分量應(yīng)變和體應(yīng)變可靠性檢驗及特殊事件影響對比分析

盧雙苓 郝軍麗 孟建國 李惠玲 林秀娜

王 錚3 于慶民1 王 艷4 李安寧5

1 山東省泰安基準(zhǔn)地震臺，泰安市羅漢崖2號，271000 2 山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014 3 濰坊市地震局，濰坊市東風(fēng)東街6396號，261000 4 河北省地震局保定中心臺，保定市天威中路206號，071000 5 云南省玉溪市元江縣防震減災(zāi)局，玉溪市平安路中段，653300

?

分量應(yīng)變和體應(yīng)變可靠性檢驗及特殊事件影響對比分析

盧雙苓1郝軍麗2孟建國1李惠玲1林秀娜1

王 錚3于慶民1王 艷4李安寧5

1 山東省泰安基準(zhǔn)地震臺，泰安市羅漢崖2號，271000 2 山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014 3 濰坊市地震局，濰坊市東風(fēng)東街6396號，261000 4 河北省地震局保定中心臺，保定市天威中路206號，071000 5 云南省玉溪市元江縣防震減災(zāi)局，玉溪市平安路中段，653300

對泰安臺不同類型鉆孔應(yīng)變儀的產(chǎn)出資料進行研究，分析分量應(yīng)變儀的自檢可靠性及其與體應(yīng)變資料的相關(guān)性，以及在抽水干擾情況下的相關(guān)性。RZB-3儀兩組互相正交的分量應(yīng)變之和S1+S3、S2+S4的自檢相關(guān)性達到0.999 9,其與體應(yīng)變的相關(guān)性達到0.998以上。但在抽水干擾情況下，S1+S3、S2+S4自檢相關(guān)性及與體應(yīng)變的相關(guān)性均較差。

分量應(yīng)變；體應(yīng)變；自檢；可靠性檢驗；特殊事件

目前，中國地震前兆臺網(wǎng)用于鉆孔應(yīng)變觀測的儀器有分量式鉆孔應(yīng)變儀(RZB-2和YRY-4分量應(yīng)變儀)、體積式鉆孔應(yīng)變儀、深井地殼形變綜合觀測儀(RZB-3多分量觀測系統(tǒng)，含水平分量應(yīng)變、垂向應(yīng)變，傾斜等分量)。很多學(xué)者針對分量應(yīng)變觀測質(zhì)量檢驗進行研究。邱澤華、闞寶祥等[1-4]給出了分量應(yīng)變實地標(biāo)定和分量應(yīng)變自檢的方法；張國紅、唐磊、方燕勛等[5-7]對體應(yīng)變和分量應(yīng)變資料進行對比，對分量儀器數(shù)據(jù)的檢驗進行了很多工作；陳瑩、方宏芳、劉序儼等[8-10]對伸縮儀和體應(yīng)變儀進行了對比研究。

泰安臺2012年底安裝了RZB-3型井下綜合觀測儀。本文對新安裝的綜合觀測儀應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)的可靠性、自檢相關(guān)性及其與長期運行的體應(yīng)變觀測的相關(guān)性進行研究(研究只針對水平分量應(yīng)變觀測)。

1 臺站及鉆孔應(yīng)變儀器簡介

泰安基準(zhǔn)地震臺(以下簡稱泰安臺)始建于1967-02，地處魯中隆起、萊蕪弧形斷裂帶的北側(cè)(臺址附近段落稱為泰山山前斷裂)，臺基為太古代泰山群(Art)花崗片麻巖體，臺址附近巖體完整、致密、均勻。

泰安臺體積式鉆孔應(yīng)變儀安裝于2008-10-10，探頭安裝在T-2號孔內(nèi)，探頭安裝位置77 m；RZB-3型井下綜合觀測儀安裝于2012-10-14，探頭安裝深度100.35 m。

