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摘要:宁夏海原台四分量钻孔应变观测的相对标定结果显示,标定后分量1、分量3之和与分量2、分量4之和的资料相关性显著增强,标准差明显减小,更加满足四分量应变仪的校核条件,表明该钻孔应变观测资料是可靠的。将各分量应变资料去趋势,计算出面应变1+3和2+4、差应变1-3和2-4,对面应变、差应变资料和相对标定系数在2008年4月6日固原3.8级、5月12日汶川8.0级、10月3日固原4.0级和11月24日固原3.8级地震前的异常变化进行了分析探讨。结果显示,钻孔应变观测的相对标定及资料应用有助于地震前兆异常的判定识别。
关键词:钻孔应变观测;相对标定;震前异常;面应变;差应变
中图分类号:P315.63 文献标识码:A 文章编号:1000-0666(2010)04-0318-05
0 引言
四分量钻孔应变观测是20世纪80年代后发展起来的一种地震前兆观测手段,地震专家围绕钻孔应变仪器改进(苏恺之等,2003)、资料分析标定(邱泽华等,2003,2009;池顺良等,2009)和震前异常判定(蒋靖祥等,2000;朱航,2003;邱泽华等,2009)等方面做了大量的工作。由于目前还难以直接标定井下钻孔应变仪,对观测到的应变信息是否可靠还存在疑问,在应用这些资料之前有必要对这些数据进行分析标定。近年来,邱泽华等(2005)、阚宝祥等(2009)利用互相垂直方向应力之和为不变量的特点,轮流以每个元件为标准分别计算灵敏度后再取平均值,得出四分量钻孔应变观测的实地相对标定方法。
宁夏海原地震台YRY—4型四分量钻孔应变仪自2007年9月安装以来,仪器运行稳定,观测资料连续,记录的固体潮和地震波信息非常清晰。我们对该钻孔应变观测进行实地相对标定,结果显示,标定后资料的相关性显著增强,标准差明显减小,验证了该资料的可靠性。对面应变、差应变资料和相对标定系数在2008年4月6日固原3.8级、5月12日汶川8.0级、10月3日固原4.0级和11月24日固原3.8级地震前的异常现象进行了探讨,表明相对标定可作为分析应用该应变资料的有效方法之一。
1 YRY—4型应变仪工作原理及其相对标定
YRY—4型四分量钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器(池顺良等,2007),在圆筒中部位置设有4组径向测微传感元件,依次相隔45°,能够测量4个方向圆筒直径的微小变化(图1)。当圆筒探头放入地层钻孔,并用耦合介质将探头与地层连为一体后,通过仪器测量系统就能获得地层钻孔4个方向的钻孔孔壁径向位移S。
图1 YRY—4型应变观测仪平面示意图
Fig.1 Plane diagram of YRY-4 borehole strain meters
钻孔的孔径相对变化值S一般是面应变和差应变的线性组合,即
S=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-φ).(1)
式中,ε1、ε2为水平主应变,φ是ε1的方位角,θ为S的方位角。A和B是耦合系数,与套筒内、外径,套筒材料,围岩等的杨氏模量和泊松比等有关。当观测到两个垂直方向上的孔径相对变化值后,分别代入(1)式,然后相加就可以消去(ε1-ε2)项,右边只剩(ε1+ε2)面应变项。同理,两个垂直方向上的值代入(1)式相减可以消去(ε1+ε2)项,右边只剩(ε1-ε2)差应变项。因此,四分量钻孔应变仪可以利用相互垂直方向上的应变之和为不变量的特点对不同元件的应变观测进行互检。在判断仪器状态、评定资料质量以及核实资料异常时,校核条件(S1+S3=S2+S4)起到了非常重要的作用。地应变信号从地层传入探头,经过机械、电子、数采到最后记录,只有各个环节都正常时才能得到满足校核条件的结果。
在实地相对标定时,设Ri代表元件i的观测读数,Ki代表元件i的灵敏度,则元件i的孔径相对变化为Si=KiRi,校核条件的关系式为K1R1-K2R2+K3R3-K4R4=0,该一次方程组只能确定灵敏度之间的相对大小,因此,称为相对标定。由于各元件灵敏度的理论值为1.0,在标定计算时可依次取4个元件灵敏度为1,求解另外3个元件的灵敏度,形成4个一次方程组
k11R1-k21R2+k31R3-k41R4=0,
k12R1-k22R2+k32R3-k42R4=0,
k13R1-k23R2+k33R3-k43R4=0,
k14R1-k24R2+k34R3-k44R4=0.(2)
