北京百善深井鉆孔應(yīng)變儀觀測資料可靠性分析*

吳立恒 李 濤 陳 征

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

北京百善深井鉆孔應(yīng)變儀觀測資料可靠性分析*

吳立恒 李 濤 陳 征

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

通過參考元件穩(wěn)定性，固體潮潮汐因子分析，相互垂直元件計(jì)算的面應(yīng)變相關(guān)性三個(gè)方面，分析了北京百善深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)的可靠性，分析說明北京百善深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)具有較高的一致性和可靠性。

深井鉆孔應(yīng)變儀;可靠性;系統(tǒng)自檢;固體潮調(diào)和分析;面應(yīng)變

1 引言

鉆孔應(yīng)變儀是揭示中短期(從數(shù)秒到數(shù)月)地殼連續(xù)變形的理想儀器，尤其在短臨前兆觀測中占有重要位置［1］。因此，鉆孔應(yīng)變儀的研制與應(yīng)用得到了國內(nèi)外同行的高度重視。

對于鉆孔應(yīng)變儀觀測資料的可靠性分析，不少學(xué)者進(jìn)行過討論。如對同一或相近臺站安裝不同類型的鉆孔應(yīng)變儀或傾斜儀，對其觀測資料進(jìn)行對比分析和驗(yàn)證其資料的可靠性［2］;對分量式鉆孔應(yīng)變儀采用兩組相互垂直的元件計(jì)算的面應(yīng)變進(jìn)行自檢［3］;對分量式鉆孔應(yīng)變儀通過實(shí)地絕對標(biāo)定與實(shí)地相對標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定參數(shù)的一致性和穩(wěn)定性來檢驗(yàn)鉆孔應(yīng)變儀觀測資料的可靠性等［4，5］。

北京百善觀測點(diǎn)于2008年10月安裝了RZB多分量鉆孔應(yīng)變儀。此應(yīng)變儀由兩個(gè)4分量探頭(8個(gè)不同方向的工作元件)集成而成，同時(shí)裝有參考元件。本文將利用該井近3年的觀測數(shù)據(jù)對其深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。

2 北京百善RZB深井應(yīng)變

北京百善RZB井位于昌平區(qū)百善鎮(zhèn)，應(yīng)變儀安裝深度為210 m。此應(yīng)變儀由兩個(gè)4分量的RZB鉆孔應(yīng)變儀構(gòu)成，其元件安裝方向如表1所示，探頭與巖石的接觸采用微膨脹水泥使其耦合。該儀器于2008年10月安裝成功并開始連續(xù)記錄。

表1 北京百善RZB深井多分量鉆孔應(yīng)變儀元件方位Tab.1 The component orientation of RZB deep strain meter in Baishan，Beijing

3 參考元件的穩(wěn)定性分析

圖1是2009年2月各工作元件的應(yīng)變記錄曲線。圖1表明8個(gè)元件都能清晰地記錄到固體潮汐信號以及趨勢性應(yīng)變變化。

5號元件是RZB鉆孔應(yīng)變儀研制時(shí)設(shè)計(jì)的一個(gè)獨(dú)有元件，它作為參考元件放置在探頭內(nèi)，主要考察在深井環(huán)境下工作的傳感器自身的長期穩(wěn)定性和測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。對5號元件的分析結(jié)果表明:該元件的年變化量為3×10-9量級(表2)，說明該儀器具有較好的長期穩(wěn)定性。

對5號元件記錄數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果為:觀測數(shù)據(jù)符合N(37.34×10-8，(3.2×10-10)2)正態(tài)分布，在2σ置信區(qū)間為(37.28×10-8，37.40× 10-8)，置信概率為95.44%;系統(tǒng)噪聲水平在10-10應(yīng)變量級。

表2 北京百善深井多分量觀測系統(tǒng)參考元件年變化量(單位：10-8)Tab.2 Annual variation of the reference component(unit：10-8)

4 固體潮調(diào)和分析

利用中國地震前兆臺網(wǎng)運(yùn)行評價(jià)系統(tǒng)對2010年9—12月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析［6］，得到的結(jié)果如表3、4所示。

