兩種應(yīng)變儀的面應(yīng)變觀測資料的比對(duì)研究＊

張凌空 牛安福 閆 偉 吳利軍

1)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045 2)中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036

兩種應(yīng)變儀的面應(yīng)變觀測資料的比對(duì)研究＊

張凌空1)牛安福1)閆 偉1)吳利軍2)

1)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045 2)中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100036

對(duì)徐州地震臺(tái)的 YRY-4型分量式和 TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀,2008—2010年的面應(yīng)變?cè)加^測曲線、年變曲線、降雨干擾曲線、氣壓影響曲線和固體潮汐觀測結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)研究,并計(jì)算了各自的相關(guān)系數(shù)和影響系數(shù),總結(jié)了二者的共性和差異。

面應(yīng)變;固體潮;潮汐因子;降雨量;氣壓

1 引言

“十五”期間中國地震局進(jìn)行了大規(guī)模數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè),鉆孔應(yīng)變儀作為一類重要形變前兆觀測儀器,從 2007年下半年開始在全國許多臺(tái)站投入使用,據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心前兆數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì), YRY-4型分量式應(yīng)變儀建立了 40個(gè)測點(diǎn),TJ-2型體積式應(yīng)變儀建立了 80個(gè)測點(diǎn)。隨著兩種應(yīng)變儀的廣泛布設(shè),它們的面應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)是否一致、有何差別,是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)和儀器研制人員都急需搞清楚的重要問題,這對(duì)儀器工作的可靠性論證、確定資料的可信度和正確認(rèn)識(shí)地震觀測背景場有實(shí)際意義。江蘇徐州地震臺(tái)同時(shí)安裝了兩套這樣的應(yīng)變儀,并且已經(jīng)過 3年多的實(shí)際觀測,本文將利用這些觀測資料展開面應(yīng)變?cè)寂c觀測環(huán)境的對(duì)比研究。

2 觀測井和儀器概況

徐州地震臺(tái)位于云龍山東坡,基巖屬寒武紀(jì)灰?guī)r,巖性致密、節(jié)理發(fā)育。YRY-4型分量式和 TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變井相距約10 m,井深分別為51 m和 60 m。儀器探頭與井下巖石耦合均采用膨脹水泥固結(jié)方式。YRY-4型探頭主體長 400 mm,外徑107 mm,內(nèi)裝 4個(gè)方向的徑向位移電容測微傳感器(相互間隔 45°),測量基線為 0.1 m,當(dāng)巖石應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)可同時(shí)測量 4個(gè)方向的孔徑相對(duì)變化;TJ-2型探頭總長 1.3 m,外徑 89 mm,當(dāng)巖石對(duì)儀器鋼筒產(chǎn)生擠壓作用時(shí),筒內(nèi)硅油的壓力會(huì)發(fā)生改變,從而可直接測得體應(yīng)變變化。

3 面應(yīng)變年變與降雨

選取徐州臺(tái)校正后的 YRY-4型面應(yīng)變[1]和 TJ-2型體應(yīng)變換算后的面應(yīng)變整點(diǎn)值原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析(圖 1),兩組曲線的共同特征表現(xiàn)為近于線性的壓性積累,YRY-4的積累速率為 25.96× 10-9/天,TJ-2的為 26.62×10-9/天 (曲線向上表示探頭受壓,向下則為膨脹)。

圖1 YRY-4型與 TJ-2型鉆孔應(yīng)變儀面應(yīng)變?cè)加^測曲線Fig.1 Original observation curve of plane strain with YRY-4-type and TJ-2-type borehole strainmeter