其中kij=Ki/Kj(i, j=1,2,3,4)。利用以上方程组求解元件的相对灵敏度,再取平均值(仍然用K表示):
K1=14∑4j=1kij, i=1,2,3,4.(3)
该相对灵敏度的大小应在理论值1.0附近。
2 标定实例
2.1 海原台四分量钻孔应变的基本资料
海原台应变钻孔位于青藏活动地块区祁连活动地块外缘边界带,历经了晋宁、加里东、华力西、印支、燕山和喜山各期构造运动,地层变质、褶皱和断裂变形强烈,构造十分复杂。发育有北东向和北西西向两组主要断裂。北东向断裂发育于南华山内部的变质岩系中,为前新生代活动断裂;北西西向断裂发育在南华山内部变质岩和南华山与海原盆地交界带上,其中尤以山盆交界构造─海原活动断裂带规模最大。
钻孔地处海原南华山自然保护区内,高程2 220 m。周围人烟稀少,无明显干扰源。钻孔在28.6～37.9 m间有一段较完整灰岩层,仪器探头安装于36.5 m处。水位距井口15 m,安装有辅助观测的水位仪和气压计。该应变仪自安装运行以来,资料稳定,整时值完整率为99.9%。4个元件的磁方位角分别为,1分量:111°,2分量:156°,3分量:201°,4分量:246°。
2.2 标定结果
(1)选用2007年10月至2009年7月间海原台4个分量应变的整时值,按月进行线性去倾,形成除去漂移的观测序列R1、R2、R3 和R4。为了分析各分量的观测值是否满足校核条件,首先将R1和R3以及R2和R4分别相加,得到两条面应变曲线(图4b),可见,两条面应变曲线的变化基本一致,满足校核条件,表明海原YRY—4型四分量应变仪观测到的是地层应变变化。再对除去漂移的四分量观测资料进行相对标定分析,每个月的标定系数、相关系数及标准偏差见表1所示。相对标定后,每个月面应变1+3和2+4的资料相关系数均显著增大,平均由0.896 9增大为0.943 2,标准偏差均明显减小,平均由0.392 3减小为0.204 6,标定后的数据比标定前有明显改善。
(2)由表1和图2可以得出,2007年10月至今,各元件的标定系数主要分布在0.8～1.2之间,与理论值1.0基本相符。2007年10月、11月的K值偏低,可能与仪器安装运行时间短,还处于快速“漂移”状态有关,而2007年12月～2008年1月的K值回到正常范围(以0.8～1.2为参考),2008年2～4月K值明显偏低,最低为0.177 0,严重偏离了理论值1.0的波动范围,其余时段除元件K3在2008年9～11月偏低(可能与1次3.8级、1次4.0级地震有关,地震参数见表2)之后恢复外,另外3个元件均处于正常变化范围。K1、
关键词:钻孔应变观测;相对标定;震前异常;面应变;差应变
中图分类号:P315.63 文献标识码:A 文章编号:1000-0666(2010)04-0318-05
0 引言
四分量钻孔应变观测是20世纪80年代后发展起来的一种地震前兆观测手段,地震专家围绕钻孔应变仪器改进(苏恺之等,2003)、资料分析标定(邱泽华等,2003,2009;池顺良等,2009)和震前异常判定(蒋靖祥等,2000;朱航,2003;邱泽华等,2009)等方面做了大量的工作。由于目前还难以直接标定井下钻孔应变仪,对观测到的应变信息是否可靠还存在疑问,在应用这些资料之前有必要对这些数据进行分析标定。近年来,邱泽华等(2005)、阚宝祥等(2009)利用互相垂直方向应力之和为不变量的特点,轮流以每个元件为标准分别计算灵敏度后再取平均值,得出四分量钻孔应变观测的实地相对标定方法。
宁夏海原地震台YRY—4型四分量钻孔应变仪自2007年9月安装以来,仪器运行稳定,观测资料连续,记录的固体潮和地震波信息非常清晰。我们对该钻孔应变观测进行实地相对标定,结果显示,标定后资料的相关性显著增强,标准差明显减小,验证了该资料的可靠性。对面应变、差应变资料和相对标定系数在2008年4月6日固原3.8级、5月12日汶川8.0级、10月3日固原4.0级和11月24日固原3.8级地震前的异常现象进行了探讨,表明相对标定可作为分析应用该应变资料的有效方法之一。
1 YRY—4型应变仪工作原理及其相对标定
YRY—4型四分量钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器(池顺良等,2007),在圆筒中部位置设有4组径向测微传感元件,依次相隔45°,能够测量4个方向圆筒直径的微小变化(图1)。当圆筒探头放入地层钻孔,并用耦合介质将探头与地层连为一体后,通过仪器测量系统就能获得地层钻孔4个方向的钻孔孔壁径向位移S。
