得出低频带（0.1～0.5 cpd） 气压响应的稳定性最好；李广科等^［12］利用相关、回归分析对重庆库区多套水位、气压与钻孔应变进行相关性分析及剔除研究；郝冉^［13］通过分析得出徐州台分量应变受降雨、抽水、雷暴干扰影响显著；斯琴^［14］通过融雪变化研究水位对分量应变的影响，并建立回归模型，对干扰的数据进行验证；卢双苓^［15］、贾媛^［16］利用载荷模型反演抽水对泰安台分量应变的影响及机制，得出抽水干扰过程的影响与抽水自身载荷相比更为显著。

1 观测概况

榆树沟观测站位于乌鲁木齐市水磨沟区葛家沟村，乌鲁木齐河以东，属无人值守观测站，台站高程1 089 m。构造上位于西山断裂和博格达北缘断裂转换部位，观测山洞主要由黑灰色的页岩、板岩和灰质砂岩互层排列构成，岩层产状基本一致。由于岩性的抗风化差异，页岩被侵蚀成低地和沟壑，尤其是厚层的0.8～1.2 m较抗风化，形成突兀的岩墙和陡崖地貌，附近有较明显的断层破碎带。地层倾向约为325°，岩层倾角偏大，在60°～70°之间，形成北西向陡倾的单斜山（图1）。

增设分量式钻孔应变（RZB-2）观测。榆树沟分量应变测量系统由井下探头和地面主机、数采等设备组成。2014年6月28日安装完毕，由于在山洞内新钻孔，钻孔深度较浅，仅35 m，孔径133 mm，同时安装了温度、气压、水位等辅助观测。应变探头安装深度为31～33 m，水位探头在井下11.6 m，温度探头安装深度为20 m，气压探头安装深度为18.5 m。井下探头内水平安装4个位移传感器，传感元件采用三極板差动式电容传感器，其3块平行金属极板构成了2个差动变化的电容器，传感器被安装在井下探头内，1#传感器方位为N 49°E，其余2、3、4#传感器顺时针45°排列（图2）。2014年9月试运行观测，2015年7月1日接入新疆地震局地球物理台网服务器正式运行，仪器运行稳定，资料连续，固体潮清晰，各分量应变潮汐因子值相对稳定，符合分量应变自检原理及形变台站运行细则规范要求。

2 数据分析

2.1 水位对分量应变的影响

选取2016年1月至2021年12月榆树沟分量应变四分量数据与辅助观测水位日均值为研究对象，进行相关性分析。从变化形态上看，2016—2018年榆树沟分量应变NS、EW、NW分量呈趋势性拉张，NE分量呈趋势压缩特征；气压存在年周期性变化，而水位具有年周期变化（图3）。

气压、水位对分量应变资料的影响是普遍存在的。为了更准确的研究气压及水位对榆树沟分量应变的影响特征，减少人为因素、场地环境、观测系统等对分量应变数据造成的干扰，本文根据榆树沟分量应变变化形态及水位变化的分段性特征，将分量应变、钻孔水位及钻孔气压数据分成2016-01-01—2018-12-31（第一時段）、2019-01-01—2021-12-31（第二时段）进行相关性计算。

对分量应变四个分量分别进行拟合方式剔除趋势变化，计算各时段气压、水位与分量应变之间的相关系数，计算结果见表1。

计算结果表明：气压与分量应变四个分量相关性差，而水位对分量应变EW、NE向影响更为显著，且水位对NE向的影响最大。其中第一时段二者的相关系数分别为-0.754 7、-0.798 3，第二时段相关系数分别为-0.653 3、-0.888 3（表1）。

进一步逐日滑动计算时间窗发现：第一时段中，EW向相位滞后水位1 d时，二者相关系数为-0.754 8，NW向相位滞后水位8 d时，二者相关系数达-0.837 7；第二时段中，EW向相位滞后水位4 d时，二者相关系数为-0.658 8，NW向相位滞后水位7 d时，二者相关系数达-0.899 4。水位是榆树沟分量应变EW与NE向年变化最主要的影响因素，均表现为中高度线性负相关，水位对NE、EW向响应更为灵敏，且对NE向影响大于EW向（图3、表1）。

