1. 引言
使用钻孔方法观测地壳应变变化进行地震预报研究，在我国是从60年代中期开始的。YRY型压容式钻孔应变仪是张量式仪器，可同时测量体积应变和形状应变。YRY型钻孔应变仪经过多年的实际运行与不断改进，新型的YRY-4仪器已实现了遥控自动标定、遥控自动调零、数字输出、网络通讯功能，方便了仪器的运行管理。YRY型钻孔应变仪已领先于国际同类型多分量仪器，率先实现了4分量同平面配置，解决了钻孔应变观测技术中的重要关键技术。
昔阳地震观测站(以下简称昔阳站) YRY-4四分量式钻孔应变仪仪属于《山西省地震局2019年省级台网优化改造项目》更新仪器，安装于2020年8月，投入观测后产出的观测资料精度高、连续、可靠，观测资料能真实的反映地应变，具有较高的可信度和分析利用价值。
本文利用昔阳站YRY-4钻孔应变仪投入观测后的资料数据进行分析，从仪器精度，地震记录，等方面验证观测资料的可靠性，为今后利用该仪器进行区域内地震监测预报提供支撑。
2. 台站背景及观测环境
2.1. 测点地质构造
昔阳地震监测站位于山西断陷带以东的太行山断块隆起区，且太行隆起区是一个相对稳定的新构造单元。此隆起区内发育的主要断裂为晋获断裂带，中生代称其为“太行大断裂”，已有研究认为其是NNE向展布的基底软弱带(元古代太行古裂陷)，该带以东的河淮地块软流圈上拱、大地热流值高，岩石圈厚度仅60 km左右，为岩石圈“软块”，而其西侧的晋南地区岩石圈厚达100 km、热流值偏低，称为沁水岩石圈“硬块”[1]；两者之间的太行古裂陷(即晋获断裂带)，成为应力应变易于集中的区域[2]。晋获断裂带的西侧发育井陉–左权断裂带，它与晋获断裂带平行延展，而昔阳、和顺等小型断陷盆地其边界受井陉–左权断裂带控制，至今仍有一定的活动性。昔阳地区处于太原–石家庄横向隆起构造带(即38˚带)与NNE断裂带的复合部位，构造复杂，且地壳介质比较破碎，是区域应力场变化敏感部位。
昔阳站处在昔阳小型断陷盆地东缘，以北约380 m处为大寨断层，该断层走向N38˚E，倾向NW，倾角70˚，长8 km，大寨断层属井陉–左权断裂带，该断裂带由24条大小不等的断裂组成，总体走向NNE，其最新活动时代为中更新世，沿断层线出露新生代玄武岩[3]。台址一带出露的地层主要有奥陶系下统含燧石结核的白云质灰岩及白云岩；奥陶系中统泥灰岩、灰色石灰岩；石炭系上统砂岩、砂质页岩及煤层；新生界第四系的中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土。
有历史记载及仪器记录以来，昔阳台周围50 km范围内共发生M ≥ 5地震6次，其中历史记载的昔阳县(当时昔阳属平定州辖地)遭遇的最大地震为明天启七年夏(公元1627年)发生的平定州5.5级地震。1967年以来，昔阳一带中、小地震活动比较频繁，地震序列以震群型为主，如1967年昔阳4.0级和4.5级2次震群、1969年和顺4.0级震群、1971年和顺5.2级震群、1972年和顺3.9级震群、1982年昔阳4.2级震群和1994年和顺3.4级震群，震源深度一般为5~15 km；这7次震群均发生在昔阳、和顺小型断陷盆地的西侧，是山西地区近些年来震群活动最多的地区之一。
2.2. 测点观测环境
昔阳站YRY-4钻孔应变仪观测场地台址条件优秀，处于温带、暖温带半干旱大陆性季风气候区。一年四季分明，全县平均降水量为571.9毫米，雨量主要集中在7~8月份，除夏天雷电较多外，台站周围基本无明显干扰源，符合地震形变观测规范要求。
2.3. 仪器安装情况
昔阳站YRY-4钻孔应变仪安装位置在昔阳台大寨观测站，站点为安装仪器新打50米钻孔一眼，安装位置在井孔35米处，岩性为石灰岩，从施工资料钻工柱状图中可见昔阳站测点岩性特征(见图1)。
Figure 1. Drilling histogram
图1. 钻孔柱状图
昔阳站YRY分量应变仪钻孔安装段基岩较完整[4]，仪器安装固结质量较好，稳定快，漂移小，安装后第二天就可以从差应变上看到明显的固体潮，7天后曲线已基本拉平且面应变相关系数达到0.9995。
2.4. 观测系统介绍
YRY-4型钻孔应变仪观测系统由传感器、主机和供电系统组成，为防雷击，供电系统采用了太阳能直流供电[5]，传感器部分为长圆筒径向位移式仪器。在圆筒中部位置安装了“南–北”“东北–西南”“东–西”“西北–东南”四个方向的四组径向测微传感器，测量这四个方向圆筒直径的微小变化。
3. 观测资料可靠性分析
3.1. 观测数据曲线记录情况
由于钻孔安装段基岩较完整，仪器安装后，稳定快，漂移小，仪器分钟值曲线图可以记录清晰的固体潮(见图2)。
Figure 2. Xiyang YRY-4 component drilling strain gauge minute value curve
图2. 昔阳YRY-4分量钻孔应变仪分钟值曲线图
3.2. 测震背景噪声分析
昔阳站地噪声水平1~20 Hz各频点平均值约为−120至−150 dB，高于NLNM约20到50分贝，计算结果良好[6]。且该台址1~20 Hz频带内静态地脉动噪声有效值(RMS)的总平均值为UD向3.02E-08˚ (m/s)、EW向9.24E-08˚ (m/s)、NS向1.27E-07˚ (m/s)，三分向总平均8.31E-08˚ (m/s)。依据地震台站观测环境技术要求，该台址环境地噪声属于Ⅱ级环境地噪声水平[7] (见图3)。
