海原臺四分量鉆孔應變觀測的相對標定及資料應用＊

吳立辛,張立強,李國斌,郭宏斌

(寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

海原臺四分量鉆孔應變觀測的相對標定及資料應用＊

吳立辛,張立強,李國斌,郭宏斌

(寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

寧夏海原臺四分量鉆孔應變觀測的相對標定結果顯示,標定后分量 1、分量 3之和與分量 2、分量 4之和的資料相關性顯著增強,標準差明顯減小,更加滿足四分量應變儀的校核條件,表明該鉆孔應變觀測資料是可靠的。將各分量應變資料去趨勢,計算出面應變 1+3和 2+4、差應變 1-3和 2-4,對面應變、差應變資料和相對標定系數(shù)在 2008年4月 6日固原 3.8級、5月 12日汶川 8.0級、10月 3日固原 4.0級和 11月 24日固原 3.8級地震前的異常變化進行了分析探討。結果顯示,鉆孔應變觀測的相對標定及資料應用有助于地震前兆異常的判定識別。

鉆孔應變觀測;相對標定;震前異常;面應變;差應變

0 引言

四分量鉆孔應變觀測是 20世紀 80年代后發(fā)展起來的一種地震前兆觀測手段,地震專家圍繞鉆孔應變儀器改進(蘇愷之等,2003)、資料分析標定(邱澤華等,2003,2009;池順良等,2009)和震前異常判定(蔣靖祥等,2000;朱航,2003;邱澤華等,2009)等方面做了大量的工作。由于目前還難以直接標定井下鉆孔應變儀,對觀測到的應變信息是否可靠還存在疑問,在應用這些資料之前有必要對這些數(shù)據(jù)進行分析標定。近年來,邱澤華等(2005)、闞寶祥等(2009)利用互相垂直方向應力之和為不變量的特點,輪流以每個元件為標準分別計算靈敏度后再取平均值,得出四分量鉆孔應變觀測的實地相對標定方法。

寧夏海原地震臺 YRY—4型四分量鉆孔應變儀自 2007年9月安裝以來,儀器運行穩(wěn)定,觀測資料連續(xù),記錄的固體潮和地震波信息非常清晰。我們對該鉆孔應變觀測進行實地相對標定,結果顯示,標定后資料的相關性顯著增強,標準差明顯減小,驗證了該資料的可靠性。對面應變、差應變資料和相對標定系數(shù)在 2008年4月 6日固原3.8級、5月 12日汶川 8.0級、10月 3日固原 4.0級和 11月 24日固原 3.8級地震前的異?，F(xiàn)象進行了探討,表明相對標定可作為分析應用該應變資料的有效方法之一。

1 YRY—4型應變儀工作原理及其相對標定

YRY—4型四分量鉆孔應變儀為長圓筒徑向位移式儀器(池順良等,2007),在圓筒中部位置設有 4組徑向測微傳感元件,依次相隔 45°,能夠測量 4個方向圓筒直徑的微小變化(圖 1)。當圓筒探頭放入地層鉆孔,并用耦合介質(zhì)將探頭與地層連為一體后,通過儀器測量系統(tǒng)就能獲得地層鉆孔 4個方向的鉆孔孔壁徑向位移 S。

圖1 YRY—4型應變觀測儀平面示意圖Fig.1 Plane diagram of YRY-4 borehole strain meters

鉆孔的孔徑相對變化值 S一般是面應變和差應變的線性組合,即

式中,ε1、ε2為水平主應變,φ是ε1的方位角,θ為 S的方位角。A和 B是耦合系數(shù),與套筒內(nèi)、外徑,套筒材料,圍巖等的楊氏模量和泊松比等有關。當觀測到兩個垂直方向上的孔徑相對變化值后,分別代入(1)式,然后相加就可以消去(ε1-ε2)項,右邊只剩(ε1+ε2)面應變項。同理,兩個垂直方向上的值代入(1)式相減可以消去(ε1+ε2) 項 ,右邊只剩(ε1-ε2) 差應變項。因此,四分量鉆孔應變儀可以利用相互垂直方向上的應變之和為不變量的特點對不同元件的應變觀測進行互檢。在判斷儀器狀態(tài)、評定資料質(zhì)量以及核實資料異常時,校核條件(S1+S3=S2+S4)起到了非常重要的作用。地應變信號從地層傳入探頭,經(jīng)過機械、電子、數(shù)采到最后記錄,只有各個環(huán)節(jié)都正常時才能得到滿足校核條件的結果。

在實地相對標定時,設 Ri代表元件 i的觀測讀數(shù),Ki代表元件 i的靈敏度,則元件 i的孔徑相對變化為 Si=KiRi,校核條件的關系式為 K1R1-K2R2+K3R3-K4R4=0,該一次方程組只能確定靈敏度之間的相對大小,因此,稱為相對標定。由于各元件靈敏度的理論值為 1.0,在標定計算時可依次取 4個元件靈敏度為 1,求解另外 3個元件的靈敏度,形成 4個一次方程組

其中 kij=Ki/Kj(i,j=1,2,3,4)。利用以上方程組求解元件的相對靈敏度,再取平均值(仍然用 K表示):