圖2為去除趨勢變化后面應(yīng)變年變曲線。從圖2可見,兩曲線基本特征相同,并與 TJ-2井水位變化一致,即 7、8兩月均有一個(gè)隆起,這與降雨量最集中的時(shí)段相對(duì)應(yīng),降雨開始后面應(yīng)變、井水位曲線上升,雨量減少或停止后曲線上升轉(zhuǎn)緩或轉(zhuǎn)折下降,這些變化特征與前人的研究結(jié)果基本一致[2-5]。值得注意的是,降雨不一定保證會(huì)引起年變,對(duì)于周圍存在農(nóng)田季節(jié)性抽水的臺(tái)站,由于抽水持續(xù)時(shí)間長(每年集中在 4—6月和 10—11月)、干擾顯著,因而觀測曲線年變反映的是抽水影響[6];對(duì)于周圍雖有抽水井,但受地下水波動(dòng) (抽水、降雨)影響較小的臺(tái)站,年周期氣壓波作用則是形成曲線年變的原因[7];如果降雨后曲線在短時(shí)間內(nèi)能恢復(fù)到原來的水平,則曲線也不會(huì)出現(xiàn)年變,只形成脈沖突跳。

圖2 面應(yīng)變、井水位、氣壓和降雨量年變曲線Fig.2 Annual curves of plane strain,well water level,atmospheric pressure and rainfall

比較圖 2(a)、(b)可知,YRY-4型面應(yīng)變年變幅明顯比 TJ-2型小(約 3/5),說明降雨對(duì) TJ-2型應(yīng)變儀干擾大。2008年 7月 22、23、24日和 8月 3日普降特大暴雨,日降雨量都在 130 mm以上,總降雨量達(dá) 494 mm,但與 2009年相比,降雨影響并沒有明顯增強(qiáng),有可能是這幾天強(qiáng)降雨還沒來得及完全充分滲入地下,相當(dāng)一部分就在地表巖層上流失了,即有效降雨量并沒有實(shí)際記錄的那么多。根據(jù)年變和有效降雨量計(jì)算出 3年 YRY-4型、TJ-2型面應(yīng)變及井水位降雨影響系數(shù)平均值分別是 2.04×10-9/ mm、3.68×10-9/mm和 0.352 mm/mm,小于大雨連綿多日的影響。

圖3為 2009-08-03—16日的記錄曲線,降雨發(fā)生在 6日 2—7時(shí)和 8日 1—7時(shí),降雨量分別為89.3 mm與 80.9 mm。從圖 3能夠清晰地看出面應(yīng)變起始上升時(shí)間與降雨開始時(shí)間基本同步,7日 4時(shí)和 9日 4時(shí)分別同時(shí)轉(zhuǎn)折下降,即兩次降雨結(jié)束后又先后上升了 20和 44小時(shí)。不同之處是兩曲線回落幅度不同,YRY-4型大約是 TJ-2型的 2.6倍。在 2次降雨中井水位觀測曲線都發(fā)生了轉(zhuǎn)折,起始上升時(shí)間均約滯后降雨 10小時(shí),但受降雨的影響時(shí)間較長,大約到 17日曲線才開始轉(zhuǎn)平。該實(shí)例說明雨水通過巖石層向井中滲透需要一定時(shí)間,并且效率較低,同時(shí)也表明降雨時(shí)面應(yīng)變上升是由于含水層水量增加,巖石孔隙壓力增大所致,降雨結(jié)束后鉆孔周邊含水層水量逐漸擴(kuò)散減少,巖石孔隙壓力降低導(dǎo)致面應(yīng)變下降。另一方面,一年當(dāng)中降雨不是連續(xù)的,而呈間歇性,每一次降雨面應(yīng)變都呈壓性上升,之后暫時(shí)有所恢復(fù),但并沒有回落到原來水平,不久第二次降雨來臨,曲線再次上升,所以在雨季面應(yīng)變總的變化趨勢呈上升狀。根據(jù)各年 7、8月份典型的降雨實(shí)例,可分別算得降雨影響系數(shù)(表 1),進(jìn)而求得這 3年的平均值。與前面由年變求得的降雨影響系數(shù)相比較,TJ-2型和井水位與之相近,但YRY-4型明顯偏大,大約是其 1.78倍,這是因?yàn)榻涤晖Ｖ购?YRY-4型曲線回落速度快、幅度大,導(dǎo)致整個(gè)雨季其年變整體上升的幅度相對(duì)較小,因而求得的數(shù)值比由幾天尺度得到的結(jié)果低,這也正是其年變曲線在雨季呈現(xiàn)脈沖狀變化的原因 (圖 2),而TJ-2型和井水位曲線相對(duì)平滑的多。兩種面應(yīng)變受降雨影響的不同,反映了巖石井孔所受到的徑向壓力與圍壓之間存在差異。