由表3結(jié)果可知，除1號元件的固體潮調(diào)和分析結(jié)果的相對誤差略大外，其他受力元件在2010年9—12月都遠(yuǎn)小于0.05，觀測數(shù)據(jù)內(nèi)精度高，完全符合地殼形變觀測技術(shù)的要求。由表4結(jié)果可知，百善深井RZB鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)各元件計(jì)算的面應(yīng)變潮汐因子雖然存在差異，但自身非常穩(wěn)定，相對誤差也非常小，說明整個(gè)測量系統(tǒng)具有較高的觀測精度和可靠性。

圖1 2009年2月各元件應(yīng)變記錄月曲線Fig.1 Monthly curves of the strain records of all the components in February 2009

表3 觀測系統(tǒng)線應(yīng)變調(diào)和分析結(jié)果Tab.3 Venedikov results of harmonic analysis of the linestrain

表4 面應(yīng)變調(diào)和分析結(jié)果Tab.4 Venedikov results of tidal harmonic analysis of plain train

5 觀測系統(tǒng)自檢

根據(jù)鉆孔加襯模型，當(dāng)探頭和圍巖耦合處于理想狀態(tài)時(shí)，鉆孔θ方向的孔徑相對變化為［7，8］:

如果將兩個(gè)相互垂直的孔徑相對變化的測值相加，有

通過式(2)可以對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢。百善深井鉆孔應(yīng)變儀安裝上相互垂直的元件有1號和3號，2號和4號，6號和8號，7號和9號，可以通過四組垂直元件計(jì)算的面應(yīng)變的結(jié)果一致性，說明探頭和圍巖的耦合情況，考察記錄資料的可靠。用此方法，對2010年12月北京百善數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直元件相加求面應(yīng)變處理，曲線如圖2所示，由此可見;通過4組不同垂直元件所得面應(yīng)變結(jié)果，在變化趨勢上具有較好的一致性。此外，從圖2上我們能很直觀的發(fā)現(xiàn)，其中運(yùn)用1號、3號和2號、4號元件的數(shù)據(jù)分別計(jì)算的兩組面應(yīng)變結(jié)果相似度很高。因此使用此兩組計(jì)算的面應(yīng)變結(jié)果會(huì)更可靠，更有分析研究價(jià)值。在此基礎(chǔ)上采用排列組合的方式進(jìn)行各組相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)如表5所示。從表5可知，北京深井鉆孔觀測系統(tǒng)耦合優(yōu)良，數(shù)據(jù)可靠。

圖2 2010年12月數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 Data curves in December 2010

一般的鉆孔應(yīng)變儀只有4個(gè)受力元件，將1號+3號和2號+4號進(jìn)行自檢時(shí)，只能得到一個(gè)相關(guān)性系數(shù)，無法判別是哪組元件工作狀態(tài)更優(yōu)、測值更真實(shí)可靠。但北京百善深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)有兩個(gè)探頭，可以通過兩兩組合進(jìn)行相關(guān)性分析，以驗(yàn)證哪組元件的測值更真實(shí)可靠，驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。從表5可以發(fā)現(xiàn)，8個(gè)元件的自檢相關(guān)性系數(shù)都很高，說明該系統(tǒng)2010年12月的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高。此外，我們認(rèn)為自檢相關(guān)性系數(shù)的結(jié)果可進(jìn)一步分析各元件工作狀態(tài)的優(yōu)劣，對于以后數(shù)據(jù)的分析利用提供權(quán)重的參考信息，有利于科學(xué)的運(yùn)用這些數(shù)據(jù)。從表5中我們發(fā)現(xiàn)7號、9號元件的自檢相關(guān)性系數(shù)略低于其他組，那么我們認(rèn)為，在使用7號，9號元件的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，可適當(dāng)降低其信任度。而1號、2號、3號、4號、6號、8號工作狀態(tài)優(yōu)異，測數(shù)真實(shí)可靠，更適合進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析運(yùn)用。

表5 元件自檢相關(guān)性系數(shù)Tab.5 Component self-correlation coefficient

6 結(jié)論

1)百善深井鉆孔應(yīng)變儀參考元件的年漂移為3 ×10-9，且年漂移量穩(wěn)定。通過噪聲分析說明此系統(tǒng)的噪聲水平在10-10應(yīng)變量級。