2 分量應(yīng)變數(shù)據(jù)可靠性檢驗

根據(jù)圓孔變形彈性力學(xué)分析可知，圓孔內(nèi)兩個互相正交的線應(yīng)變之和等于圓孔周邊介質(zhì)的面應(yīng)變。在假定介質(zhì)的泊松比后，還能計算出垂向應(yīng)變。面應(yīng)變加上垂向應(yīng)變就是體積應(yīng)變，所以理論上面應(yīng)變和體積應(yīng)變之間有一定的比例關(guān)系。四分量鉆孔應(yīng)變儀因為包括兩組互相正交的應(yīng)變測量元件，故可以得到兩組面應(yīng)變結(jié)果，因而可以方便地進行儀器測量數(shù)據(jù)的自檢[1-6]，從而獲得更加可靠的觀測資料。其自檢方程為：

(1)

一些學(xué)者利用四分量應(yīng)變儀可以自檢的功能，對觀測資料進行了檢驗[1-6]，取得了一些研究成果。

2.1 分量應(yīng)變實測值自檢

首先將臺站產(chǎn)出的RZB-3型井下綜合觀測儀的水平分量應(yīng)變觀測(簡稱分量應(yīng)變)數(shù)據(jù)進行自檢。利用2013-07～2013-10產(chǎn)出的原始數(shù)據(jù)(未進行參數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓值)，計算出S1+S3和S2+S4兩組面應(yīng)變，并進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者每月相關(guān)系數(shù)達到了0.999(表1)。

表1 分量應(yīng)變觀測自檢相關(guān)系數(shù)

2.2 分量應(yīng)變與體應(yīng)變對比檢驗

因理論上面應(yīng)變和體積應(yīng)變之間呈一定的比例關(guān)系，因此用面應(yīng)變S1+S3、S2+S4與體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，檢驗是否存在一致性。

以2013-08原始數(shù)據(jù)(未進行參數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓值)為例，將S1+S3、S2+S4與體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)呈負值。由于體應(yīng)變正向變化定義為壓性，分量應(yīng)變正向變化定義為張性，因此計算的相關(guān)系數(shù)為負。再次對數(shù)據(jù)作處理，將S1+S3、S2+S4求絕對值后發(fā)現(xiàn)，體應(yīng)變與之呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性(表2)。

表2 分量應(yīng)變S1+S3、S2+S4與體應(yīng)變相關(guān)系數(shù)

從表1和表2看出，在正常觀測情況下，RZB-3分量應(yīng)變的S1+S3和S2+S4兩組面應(yīng)變自檢相關(guān)性，及其與體應(yīng)變儀實測值的相關(guān)性都比較好，均達到0.99以上，充分說明RZB-3型綜合儀所記錄四分量應(yīng)變值的可靠性。同時，能記錄到正常的應(yīng)變固體潮曲線，以及一定強度的遠震。圖1為其正式入網(wǎng)后所記錄的2014-04-02智利M8.1地震。

圖1 分量應(yīng)變記錄到的地震曲線Fig.1 An earthquake recorded by component strain meter

3 抽水干擾對分量應(yīng)變的影響檢驗

荷載對鉆孔應(yīng)變觀測的影響在實際的資料分析中需要定性與定量相結(jié)合。定性分析主要是從時間進程上判定荷載對地應(yīng)變產(chǎn)生的影響，具有較高的準(zhǔn)確性，但是不能確定荷載所引起的應(yīng)變量值大小。

3.1 抽水情況下四分量應(yīng)變自檢

2014-05-29～06-09地震臺對面的林科院新打一眼深井并開始抽水，打井期間和抽水期間對臺站形變觀測產(chǎn)生極大影響。2014-06-05 07:50林科院開始抽水，地震臺所有形變儀器均同步發(fā)生較大變化，尤其以分量應(yīng)變和體應(yīng)變干擾最為嚴(yán)重。其井孔及水量情況如下：井深150 m，井口直徑215 mm,抽水流量 4 m3/h，泵深 130 m。該井在地震臺西偏北方向，距離地震臺形變儀器觀測區(qū)直線距離約200 m，距離RZB-3井孔直線距離160 m，體應(yīng)變和四分量井孔230 m。

