鄒城臺鉆孔應(yīng)變更換探頭前后數(shù)據(jù)精度評價

徐芳芳 朱成林 賈 媛 李 杰 周長禮 周均太

1 山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014

鉆孔應(yīng)變觀測是研究地殼運動的手段之一，主要分為體積式和分量式(包括RZB-2和YRY-4分量式鉆孔應(yīng)變)兩種，觀測分辨率達10-10，可以記錄到各種應(yīng)變潮汐信息。鉆孔應(yīng)變觀測是通過測量鉆孔孔徑變化來直接或間接計算地殼應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)相對變化的，可記錄到與地震的孕育及發(fā)生直接相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變信息。目前，國內(nèi)許多專家已在相關(guān)領(lǐng)域開展了研究工作[1-2]，部分學(xué)者對客觀評定鉆孔應(yīng)變四分量觀測資料質(zhì)量的方法進行了分析[3-5]，為科學(xué)應(yīng)用四分量鉆孔應(yīng)變觀測資料奠定了基礎(chǔ)。本文選取鄒城地震臺RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變2020-01～2021-07更換探頭前后的數(shù)據(jù)資料，利用相對標(biāo)定、四分量自檢分析、M2波潮汐因子相對中誤差計算及與同臺站TJ-2體應(yīng)變觀測資料進行相關(guān)性對比等方法，計算更換探頭前后儀器的內(nèi)精度、自檢情況及M2波潮汐因子精度，以綜合分析分量式鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和觀測數(shù)據(jù)的可靠性。

1 臺站及儀器概況

鄒城地震臺位于鄒城市吉玉山東南麓，海拔138 m，地處尼山斷裂與嶧山斷裂之間，地勢北高南低，地表出露巖性為花崗巖，地下水埋深4～5 m。臺站周圍無大型工業(yè)廠房施工，周邊有幾處作坊使用地下水，對臺站儀器產(chǎn)生一定影響。RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變安裝于2017-11-29，鉆孔開口孔徑為146 mm，終孔孔徑為130 mm，孔井基巖完整，探頭深度81 m，應(yīng)變探頭內(nèi)應(yīng)變傳感器由上到下依次呈順時針45°排列，NS分量方位角為NW5°，EW分量方位角為SW5°，NE分量方位角為NE40°，NW分量方位角為NW40°，于2019-06接入前兆數(shù)據(jù)庫。因EW分量故障，2020-10-29更換探頭并重新安裝，新探頭深度73 m，方位角不變，采樣率均為秒采樣。自運行以來，儀器觀測數(shù)據(jù)固體潮清晰，有年變趨勢。TJ-2體應(yīng)變安裝于2015-12-12，鉆孔深度71 m，探頭在井下68 m處，水位探頭在水下8 m處，2017-02正式加入中國地震局前兆臺網(wǎng)管理系統(tǒng)，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，2臺儀器相距5 m。

2 評價指標(biāo)

2.1 相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度

四分量應(yīng)變自洽好壞關(guān)系到觀測數(shù)據(jù)的可信度。儀器探頭安裝最重要的條件是孔井基巖要完整，當(dāng)孔井基巖完整時，儀器觀測系統(tǒng)基本符合自洽方程。而在有完整基巖的孔井中，也可能因為元件靈敏度發(fā)生變化，造成與實驗室靈敏度不同，導(dǎo)致觀測偏離自洽。邱澤華等[3]根據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變觀測的特點，提出四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實地相對標(biāo)定方法，唐磊等[4-5]則在此基礎(chǔ)上改進了相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度法，進一步保證客觀地評價數(shù)據(jù)質(zhì)量。相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度法的具體計算原理見文獻[4]。

根據(jù)月數(shù)據(jù)，選用整點值計算得到2020-01～2021-07鄒城臺RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變觀測資料的相對標(biāo)定結(jié)果及年平均相對標(biāo)定結(jié)果，具體見表1。通過對比探頭更換前(2020-01～09)和更換后(2020-12～2021-07，因2020-11儀器零漂較大不參與計算)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，更換探頭后鉆孔應(yīng)變各分量每月K值明顯增大，偏差S明顯減小，自檢內(nèi)精度指標(biāo)α數(shù)值大幅度降低，表明更換探頭后觀測數(shù)據(jù)的內(nèi)精度明顯增高。

