三分量应变仪观测数据自检分析★

李宏伟 王 霞

(山西省地震局，山西 太原 030021)



三分量应变仪观测数据自检分析★

李宏伟 王 霞

(山西省地震局，山西 太原 030021)

利用应变矢量合成与分解原理，分析了离石地震台三分量应变仪数据变化的可靠性，结果表明，NS分量与EW分量合成的NE分量与实际观测的NE分量的比值时序图以及利用回归模型得到的外推数据与实际观测值对比图均不符合自检理论，因此，NS分量2014年8月的快速变化不是地壳应变引起的，可能由于仪器本身问题造成的。

应变仪，应变矢量，二元回归模型，自检分析

0 引言

应变观测对象是两基准点之间的水平距离随时间的相对变化[1,2]，用于监测地壳构造应变和固体潮水平分量的连续变化，为研究地震孕育过程提供依据，已有学者利用应变观测数据对孕震过程的映震效能进行了多角度的探索研究，并已取得很好的效果[3-6]。假如观测点下方是一块完整的基岩，理论上，任何一个方向上有应变的改变都可以分解为NS向与EW向上的分量变化；同理，也可将NS向与EW向上的变化合成为实际方向的变化量。离石地震台应变观测除了有NS分量与EW分量，还增加了NE分量观测，为数据变化的真实性提供了自检分析的可能。

1 三分量应变仪测点概况

离石地震台应变观测仪安放于山洞硐室内，洞深31 m，洞体覆盖厚度43 m，三分量应变观测仪平面布设如图1所示。山洞开挖于关帝山强烈隆起区，该区新构造运动以来以持续抬升为主，断块内差异运动极弱，属稳定的新构造单元。距离洞室最近的断裂为刘家岔断裂，位于洞室北东向1.6 km处，断裂为前第四纪断裂，属非活动断裂。洞室周边500 m范围内无活动断裂，且节理裂隙也不发育。仪器洞室位于吕梁期花岗岩体中，该花岗岩岩性为浅红色细粒～中粗粒黑云二长花岗岩，岩石有轻微的混合岩化，属极硬岩石，微风化，岩体属坚硬岩[7]。

离石地震台应变观测仪从2010年9月开始安装试运行，2012年后仪器稳定运行，由于测点所在处岩体较稳定，且附近断裂活动较弱，所以自仪器稳定运行以来，数据平稳变化。2014年8月后，应变仪NS分量数据出现加速变化，另外两个分量数据变化幅度没有出现同步加速变化(见图2)，因此初步判定属于构造活动的可能性较小，具体原因需进一步论证。

2 模型构建与分析

2.1 矢量模型分析

应变是表示物体变形的程度，即在应力作用下物体形状和大小的改变量，线应变是指物体受力发生变形后，所增加或缩短的长度与变形前长度的比值，即以其相对变形来量度，没有量纲。理论上，对同一岩体而言，应力与应变之比是一个常数模量，根据力的合成与分解原理，可以将NS向与EW向应变合成NE向应变，用式(1)表示。

(1)

由式(1)可知，由NS向与EW向合成的应变矢量与实际观测的NE向应变矢量之比为1，考虑到实际观测环境可能还受其他因素的影响，实际的比值不是严格等于1，但基本应该在1的附近。基于此，将2013年—2014年的应变观测值按式(1)转化为比值时序图(见图3)，由图3可知，2014年8月之后，比值时序图曲线明显偏离理论值，不符合理论模型，因此认为观测值不符合自检结果。

2.2 回归模型分析

变量之间的关系一般分为两种：一种是完全确定关系，即函数关系；一种是相关关系，即变量之间既存在着密切联系，但又不能由一个或多个变量的值求出另一个变量的值。对于彼此联系比较紧密的变量，通过建立一定的公式，可以在变量之间互相推测，回归分析的目的就是用数学表达式来描述相关变量之间的关系。

由2.1可知，三分量应变仪各个分量之间存在联系，因此针对此次变化，采用MATLAB中的regress函数进行多元回归分析，具体步骤如下：

1)将三分量的日均值曲线进行预处理，去除缺数以及异常点数据，采用线性插值方法将数据补齐，然后将NE分量作为因变量，NS分量、EW分量作为自变量，建立二元回归模型。