表1 降雨對(duì)面應(yīng)變、井水位的影響系數(shù)(單位:mm)Tab.1 Influence coefficient of ra infall on plane stra in, well water level(un it:mm)

圖3 面應(yīng)變、井水位受降雨影響的比對(duì)Fig.3 Comparison between plane strain and wellwater level affected by rainfall

4 面應(yīng)變變化與固體潮汐變化

面應(yīng)變與理論固體潮的回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)的關(guān)系如圖 4所示。YRY-4型回歸系數(shù)的平均值為 b =0.992,相關(guān)系數(shù)平均值為 R=0.899,TJ-2型的為b=1.441和 R=0.963;相關(guān)系數(shù)都在 7、8月份達(dá)到最低值,說明在日波、半日波頻段面應(yīng)變同樣受到強(qiáng)降雨的顯著影響,與 TJ-2型比較 YRY-4型受影響較顯著。

面應(yīng)變M2波潮汐因子及其觀測精度為：YRY-4型潮汐因子的平均值為 0.986,精度平均值為 ± 1.91%;TJ-2型的為 1.544與 ±0.90%。面應(yīng)變的潮汐因子和觀測精度均在 7、8月份達(dá)到極值,顯然也受到了強(qiáng)降雨的干擾(圖 4)。

從圖 4可見,YRY-4型面應(yīng)變固體潮回歸系數(shù)和潮汐因子在 2010年 8—10月都有一個(gè)同步的低值變化過程,而 TJ-2型沒有這種變化,后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) YRY-4型儀器的穩(wěn)定性存在問題。

5 氣壓變化對(duì)面應(yīng)變的影響

5.1 日、半日周期氣壓波對(duì)面應(yīng)變的影響比對(duì)

對(duì)面應(yīng)變作月、日、半日與氣壓的回歸分析,其回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)曲線如圖 5所示。從圖 5可見,二者變化的一致性較好;YRY-4型回歸系數(shù)平均值為 1.440×10-9/hPa,相關(guān)系數(shù)平均值為0.228,TJ-2型的為 2.775×10-9/hPa和 0.507,顯然后者與氣壓的相關(guān)性優(yōu)于前者;面應(yīng)變與氣壓的相關(guān)系數(shù)皆在 7、8月份達(dá)到最低值,說明在日波、半日波同樣受強(qiáng)降雨的干擾明顯。

5.2 月周期氣壓波對(duì)面應(yīng)變的影響比對(duì)

對(duì)周期為幾天至十幾天的信號(hào)采用別爾采夫?yàn)V波法和多項(xiàng)式分段曲線擬合法進(jìn)行處理,得到面應(yīng)變與氣壓的月回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)曲線如圖 5,從圖 5可見,二者大致成正比。YRY-4型回歸系數(shù)平均值為 b=-3.30×10-9/hPa,相關(guān)系數(shù)平均值為 R =0.224,TJ-2型則為 b=0×10-9/hPa,R=0.324?？梢妰煞N面應(yīng)變與月周期氣壓波的相關(guān)性總體上都不太好,只有在年初和年末不受降雨影響時(shí) b、R值才比較高。

6 結(jié)論

1)YRY-4型與 TJ-2型面應(yīng)變?cè)加^測曲線都呈持續(xù)壓性上升變化,積累速率前者略小于后者,分別為 25.96×10-9/天和 26.62×10-9/天。

圖4 面應(yīng)變與固體潮汐的關(guān)系及M2波潮汐因子比對(duì)Fig.4 Relationship of plane strain with solid tide and comparison between theirM2 wave tidal factors

圖5 面應(yīng)變與氣壓的關(guān)系Fig.5 Relations between plane strain and at mospheric pressure