2.2 气压对分量应变的影响

气压对应力应变的影响表现为力的作用，且变化速率较快的短周期气压波在地层的传播速度较快^［8］，本文选取榆树沟分量应变四分量及其辅助观测钻孔气压2021年2月1—28日观测数据分钟值为研究对象（图4）。

由图4可知，榆树沟分量应变NE与NW分量存在趋势变化，但气压却没有与之一致的趋势性关系。根据干扰成因的四个相关性原则^［17］，榆树沟分量应变NS、NE与NW分量的趋势变化与气压无关。选用直线y=-936 266.225 98x+17.236 7拟合，剔除分量应变NS向趋势变化（图4e），用直线y=5 707 547.671 89x-101.031 12拟合，剔除分量应变NE向趋势变化（图4f），选用直线y=-6 016 642.618 3x+111.600 31拟合，剔除NW向趋势变化（图4g）。

为判定气压与榆树沟分量应变的关系，计算分量应变四分量与气压相关系数，并绘制它们的散点图，经计算，NS向、去趋势后NS向分别与气压相关系数为-0.212 2，-0.260 9 （图5a）；EW向与气压相关系数为-0.859 6（图5b）；NE向、去趋势后NE向分别与气压相关系数为-0.016 8、-0.037 9（图5c、5d）；NW向、去趋势后NW向分别与气压相关系数为-0.299 3、-0.762 6（图5e、5f）。

对比图4、图5及相关系数计算结果可以知，气压与榆树沟四个均呈负相关，其中EW和NW分量去趋势后的曲线与其具有较高线性相关性。进一步滑动计算时间窗，发现气压对EW分量的影响不存在相位滞后（图6a），对NW向（去趋势）的影响存在相位滞后（图6b），当NW向（去趋势）相位滞后气压55 min时，二者相关系数为 -0.778 4。由图5、6可知，气压是榆树沟分量应变EW与NW向短周期变化最主要的影响因素，且它们之间具有准线性关系。

用小波分析将原始曲线中的短期信号分离出来，气压的影响会变得更为清晰^［18］。按周期进行划分，可依此得到15个频段的波形数据，再将同频段分量应变数据和气压分别做相关性分析，得到各频段应变值与气压的相关系数R （表2）。气压对榆树沟分量应变EW向影响的显著频段为2⁶～2⁸，2¹⁰～2¹⁵min，对NW向影响的显著频段为2⁶～2⁸min，2¹¹～2¹⁴min。可以看出气压对EW向的影响频段更宽且影响程度要大于NW向。

3 分析探讨

3.1 气压变化影响及特征

气压对体应变主要通过两种途径作用在传感器周围：一种方式是大气压力以附加荷载的形式作用在地壳表面再通过传递作用在传感器周围；另一种方式是通过井孔直接作用在仪器上方的水面上^［19］。对承压井来说，气压一方面通过井孔直接作用于井水面上，另一方面也通过上层覆地层给含水层施加一附加应力^［20］。分量应变观测同体应变观测类似，其差动式电容传感器设在钻孔底部，气压对分量应变的影响主要表现为力的传递，气压变化使地表及岩体孔隙压力受力发生改变。不同之处在于分量应变四分向方位角、传感器排列位置及周边观测环境差异会造成气压对各分量产生不同程度响应。因此气压对榆树沟分量应变的影响途径可能也是通过这两种途径。

气压是作用在地面上的载荷，气压在剧烈变化时垂直方向上的压力会被山体岩层逐步削弱吸收或转换成水平方向的力，应变仪器正好架设在近EW向的山洞通道内，地层压力会相应增大，应变钻孔面积会变小，EW分量与山体近垂直，印度板块与欧亚板块碰撞远程效应导致榆树沟观测站受到NS向挤压作用明显，形成了北西向陡倾的单斜山（图1、图7）。因此气压的短周期变化对EW作用会更加显著，传播方式可能是通过井孔直接作用在仪器上方的水面上，文中小波分析结果正好说明气压对分量应变四分向均存在不同程度响应，其中气压对EW、NW向响应更为敏感，显著频段由于传感器上压力不均匀分布也会呈现的不完全一致。