Figure 3. Seismic background noise map of the site
图3. 站点测震背景噪声图
3.3. 昔阳站YRR-4钻孔应变仪资料内精度分析
Table 1. Precision calculation table of YRY-4 instrument at Shanxi Station in October 2020
表1. 2020年10月份山西台站YRY-4仪器精度计算表
台站名称 |
北南分量 |
东西分量 |
北东分量 |
北西分量 |
平均值 |
精度排名 |
繁峙 |
0.0042 |
0.0031 |
0.0050 |
0.0066 |
0.00473 |
1 |
代县 |
0.0036 |
0.0086 |
0.0078 |
0.0038 |
0.00595 |
2 |
原平 |
0.0235 |
0.0139 |
0.0040 |
0.0050 |
0.01160 |
3 |
昔阳 |
0.0281 |
0.0089 |
0.0185 |
0.0031 |
0.01465 |
4 |
大同 |
0.0050 |
0.0030 |
0.0213 |
0.0081 |
0.02732 |
5 |
宁武 |
0.0688 |
0.0412 |
0.0068 |
0.0048 |
0.03040 |
6 |
神池 |
0.0260 |
0.0817 |
0.0688 |
0.0412 |
0.05443 |
7 |
陵川 |
0.4220 |
0.4299 |
0.2460 |
0.0800 |
0.29448 |
8 |
沁源 |
0.0051 |
0.2385 |
0.9650 |
0.0127 |
0.30530 |
9 |
阳城 |
0.3320 |
0.4976 |
0.4461 |
0.5498 |
0.45638 |
10 |
昔阳站YRY-4型四分量钻孔应变地震仪仪器内精度跟省内台站安装的同型号仪器精度做了对比(以2020年10月份观测数据为例计算固体潮内精度)昔阳台更新前钻孔仪器为TJ-ⅡC钻孔应变仪，该仪器从观测从下井到正式记录，运行情况良好，基本无断记和缺测现象，各项记录齐全完整，2000~2001年曲线趋于平稳状态，固体潮曲线记录平滑，精度达到国家Ⅰ类台标准，资料利用率较高，在山西省及周边地区的几次较大地震中，均有不同程度反映[8]。
根据中国地震局地壳应力研究所钻孔应力–应变台网管理组出台的钻孔应力–应变台站数字观测资料质量年度评比办法中对一类台精度的要求为M1 < 0.05 × 10−6的要求检验，(在评价中，固体潮内精度小于0.05即为优秀)昔阳台观测资料精度达到了一类台精度要求(见表1)。
3.4. 潮汐响应玫瑰图分析
昔阳站利用2021年2023年数据计算的潮汐响应玫瑰图，误差小，精度很高。四个花瓣指向与周边的断裂分布比较吻合，没有断裂阻隔的方向潮汐因子大，表现为花瓣长轴方向[9]。有断裂阻隔的方向潮汐因子小，表现为花瓣的腰身(见图4)。
Figure 4. Tidal response rose diagram of Xiyang station from 2021 to 2023
图4. 昔阳站2021~2023年潮汐响应玫瑰图
4. 同震响应印证观测资料可靠性
YRY-4钻孔应变仪拾震率高[10]，能清晰完整的记录远震(见图5)和近震(见图6)，昔阳站记录到2020年11月14日太原2.9级地震100 Hz的高频数据，经过分析，该近距离地震波形的1 + 3、2 + 4面应变相关系数为0.88 [11]，而2020年10月20日阿拉斯加7.5级地震的100 Hz 1+ 3、2 + 4面应变相关系数为0.994，说明在昔阳–太原之间，存在着造成数据失洽的裂隙发展，后期值得继续关注。
Figure 5. Original data of the strain of the Alaska 7.5 magnitude earthquake at Xiyang Station
图5. 昔阳站阿拉斯加7.5级地震应变原始数据图形
Figure 6. The 100 Hz high-frequency data of the Taiyuan M2.9 earthquake recorded on November 14, 2020, and the graphs of surface strain and differential strain
图6. 记录到的2020年11月14日太原2.9级地震100 Hz高频数据原始数据和面应变、差应变图形
5. 结果与讨论
1) 昔阳站YRY-4四分量钻孔应变仪安装选址合理，周边干扰源少，观测资料连续、稳定、可靠。弥补了太原–石家庄横向隆起构造带(即38˚带)与NNE断裂带的复合部位形变观测仪器少的空缺，提高了该区域地球科学研究与地震形变前兆监测能力。
2) 通过计算观测资料内精度，该仪器精度达到国家优秀标准。
3) 利用潮汐响应玫瑰图计算结果证明，该仪器观测资料误差小，精度高，与周边断裂分布吻合，其产出数据对监测区域周边应力场变化情况有非常高的科研价值。
4) 利用面应变相关系数分析可以看出，昔阳–太原之间存在着造成数据失洽的裂隙发展，需长期跟踪研判数据的发展变化情况，持续挖掘该条线路应力场变化情况和发展方向。
基金项目
SBK-1328《山西体应变综合分析研究》。
NOTES
*通讯作者。