2)兩種面應(yīng)變觀測曲線都存在年變,且是由降雨所引起,每年的強(qiáng)降雨主要集中在 7、8月份,這段時(shí)間對(duì)面應(yīng)變觀測的影響最大。從細(xì)節(jié)看每次降雨結(jié)束后 YRY-4型面應(yīng)變曲線回落的速度比 TJ-2型快,大約是其 2.6倍,二者平均降雨影響系數(shù)分別是3.63×10-9/mm和 3.74×10-9/mm。

3)兩種面應(yīng)變都記錄到清晰的固體潮汐變化,與固體潮的相關(guān)系數(shù)和回歸系數(shù)曲線皆存在年變,且都在雨季達(dá)到最低值,YRY-4型回歸系數(shù)平均值為 0.992,相關(guān)系數(shù)平均值為 0.899,相位超前理論值約 0.4小時(shí),TJ-2型則分別為 1.441和 0.963,且相位與理論值基本同步。

4)兩種面應(yīng)變M2波潮汐因子和觀測精度曲線都在雨季達(dá)到極值,說明同時(shí)受到強(qiáng)降雨的干擾, YRY-4型潮汐因子平均值是 0.986,精度平均值為±1.91%,TJ-2型分別是 1.544和 ±0.90%。

5)YRY-4型應(yīng)變儀有時(shí)存在潮汐觀測幅度自動(dòng)變小而偏離理論值的現(xiàn)象,可能是儀器格值(10-9/mV)發(fā)生了某種改變。

6)在日波、半日波頻段,兩種面應(yīng)變?cè)谝欢ǔ潭壬隙际艿綒鈮翰ǖ挠绊?YRY-4型面應(yīng)變與氣壓的回歸系數(shù)平均值為 1.440×10-9/hPa,相關(guān)系數(shù)平均值為 0.228,TJ-2型則分別為 2.775×10-9/hPa和 0.507,各系數(shù)曲線同樣受到強(qiáng)降雨的顯著干擾。

7)在月波頻段(周期為幾天到十幾天),兩種面應(yīng)變也受到了氣壓波的影響,尤其在年初和年末二者受氣壓的影響顯著,YRY-4型氣壓影響系數(shù)可達(dá)2.982×10-9/hPa,相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.828,TJ-2型為2.714×10-9/hPa和 R=0.830,但在雨季與氣壓的關(guān)系明顯變差。

致謝 感謝邱澤華、蘇愷之研究員和李蘭生臺(tái)長提供相關(guān)資料及幫助!

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2 劉序儼,張雁濱.排除形變觀測數(shù)據(jù)中降水干擾的數(shù)學(xué)物理方法的研究[J].地殼形變與地震,1991,(1)：36-40. (Liu Xuyan and Zhang Yanbin.Studies mathematics and physicalmethod for elimination of precipitation influence on crustal information data[J].CrustalDefor mation and Earthquake,1991,(1)：36-40)

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COM PARIATIVE STUDY BETW EEN PLANE STRA IN OBSERVED DATA W ITH YRY-4-TYPE COM PONENT BOREHOLE STRA INM ETER AND TJ-2-TYPE VOLUM ETRIC BOREHOLE STRA INM ETER

ZhangLingkong1),Niu Anfu1),Yan wei1)andWu Lijun2)

(1)China Earthquake Net works Center,B eijing 100045 2)Institute of Earthquake Science,CEA,B eijing 100036)

During the tenth five-year plan,a set of YRY-4-type componenet borehole strainmeter and a set of TJ-2-type volumetric borehole strainmeterwere installed in Xuzhou seis mostation.At present the observed original plane strain curves from 2008 to 2010,the annual change of plane a systematic comparative study on strain curves, rainfall interference of plane strain curves,pressure interference of plane strain curves and the solid tidal observations is carried out and the respective correlation coefficient and influence coefficient are calcucated as well.This work has practical significance to demonstrate the reliability of the instrumentation,deter mine the credibility of the information and for correctly understanding of seismic background.

plane strain;solid tide;tidal factor;rainfall;atmospheric pressure

1671-5942(2011)04-0022-05

2011-03-23

中國地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201108009)

張凌空,男,1962年生,高級(jí)工程師,主要從事鉆孔應(yīng)變和地形變等前兆方法的觀測研究.E-mail：zhll1023@163.com

P315.73

A