3.2 水位变化影响及特征

钻孔水位实际上记录的是压力值，榆树沟分量应变钻孔地层为灰质砂岩（0～2.5 m），部分岩段较松软，透水性好，水位处于距井口7～9 m范围内波动，北洞口距离NW向220 m处为榆树沟康普水库。水位的变化主要来源于地表水和地下水的水源补给，融雪和降雨是地下水补给的最主要来源，潜水主要源于大气降水与地表水的入渗^［21］。因降水具有季节周期波动，故地下水位也会出现周期性动态变化^［22］。另一方面，含水层之间互通，会使地下水流分布结构发生变化，孔隙水压的分布也会随之改变，某些未吸水饱和层吸水膨胀，致使应变探头四周的岩石应力加大。本文在分段定量计算水位与分量应变关系时，发现每年2～4月融雪期间水位大幅上升—下降变化时，长期变化过程中水位对NE、EW、NW分量影响均表现为较好的线性相关性。

总的来说，钻孔水位、气压都会对应变场产生干扰，水位的波动变化，对大多数具有渗透性的岩石来讲，会直接造成岩石内部孔隙、裂隙中孔隙水压力产生波动，而对渗透性较差的含水层，也会因气压造成的含水层岩石结构变形而产生孔隙水压力的波动，由此才能理解气压波动时水位相应的变化，再通过传递的方式作用在应变传感器周围。

4 结束语

通过相关分析及小波分析方法，定量研究水位、气压与榆树沟分量应变之间的关系，分析认为：

（1） 气压与榆树沟分量应变长期变化无关，水位是分量应变长期变化主要影响因素，水位与NE、EW向均呈现中高度线性负相关，且对NE向影响大于EW向；气压在分量应变短周期变化中起主导作用，对EW、NW分量影响更为灵敏，均表现为中高度线性负相关，且对EW向影响大于NW向，共同显著频段为2¹¹～2¹⁴min。

（2） 苏恺之等^［19］分别以岩层倾角为0°和35°为例，计算了气压、水位对体应变的干扰系数，得出岩层35°倾角气压、水位对体应变的干扰系数远大于岩层0°倾角。由图1可知，榆树沟地质构造属于博格达弧型构造的西翼，山洞开凿在二叠系地层构成的中高山区，山洞完全凿建于二叠系岩层中，地层倾向325°，岩层倾角近直立，分量应变元件位置仅在31～33 m处且钻孔为裸孔。因此，气压、水位对分量应变的影响与榆树沟观测站岩层倾角偏大、钻孔深度浅有较大关系。

（3） 观测实践证明，榆树沟分量应变的主要干扰因素是气压波动、融雪及降雨的影响，这些干扰既有大面积的效应，也有局部的效应，其产生的干扰幅度及特征与观测原理、观测环境及钻孔工艺有较大的关系。

（4） 气压对分量应变影响方式可能是气压通过井孔直接作用在仪器上方的水面上，再通过传递的方式作用在传感器周围。水位的影响方式主要是融雪、降雨等地表水的渗入、地下水补给以及气压附加应力造成的含水层岩石结构变形而产生孔隙水压力的波动变化。

参考文献：

［1］ 李希亮，苏恺之，李海亮，等.TJ-II 型钻孔应变仪安装过程中的几个技术问题［J］.大地测量与地球动力学，2013（S2）：142-144.

［2］ 中国地震局监测预报司.地形变测量［M］.北京：地震出版社，2008.

［3］ 王梅，李峰，孔向阳，等.数字化形变观测干扰识别［J］.大地测量与地球动力学，2004，24（1）：94-98.

［4］ 李国斌，马禾青，曾宪伟，等.固原体应变与水位和气压相关性研究［J］.防灾减灾学报，2012，28（3）：57-61.