2)系統(tǒng)線應(yīng)變、面應(yīng)變固體潮調(diào)和分析說明百善深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)具有較高的一致性和可靠性。

3)系統(tǒng)自檢的相關(guān)系數(shù)在(0.863，0.957)區(qū)間，自檢效果良好，說明百善深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)觀測可靠。

1 邱澤華，石耀霖國外鉆孔應(yīng)變觀測的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.地震學(xué)報(bào)，2004，26(增):481-488.(Qiu Zehua and Shi Yaolin.Developments of borehole strain observation outside China［J］.Acta Seismlogica Sinica，2004，26(Supp.):481 -488)

2 張國紅，等.鉆孔應(yīng)變資料的可靠性分析［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，(增):62-66.(Zhang Guohong，et al. Reliability analysis of borehole strainmetry observations［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(Supp.):62-66)

3 李濤，等.RZB型鉆孔應(yīng)變儀在青藏高原東緣地應(yīng)力監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，47 (4):677-683.(Li Tao，et al.The application of the RZB borehole strainmeter in crustal stress observation at the eastern margin of the Tibet Plateau［J］.Acta Scientiarum Naturalium Unicersitatis Pekinensis，2011，47(4):677-683)

4 邱澤華，石耀霖，歐陽祖熙.四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實(shí)地絕對標(biāo)定［J］.地震，2005，25(3):27-34.(Qiu Zehua，Shi Yaolin and Ouyang Zuxi.Absolute calibration of 4-component borehole trainmeters in situ［J］.Earthquake，2005，25(3): 27-34)

5 邱澤華，石耀霖，歐陽祖熙.四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實(shí)地相對標(biāo)定［J］.大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，(1):118-122.(Qiu Zehua，Shi Yaolin and Ouyang Zuxi.Relative insitu calibration of 4-component borehole strain obversation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(1):118-122)

6 蔣駿，等.地震前兆信息處理與軟件系統(tǒng)［M］.北京:地震出版社，2000.(Jiang Jun，et al.Earthquake precursor information disposal and software system［M］.Beijing:Seismological Press，2000)

7 潘立宙.測量地應(yīng)力的鉆孔變形法［A］.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所和國家地震局地震地質(zhì)大隊(duì)編.地應(yīng)力測量的原理和應(yīng)用［C］.北京:地質(zhì)出版社，1981.(Pan Lizou.Borehole deformation method of ground stress measurement［A］.Principles and Application of Ground Stress Measurement［C］.Beijing:Geological Press，1981)

8 潘立宙.與地應(yīng)力測量有關(guān)的幾個(gè)公式的推導(dǎo)和討論［A］.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所和國家地震局地震地質(zhì)大隊(duì)編.地應(yīng)力測量的原理和應(yīng)用［C］.北京:地質(zhì)出版社，1981.(Pan Lizou.Derivation of several formulas with their application to in-situ stress measurements［A］.Principles and Application of Ground Stress Measurement［C］.Beijing:Geological Press，1981)

RELIABILITY ANALYSIS OF DEEP BOREHOLE STRAINMETER DATA IN BEIJING BAISHAN

Wu Liheng，Li Tao and Chen Zheng
(The Institute of Crustal Dynamics，CEA Beijing 100085)

Deep borehole strainmeter was installed in Beijing Baishan in October 2008，it has accumulated a lot of observations which provides the basis for the reliability analysis.We analyzed system reliability from stability of the reference component，harmonic tidal factor，and correlation analysis of the plane strain calculated by perpendicular component.In the conclusion，Beijing Baishan deep borehole strainmeter has high consistency and reliability，it can provide reliable and credible observations for geophysics research and earthquake prediction.

deep borehole strainmeter;reliability;system self-test;tidal harmonic analysis;plane strain

1671-5942(2012)03-0041-04

2012-05-03

中國地震局地殼應(yīng)力研究所基本科研專項(xiàng)基金(ZDJ2010-31-01，ZDJ2011-03)

吳立恒，女，1980年生，碩士，助理研究員，現(xiàn)主要從事地震前兆儀器傳感器的研制.E-mail:smiling-lily8013@163.com

TH762.2

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