2)将此次数据快速变化前(2013年1月1日～2014年7月31日)的日均值作为模型建立的输入数据，得到合成后的NE向观测曲线，以及回归函数。图4是实际观测曲线与合成观测曲线的对比图，式(2)为得到的回归函数。

YNE=-681.37+0.771 5XNS+0.491 3XEW

(2)

其中，YNE为NE向观测值；XNS为NS向观测值；XEW为EW向观测值。

通过分析异常变化前NE向与NS向、EW向的相关性(相关系数为0.743 4)，说明NE向与NS向、EW向本身之间存在较强相关性，建立的回归模型可靠。

根据式(2)建立的回归模型，利用NS，EW向观测数据外推数

据异常期间(2014年8月1日～2014年12月31日)的NE向观测数据，得到外推NE向曲线与原始NE向观测曲线对比图(见图5)。由图5可知，异常期间NE向原始观测值与外推的观测值差异较大，综合分析认为，本次数据变化不满足三分量自检分析，因此数据异常变化为地震前兆异常的可能较小。

3 结语

洞体应变仪安放于地震观测山洞，观测墩位于基岩上，任何一个分量的变化都不能是独立的，必定会使另外两个分量中的一个或者两个也发生变化；换言之，其中一个分量必定与另外两个分量存在一定的相关性。

通过应变矢量合成与分解原理，将合成的NE分量与实际观测的NE分量作比值运算，结果表明2014年8月后比值时序图出现大幅度的偏离理论值1，因此NS分量2014年8月的大幅度变化不属于地壳应变变化的作用。

二元相关性计算结果显示NE分量确实与NS分量、EW分量有较高的相关系数，并建立二元回归模型，其模拟结果与实际观测值有较高的一致性，但依据二元线性回归模型外推出数据异常时段的NE分量数据与实际观测的数据存在较大偏离，因此再次证实NS分量此次异常变化不是地震前兆异常变化。

通过构建应变矢量模型和回归模型均得出数据异常时段不符合三分量应变仪的自检理论，因此认为离石地震台三分量应变仪2014年8月的加速变化不是由地壳应变引起的，可能是仪器传感器本身问题造成的。

[1] 左 艳,冀林旺，商 亮，等.数字伸缩仪三分量空间合成分析及映震研究[J].华南地震，2011,31(3):101-111.

[2] 中国地震局监测预报司.地形变测量(试用版)[M].北京:地震出版社,2008:212-226.

[3] 池顺良,池 毅,邓 涛，等.从5.12汶川地震前后分量应变仪观测到的应变异常看建设密集应变观测网络的必要性[J].国际地震动态,2009(1):1-13.

[4] 彭 华,马秀敏,姜景捷.山丹地应力监测站体应变仪的地震效应[J].地质力学学报,2008(2):97-108.

[5] 冯建琴,董甲弟,程冬焱，等.浅析山西应变仪及钻孔倾斜仪在日本9.0级地震前后映震特征[J].山西地震,2013(2):29-34，48.

[6] 吕 芳，张淑亮，胡玉良，等.山西静乐井水位异常调查与分析[J].山西地震，2013(3):28-31.

[7] 山西省地震局.山西省地震监测志[M].北京:地震出版社,2006:172-176.

The self-test analysis on the observation value of three-component strain meter★

Li Hongwei Wang Xia

(EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030021,China)

The reliability of observation data from three-component strain meter at Lishi seismic station is analyzed by the synthesis and decomposition principle of strain vector and the bivariate regression model. The results show that the ratio of NE component compounded by NS component and EW component and the observed NE component, and the contrast figure of extrapolation data obtained by regression model and the observed value are not in conformity with the theory of self-test. Therefore, the rapid change of NS component in August, 2014 is not caused by crustal strain, and probably due to the instrument itself.

strain meter, strain vector, the bivariate regression model, self-test analysis

1009-6825(2016)32-0054-02

2016-09-04

李宏伟(1986- )，男，硕士，工程师； 王 霞(1987- )，女，硕士，工程师

P315.61

A

★：山西省地震局科研项目(项目编号：SBK-1604)；2016年度震情跟踪青年课题(课题编号：2016010219)共同资助