該相對靈敏度的大小應在理論值 1.0附近。

2 標定實例

2.1 海原臺四分量鉆孔應變的基本資料

海原臺應變鉆孔位于青藏活動地塊區(qū)祁連活動地塊外緣邊界帶,歷經(jīng)了晉寧、加里東、華力西、印支、燕山和喜山各期構造運動,地層變質(zhì)、褶皺和斷裂變形強烈,構造十分復雜。發(fā)育有北東向和北西西向兩組主要斷裂。北東向斷裂發(fā)育于南華山內(nèi)部的變質(zhì)巖系中,為前新生代活動斷裂;北西西向斷裂發(fā)育在南華山內(nèi)部變質(zhì)巖和南華山與海原盆地交界帶上,其中尤以山盆交界構造─海原活動斷裂帶規(guī)模最大。

鉆孔地處海原南華山自然保護區(qū)內(nèi),高程2 220 m。周圍人煙稀少,無明顯干擾源。鉆孔在28.6～37.9 m間有一段較完整灰?guī)r層,儀器探頭安裝于 36.5 m處。水位距井口 15 m,安裝有輔助觀測的水位儀和氣壓計。該應變儀自安裝運行以來,資料穩(wěn)定,整時值完整率為 99.9%。4個元件的磁方位角分別為,1分量:111°,2分量:156°,3分量 :201°,4分量:246°。

2.2 標定結果

(1)選用 2007年10月至 2009年7月間海原臺 4個分量應變的整時值,按月進行線性去傾,形成除去漂移的觀測序列 R1、R2、R3和 R4。為了分析各分量的觀測值是否滿足校核條件,首先將 R1和 R3以及 R2和 R4分別相加,得到兩條面應變曲線(圖 4b),可見,兩條面應變曲線的變化基本一致,滿足校核條件,表明海原 YRY—4型四分量應變儀觀測到的是地層應變變化。再對除去漂移的四分量觀測資料進行相對標定分析,每個月的標定系數(shù)、相關系數(shù)及標準偏差見表 1所示。相對標定后,每個月面應變 1+3和 2+4的資料相關系數(shù)均顯著增大,平均由 0.896 9增大為 0.943 2,標準偏差均明顯減小,平均由 0.392 3減小為0.204 6,標定后的數(shù)據(jù)比標定前有明顯改善。

(2)由表 1和圖 2可以得出,2007年10月至今,各元件的標定系數(shù)主要分布在 0.8～1.2之間,與理論值 1.0基本相符。2007年10月、11月的 K值偏低,可能與儀器安裝運行時間短,還處于快速 “漂移”狀態(tài)有關,而 2007年12月～2008年1月的 K值回到正常范圍(以 0.8～1.2為參考),2008年2～4月 K值明顯偏低,最低為 0.177 0,嚴重偏離了理論值 1.0的波動范圍,其余時段除元件 K3在 2008年9～11月偏低(可能與 1次 3.8級、1次 4.0級地震有關,地震參數(shù)見表 2)之后恢復外,另外 3個元件均處于正常變化范圍。K1、K2和 K4均有 17個月的正常背景資料,占所用資料長度的 85%,K3具有 14個月的正常背景資料,占所用資料長度的 70%。目前,各 K值均處于正常范圍。

表1 四分量鉆孔應變儀相對標定結果Tab.1 Relative calibration coefficients of YRY-4 borehole strain meters

圖2 各元件的標定系數(shù) K值變化曲線Fig.2 Record curves of components relative calibration coefficients

表2 2008年4次地震參數(shù)Tab.2 Four seismic parameters in 2008

3 震前資料變化分析

將各分量應變的整時值按月線性去傾,分別計算面應變 1+3、2+4和差應變 1-3、2-4,再各取以“db5”為基函數(shù)的小波分解 5階近似(吳立辛等,2007),如圖 4b所示,2條面應變曲線變化形態(tài)相似,有很多重合時段,滿足分量應變的校核條件。面應變和差應變資料的正常背景值清晰、平穩(wěn),受當?shù)貧鈮?、井水位和降雨?采用距海原臺 30 km的鄭旗觀測點降雨資料)的影響不大。2008年4次顯著地震的參數(shù)見表 2,地震震中、鉆孔位置及斷層分布如圖 3所示,震前的面應變和差應變異常分析如下:

圖3 四分量鉆孔應變儀位置、各分量方向、斷層及震中分布圖Fig.3 Position of YRY-4 borehole strain meters and directions of components and faults and epicenters

圖4 海原臺氣壓 (a)、面應變 (b)、差應變 (c)、水位(d)及降雨量(e)變化圖Fig.4 Record curves of atmospheric pressure(a)and surface strain(b)and differential strain(c)and water level(d)and rainfall(e)at Haiyuan station

3.1 震前面應變異常分析

(1)4月 6日固原 3.8級和 5月 12日汶川 8.0級地震前,面應變 1+3曲線出現(xiàn)大的波動(圖4b),這可能與地震前的應變積累與調(diào)整有關。