表1 鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變2020-01～2021-07觀測資料相對標(biāo)定結(jié)果

鉆孔施工方、儀器安裝專家及臺站技術(shù)人員對更換探頭前觀測數(shù)據(jù)內(nèi)精度較低的情況共同進行了分析。首先，由于鉆井工藝問題，在探頭安裝并灌注水泥后，泥漿無法完全固結(jié)，導(dǎo)致探頭與圍巖耦合效果不好[2,6]。而更換探頭時，泥漿已經(jīng)過長時間沉淀，探頭與圍巖耦合效果較好，因此內(nèi)精度較高。由于臺站周邊存在抽水干擾，需結(jié)合四分量自檢和M2潮汐因子相對中誤差對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行進一步分析。

2.2 數(shù)據(jù)自檢分析

鉆孔應(yīng)變各觀測時刻滿足雙襯套模型觀測方程組[7]：

(1)

式中，Si(i=1,2,3,4)為分量式鉆孔應(yīng)變的4個觀測分量，ε1為最大主應(yīng)變，ε2為最小主應(yīng)變，φ為最大主應(yīng)變方向，θ為第1個分量的方位角，A、B為與鉆孔各層材料的彈性參數(shù)和半徑相關(guān)的耦合系數(shù)。據(jù)此方程組可以得到：

S1+S3=S2+S4=2A(ε1+ε2)

(2)

式(2)即為四分量鉆孔應(yīng)變觀測特有的自恰方程，可以計算面應(yīng)變，從而驗證鉆孔應(yīng)變觀測結(jié)果的可靠性和儀器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性[8]。采用整點值計算2組面應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)越接近1表明觀測系統(tǒng)越穩(wěn)定。為對比降雨的影響，采用鉆孔水位數(shù)據(jù)進行對比分析(圖1)，計算結(jié)果表明，RZB-2鉆孔應(yīng)變在更換探頭前2組面應(yīng)變相關(guān)性較低(圖2(a))，更換探頭后2組面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)較高，接近1，具有很好的同步特征(圖2(b))，說明鄒城臺RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變在更換探頭后觀測系統(tǒng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)符合四分量鉆孔應(yīng)變觀測原理。

圖1 鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)自檢分析Fig.1 Surface strain sliding correlation analysis of RZB-2 borehole strain at Zoucheng station

圖2 鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變2組面應(yīng)變滑動相關(guān)性分析Fig.2 Observation system self-checking analysis of RZB-2 borehole strain at Zoucheng station

2.3 潮汐因子相對中誤差分析

應(yīng)變固體潮M2波潮汐因子的內(nèi)精度是指M2波潮汐因子與M2波潮汐因子中誤差的比值，即潮汐因子相對中誤差[6]。可用該指標(biāo)數(shù)值大小來說明觀測固體潮數(shù)據(jù)的可靠性，相對中誤差(內(nèi)精度)數(shù)值越小，說明觀測值越可靠。選取鄒城臺

RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變和TJ-2體應(yīng)變2020-01～2021-07整點值觀測資料，利用維尼迪柯夫調(diào)和分析方法進行逐月分析，計算2套鉆孔應(yīng)變M2波潮汐因子相對中誤差。由圖3可以看出，鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變潮汐因子內(nèi)精度在2020-01～08較差，平均為0.016 7，TJ-2體應(yīng)變內(nèi)精度較高，平均為0.008 2；2021-01以來，鉆孔應(yīng)變各分量數(shù)據(jù)內(nèi)精度較差，平均為0.073 7，體應(yīng)變平均內(nèi)精度為0.008 4。經(jīng)現(xiàn)場核實發(fā)現(xiàn)，2020-12在距離臺站東側(cè)約200 m處新增一作坊，不定時通過30 m深抽水井進行抽水，導(dǎo)致干擾明顯，在2021-01及春季3～5月尤其嚴重，EW分量曲線干擾顯著。根據(jù)TJ-2體應(yīng)變和RZB-2鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變相關(guān)性分析(圖4)可知，雖然鉆孔應(yīng)變潮汐因子的內(nèi)精度較差，但2套儀器的面應(yīng)變相關(guān)性較高，說明觀測系統(tǒng)的運行是穩(wěn)定可靠的；而TJ-2體應(yīng)變幾乎不受抽水干擾，RZB-2鉆孔應(yīng)變受抽水干擾嚴重，可能由于TJ-2體應(yīng)變與RZB-2鉆孔應(yīng)變觀測的分辨率相差2個量級，且RZB-2鉆孔應(yīng)變在體應(yīng)變東側(cè)5 m處，距離抽水井更近。另外，鉆井之間可能存在一定的裂隙，導(dǎo)致儀器對干擾的響應(yīng)程度不一致。