图1 YRY—4型应变观测仪平面示意图
Fig.1 Plane diagram of YRY-4 borehole strain meters
钻孔的孔径相对变化值S一般是面应变和差应变的线性组合,即
S=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-φ).(1)
式中,ε1、ε2为水平主应变,φ是ε1的方位角,θ为S的方位角。A和B是耦合系数,与套筒内、外径,套筒材料,围岩等的杨氏模量和泊松比等有关。当观测到两个垂直方向上的孔径相对变化值后,分别代入(1)式,然后相加就可以消去(ε1-ε2)项,右边只剩(ε1+ε2)面应变项。同理,两个垂直方向上的值代入(1)式相减可以消去(ε1+ε2)项,右边只剩(ε1-ε2)差应变项。因此,四分量钻孔应变仪可以利用相互垂直方向上的应变之和为不变量的特点对不同元件的应变观测进行互检。在判断仪器状态、评定资料质量以及核实资料异常时,校核条件(S1+S3=S2+S4)起到了非常重要的作用。地应变信号从地层传入探头,经过机械、电子、数采到最后记录,只有各个环节都正常时才能得到满足校核条件的结果。
在实地相对标定时,设Ri代表元件i的观测读数,Ki代表元件i的灵敏度,则元件i的孔径相对变化为Si=KiRi,校核条件的关系式为K1R1-K2R2+K3R3-K4R4=0,该一次方程组只能确定灵敏度之间的相对大小,因此,称为相对标定。由于各元件灵敏度的理论值为1.0,在标定计算时可依次取4个元件灵敏度为1,求解另外3个元件的灵敏度,形成4个一次方程组
k11R1-k21R2+k31R3-k41R4=0,
k12R1-k22R2+k32R3-k42R4=0,
k13R1-k23R2+k33R3-k43R4=0,
k14R1-k24R2+k34R3-k44R4=0.(2)
其中kij=Ki/Kj(i, j=1,2,3,4)。利用以上方程组求解元件的相对灵敏度,再取平均值(仍然用K表示):
K1=14∑4j=1kij, i=1,2,3,4.(3)
该相对灵敏度的大小应在理论值1.0附近。
2 标定实例
2.1 海原台四分量钻孔应变的基本资料
海原台应变钻孔位于青藏活动地块区祁连活动地块外缘边界带,历经了晋宁、加里东、华力西、印支、燕山和喜山各期构造运动,地层变质、褶皱和断裂变形强烈,构造十分复杂。发育有北东向和北西西向两组主要断裂。北东向断裂发育于南华山内部的变质岩系中,为前新生代活动断裂;北西西向断裂发育在南华山内部变质岩和南华山与海原盆地交界带上,其中尤以山盆交界构造─海原活动断裂带规模最大。
钻孔地处海原南华山自然保护区内,高程2 220 m。周围人烟稀少,无明显干扰源。钻孔在28.6～37.9 m间有一段较完整灰岩层,仪器探头安装于36.5 m处。水位距井口15 m,安装有辅助观测的水位仪和气压计。该应变仪自安装运行以来,资料稳定,整时值完整率为99.9%。4个元件的磁方位角分别为,1分量:111°,2分量:156°,3分量:201°,4分量:246°。
2.2 标定结果
(1)选用2007年10月至2009年7月间海原台4个分量应变的整时值,按月进行线性去倾,形成除去漂移的观测序列R1、R2、R3 和R4。为了分析各分量的观测值是否满足校核条件,首先将R1和R3以及R2和R4分别相加,得到两条面应变曲线(图4b),可见,两条面应变曲线的变化基本一致,满足校核条件,表明海原YRY—4型四分量应变仪观测到的是地层应变变化。再对除去漂移的四分量观测资料进行相对标定分析,每个月的标定系数、相关系数及标准偏差见表1所示。相对标定后,每个月面应变1+3和2+4的资料相关系数均显著增大,平均由0.896 9增大为0.943 2,标准偏差均明显减小,平均由0.392 3减小为0.204 6,标定后的数据比标定前有明显改善。
(2)由表1和图2可以得出,2007年10月至今,各元件的标定系数主要分布在0.8～1.2之间,与理论值1.0基本相符。2007年10月、11月的K值偏低,可能与仪器安装运行时间短,还处于快速“漂移”状态有关,而2007年12月～2008年1月的K值回到正常范围(以0.8～1.2为参考),2008年2～4月K值明显偏低,最低为0.177 0,严重偏离了理论值1.0的波动范围,其余时段除元件K3在2008年9～11月偏低(可能与1次3.8级、1次4.0级地震有关,地震参数见表2)之后恢复外,另外3个元件均处于正常变化范围。K1、