(2)10月 3日固原 3.8級地震前,9月上旬 2條面應變曲線同步出現(xiàn)上升、下降、恢復的異常變化形態(tài),10月 1日,池順良等來短信交流 “認為海原應變資料存在異?！?我們也關注到該變化,并加密會商,但限于當時資料積累時間短,正常背景值偏少,故難以判定該應變資料為臨震異?！，F(xiàn)在“回過頭”來看,認為該變化是地震前兆異常的可能性較大。首先,降雨對應變觀測沒有明顯影響,降雨量、降雨次數(shù)均與井水位上升沒有明顯的相關性,而其它降雨時段相應的應變資料無異常變化。其次,鉆孔水位比較平穩(wěn),對應變資料沒有明顯影響。汶川地震的同震效應顯著,水位在震時下降了 50 cm,于 6月初恢復。9月 20日～10月 15日,水位出現(xiàn)先升后降的變化,上升幅度為 30 cm,其余時段維持在同一水平上。本次 3.8級地震前,面應變于 9月初已有升高的異常顯示,而井水位是 9月 20日才開始上升,即應變異常出現(xiàn)在水位上升之前,排除了應變異常是由水位上升因素所致的可能性?？偨Y來看,很可能是地層應變的壓性積累,導致了井孔“縮孔”,使地下裂隙水“承壓”后,井水位出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象。

(3)11月 24日固原 4.0級地震前,2條面應變曲線也出現(xiàn)了緩慢下降和逐步回升的異常變化。

3.2 震前差應變異常分析

(1)4月 6日固原 3.8級地震前,2條差應變曲線均出現(xiàn)了 2次轉折、恢復的現(xiàn)象(圖 4(c)),但不易識別。而 5·12汶川 8.0級地震前,2條差應變曲線出現(xiàn)交叉和大幅度的 “起落”現(xiàn)象,可能是大震前的地下應變積累和調(diào)整所致。

(2)10月 3日固原 3.8級地震前,差應變 1-3曲線出現(xiàn)小 “鼓包”現(xiàn)象(池順良等,2009),之后保持平穩(wěn)變化。而 2-4差應變曲線出現(xiàn)突跳、大幅度下降的過程,曲線整體保持低值,持續(xù)至今。

(3)10月 20日至 11月 24日固原 4.0級地震前,差應變 1-3曲線出現(xiàn)上升—下降的 “鼓包”現(xiàn)象,而差應變 2-4曲線無異常顯示。該現(xiàn)象與上述月標定系數(shù) K1、K2和 K4正常變化,僅 K3出現(xiàn)異常波動相一致。

4 討論與結論

(1)相對標定結果顯示,海原四分量應變儀的元件標定系數(shù)均比較穩(wěn)定,多數(shù)在理論值 1.0附近,其正常背景清楚,占資料長度的 70%以上。相對標定后面應變 1+3和 2+4的相關性更加顯著,標準差明顯減小,表明觀測儀器穩(wěn)定,觀測值可靠。由此認為,相對標定可成為分析、評價、應用應變資料的有效方法之一。

(2)在 5·12汶川地震和固原 2次中等地震前,標定系數(shù) K值均出現(xiàn)了顯著超正常范圍的低值。相比而言,元件 K3的波動變化最劇烈,11月24日固原 4.0級地震前僅有元件 K3出現(xiàn)低值異常。而元件 K3的方向與附近海原斷裂帶的走向近似垂直分布(圖 3),那么元件標定系數(shù)的變化與斷層蠕動有哪些對應關系?還有待積累資料再作討論。

(3)相互垂直方向上的應變之和相等成為判斷四分量應變儀工作狀態(tài)和資料異常的方法之一,而差應變更加靈敏,震前異常更為突出。海原臺四分量鉆孔應變的面應變、差應變及相對標定系數(shù)在 4次地震前有一定的異常顯示,為判定地震前兆異常提供了重要參考。

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The Relative Calibration and Its Application of 4-component Borehole Stra in Observation in Ha iYuan Station

WU L i-xin,ZHANG L i-qiang,L I Guo-bin,GUO Hong-bin
(Earthquake Adm inistration of N ingxia Hui Autonomous Region,Yinchuan750001,N ingxia,China)

The relative calibrated result of4-component borehole strain observation in Haiyuan station indicate the correlation betw een the sum of the calibrated component1and3and the one of component2and4increases significantly w ith few er standard error,and it hold goodness of fitw ith check condition of the4-component strain m eter.The result illustrates the observations data are credible.The strain data are m inus trend,and hold the surface strains1+3and2+4and the differential strains1-3and2-4.The data of the surface strain and differential strain and calibration coefficients display the abnorm al changes before the earthquakes,such as MS3.8in Guyuan June fourth,2008,MS8.0inW enchuanM ay tw elveth,2008,MS4.0in Guyuan O ct.third,2008and MS3.8in Guyuan D ec.24th,2008.The result indicates the relative calibration and its application of strain observation w ill be benefit for distinguishing precursory abnorm al before earthquake。

borehole strain observation,relative calibration,precursory abnorm al before earthquake,surface strain,differential Strain

P315.63

A

1000-0666(2010)04-0318-05

2009-06-12.

中國地震局三結合課題(200604)資助 .