此前，臺站周邊存在多年的淺井自滲井對形變觀測并無影響。抽水干擾發(fā)生后，分析RZB-3綜合儀分量應(yīng)變的自檢情況，檢驗S1+S3與S2+S4兩組面應(yīng)變是否變化一致。如圖2所示，兩組面應(yīng)變在抽水干擾情況下曲線形態(tài)一致，只是相關(guān)性較差，兩者相關(guān)系數(shù)見表3。

圖2 抽水時分量應(yīng)變S1+S3與S2+S4對比Fig.2 Pumping disturbed data of S1+S3 and S2+S4

數(shù)據(jù)所選日期相關(guān)系數(shù)2014-06-04/分鐘值0.91492014-06-05/分鐘值0.93132014-06-04～09/分鐘值0.63112014-06/整時值0.2490

從表3看，在抽水干擾情況下，四分量應(yīng)變?nèi)苑献詸z條件，S1+S3與S2+S4仍有較明顯的相關(guān)性，但相關(guān)性比正常時段變差。06-04～06-09連續(xù)6 d抽水，相關(guān)性僅為0.631 1，而6月整月的相關(guān)性僅為0.249 0。

3.2 抽水情況下分量應(yīng)變與體應(yīng)變對比檢驗

雖然理論上兩個互相正交的線應(yīng)變之和等于圓孔周邊介質(zhì)的面應(yīng)變，面應(yīng)變和體積應(yīng)變呈一定的比例關(guān)系，但與體應(yīng)變儀觀測結(jié)果比較，兩者之間的一致性和相關(guān)性并不強。對比2014-06的S1+S3、S2+S4和體應(yīng)變儀整時值圖(圖3)可以看出，兩組面應(yīng)變在抽水干擾時段與體應(yīng)變觀測的變化形態(tài)和幅度相差較大，沒有明顯的一致性。

圖3 S1+S3、S2+S4與體應(yīng)變對比Fig.3 Observed data of S1+S3 and S2+S4 and volume strain meter

4 結(jié) 語

通過對泰安臺不同類型鉆孔應(yīng)變儀產(chǎn)出資料進行對比，分析分量應(yīng)變的自檢可靠性及其與體應(yīng)變的相關(guān)性以及在抽水干擾下的相關(guān)性，結(jié)果如下：

1)正常觀測情況下，分量應(yīng)變觀測的兩組面應(yīng)變S1+S3、S2+S4的曲線形態(tài)一致性較好，自檢相關(guān)性較強，達到了0.999。其與體應(yīng)變的相關(guān)性也比較好，相關(guān)系數(shù)達到0.998以上。

2)在抽水干擾情況下，分量應(yīng)變觀測的兩組面應(yīng)變S1+S3與S2+S4的變化形態(tài)雖有一致性，但相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)較小，尤其是2014-06-04～06-09連續(xù)抽水且抽水量較大時，相關(guān)系數(shù)僅為0.631 1。

在抽水情況下，無論是分量應(yīng)變自檢相關(guān)性，還是其與體應(yīng)變的相關(guān)性均較差。其原因可能是分量應(yīng)變的4個測項的安裝方位不同，某一方位的干擾源對不同方位的線應(yīng)變變化的影響程度不同。具體原因有待更深層次的探討。

[1] 邱澤華,石耀霖,歐陽祖熙.四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實地相對標(biāo)定[J].大地測量與地球動力學(xué),2005,25(1):118-122(Qiu Zehua，Shi Yaolin，Ouyang Zuxi.Relative In-situ Calibration of 4-Component Borehole Strain Observation[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics ，2005,25(1):118-122)

[2] 邱澤華,石耀霖,歐陽祖熙.四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實地絕對標(biāo)定[J].地震,2005,25(3):27-34(Qiu Zehua，Shi Yaolin，Ouyang Zuxi.Absolute Calibration of 4-Component Borehole Strainmeters [J].Earthquake ，2005,25(3):27-34)