圖3 鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變更換探頭前后觀測精度曲線Fig.3 Observation precision curves before and after change sensor probe of RZB-2 borehole strain at Zoucheng station

2.4 相關(guān)性分析

鄒城臺TJ-2體應(yīng)變2017年正式加入中國地震前兆臺網(wǎng)以來，觀測資料精度較高。RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變和TJ-2體應(yīng)變的探頭安裝在同一深度，相距僅5 m。利用窗長為20 d的整點值進行日相關(guān)性滑動分析，為方便比較，將2套儀器數(shù)據(jù)均換算至10-8量級。更換探頭前，RZB-2鉆孔應(yīng)變的2組面應(yīng)變和TJ-2體應(yīng)變的面應(yīng)變?nèi)障嚓P(guān)系數(shù)相對較低且不穩(wěn)定，多集中在0.8～0.95范圍內(nèi)(圖4(a))；更換探頭后，2套儀器的面應(yīng)變?nèi)障嚓P(guān)系數(shù)接近1(圖4(b))。將2套儀器的整點值時間序列進行歸一化處理，圖5中紅色虛線為同步變化產(chǎn)生的線性相關(guān)性，可以看出，更換探頭前儀器的面應(yīng)變一致性較差，更換探頭后面應(yīng)變的一致性較好。綜合分析發(fā)現(xiàn)，更換探頭前儀器觀測結(jié)果的一致性、內(nèi)精度及自檢情況均較差，說明RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變的觀測系統(tǒng)不穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)可靠性較差；更換探頭后儀器的觀測系統(tǒng)正常，2套儀器的觀測結(jié)果一致性好，數(shù)據(jù)可靠性高。

圖4 鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變更換探頭前后與TJ-2體應(yīng)變面應(yīng)變滑動相關(guān)性分析Fig.4 The sliding correlation analysis of surface strain before and after change sensor probe of RZB-2 borehole strain with TJ-2 volumetric strain at Zoucheng station

圖5 鄒城臺RZB-2鉆孔應(yīng)變更換探頭前后與TJ-2體應(yīng)變散點分布Fig.5 Scatter distribution of correlated time series of surface strain before and after change sensor probe of RZB-2 borehole strain with TJ-2 volumetric strain at Zoucheng station

3 結(jié) 語

鄒城臺RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變第1次安裝后內(nèi)精度較差，2組面應(yīng)變不符合四分量自檢方程，面應(yīng)變相關(guān)性較差，主要原因是探頭與圍巖耦合不好；第2次更換探頭后，RZB-2鉆孔應(yīng)變的內(nèi)精度較高，2組面應(yīng)變符合四分量自檢方程，面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)接近1，自檢曲線非常好，與體應(yīng)變面應(yīng)變的相關(guān)性也接近1，說明RZB-2鉆孔應(yīng)變的觀測系統(tǒng)正常穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠。2021年臺站周邊新增一工廠導(dǎo)致抽水干擾增多，數(shù)據(jù)潮汐因子內(nèi)精度較差，平均值為0.07左右，嚴重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，建議盡快采取相關(guān)環(huán)境保護措施，減小干擾。根據(jù)分析結(jié)果可知，日常工作中僅憑潮汐因子內(nèi)精度或相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度來評價儀器的工作情況及數(shù)據(jù)質(zhì)量是不全面的，應(yīng)綜合考慮各種參數(shù)。