［5］ 邱泽华.钻孔应变观测－理论和应用［M］.北京：地震出版社，2017.

［6］ 刘琦，张晶，池顺良.四分量钻孔应变资料的质量评价及拟合分析［J］.地震，2011，31（1）：87-96.

［7］ 馬京杰，李海亮，马相波.岩层倾斜对体应变受气压影响研究［J］.大地测量与地球动力学，2012，32（z1）：64-66.

［8］ 李杰，邹钟毅，闫德桥，等.TJ-II型钻孔体应变仪数字化观测资料分析［J］.大地测量与地球动力学，2002，22（3）：69-74.

［9］ 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，2019，34（4）：1 366-1 370.

［10］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）：1 717-1 726.

［11］杨小林，储日升，危自根，等.钻孔体应变对气压和固体潮响应的传递函数——以陕西地区为例［J］.地球物理学报，2021，64（8）：2 749-2 765.

［12］李光科，陈凯，巩浩波.重庆库区钻孔应变与水位相关性分析［J］.地震地磁观测与研究，2015，36（5）：51-58.

［13］郝冉，高明智，张岑，等.分量应变仪干扰特征及自检相关系数［J］.地震地磁观测与研究，2018，39（3）：134-141.

［14］斯琴，关冬晓，郭春生.榆树沟台钻孔应变受水位影响分析［J］.内陆地震，2021，35（2）：171-178.

［15］卢双苓，郝军丽，孟建国，等.分量应变和体应变可靠性检验及特殊事件影响对比分析［J］.大地测量与地球动力学，2016，36（12）：1 117-1 120.

［16］贾媛，甘卫军，李杰，等.抽水对泰安地震台钻孔分量应变的影响及其机制［J］.地震地质，2019，41（6）：1 429-1 443.

［17］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.

［18］張凌空，王广才，牛安福.周期气压波对地壳应变场观测影响的若干因素分析［J］.地震学报，2011，33（3）：351-361.

［19］苏恺之，李海亮，张均，等.钻孔地应变观测新进展［M］.北京：地质出版社，2003.

［20］国家地震局预测预防司.地下流体地震预报方法［M］.北京：地震出版社，1997.

［21］王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础［M］.北京：地质出版社，2006.

［22］金菊良，杨晓华，金保明，等.具有周期变化和下降趋势的地下水位的预测［J］.水利水运科学研究，2000，（9）：53-57.

CHARACTERISTICS AND MECHANISM RESEARCH

ON INFLUENCE OF AIR PRESSURE AND WATER

LEVEL ON COMPONENT STRAIN

OF YUSHUGOU

Mulatijiang Abulaiti， JIN Hua， MAO Yu-jian

（ Earthquake Agency of Xinjiang Uighur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang ，China）

Abstract： By applying correlation analysis and wavelet analysis methods， the relationship and influencing mechanism between air pressure， water level， and Yushugou component strain were studied. The results showed that： （1） water level is the main influencing factor for the long-term variation of Yushugou component strain， especially for the EW and NE directions of component strain， which have a significant impact， showing a medium to high linear negative correlation; From 2016 to 2018， the phase lag water level in the EW direction was about 1 d， and the phase lag water level in the NW direction was about 8 d; From 2019 to 2021， the phase lag water level in the EW direction is about 4 days， and the phase lag water level in the NW direction is about 7 days; （2） Air pressure is the main influencing factor for the short-term variation of component strain， and the EW and NW directions are more sensitive to its response， exhibiting a medium to high linear negative correlation; There is no phase lag between the EW direction and the air pressure， while the NW direction has a phase lag of about 55 minutes for the air pressure; （3） The wavelet analysis results show that the significant frequency bands of the influence of air pressure on the EW component are 2⁶～2⁸min and 2¹⁰～2¹⁵min， and the significant frequency bands of the influence on the NW component are 2⁶～2⁸min and 2¹¹～2¹⁴min.

Key words： Yushugou；Borehole component strain；Wavelet analysis method；Atmospheric pressure；Water level