[3] 邱澤華,闞寶祥,唐磊.四分量鉆孔應(yīng)變觀測資料的換算和使用[J].地震,2009,29(4):83-89(Qiu Zehua, Kan Baoxiang, Tang Lei, Conversion and Application of 4-Component Borehole Strainmeter Data [J].Earthquake，2009,29(4):83-89)[4] 闞寶祥,邱澤華,池順良.姑咱臺四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實地標(biāo)定[J].大地測量與地球動力學(xué),2009,29(1):36-40(Kan Baoxiang,Qiu Zehua,Chi Shunliang. In-Situ Calibration of Guza Station’s 4-Component Borehole Strainmeter [J]. Journal of Geodesy and Geodynamics ，2009,29(1):36-40)

[5] 張國紅,王勇,楊選輝,等.鉆孔應(yīng)變資料的可靠性分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2010,30(增1):62-66(Zhang Guohong, Wang Yong,Yang Xuanhui,et al. Reliability Analysis of Borehole Strainmetry Observations [J].Journal of Geodesy and Geodynamics， 2010,30(Supp1):62-66)

[6] 唐磊,邱澤華,宋茉.鉆孔四分量應(yīng)變觀測自檢內(nèi)精度分析[J].大地測量與地球動力學(xué),2010,30(增2):36-39(Tang Lei,Qiu Zehua,Song Mo，Self-test Accuracy of 4-Component Borehole Strain Observation [J].Journal of Geodesy and Geodynamics ，2010,30(Supp2):36-39)

[7] 方燕勛,闞寶祥.湖州地震臺鉆孔體應(yīng)變儀和伸縮儀記錄資料對比[J].地震地磁觀測與研究,2010,31(2):101-103(Fang Yanxun，Kan Baoxiang，Data Comparison of Tj-type Volume-Strain-Meter and Extensometer at Huzhou Seismic Station [J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2010,31(2):101-103)

[8] 陳瑩,劉序儼,陳光,等.福建省井水位、體應(yīng)變儀與伸縮儀對汶川大震的響應(yīng)分析[J].國際地震動態(tài),2009(4):49-50(Chen Ying，Liu Xuyan，Chen Guang，et al. On Response of Well Water Level，Body Strain Meter,Extensometer in Fujian Province to Wenchuan Earthquake [J]. Recent Developments in World Seismology，2009(4):49-50)

[9] 方宏芳,劉序儼,張凱,等.漳州臺深井綜合觀測與洞體應(yīng)變觀測資料對比分析[J].內(nèi)陸地震,2011,25(4):342-348(Fang Hongfang，Liu Xuyan，Zhang Kai，et al ，Contrast Analysis of Strain Tide of Deep Bore Observation System and Cave in Zhangzhou Seismic Station [J]. Inland Earthquake，2011,25(4):342-348)

[10]劉序儼,方宏芳,張凱,等.漳州臺深井應(yīng)變不變量同震響應(yīng)分析[J].華南地震,2011,31(4):51-61(Liu Xuyan，F(xiàn)ang Hongfang，Zhang Kai，et al. Analysis on Deep-well Strain Invariant’s Co-seismic Response at Zhangzhou Seismic Station [J].South China Journal of Seismology,2011,31(4):51-61)

WANGZheng3YUQingmin1WANGYan4LIAnning5

About the first author:LU Shuangling, senior engineer,majors in observation of crustal deformation,E-mail:liuru-si@163.com.

Reliability Testing of Component Borehole Strain Meter and Volumetric Strain Meter and Comparative Analysis on Data Impacted by Special Events

LUShuangling1HAOJunli2MENGJianguo1LIHuiling1LINXiuna1

1 Taian Fiducial Seismic Station of Shandong Province, 2 Luohanya,Taian 271000, China 2 Earthquake Administration of Shandong Province,20 East-Wenhua Road, Jinan 250014, China 3 Earthquake Administration of Weifang, 6396 East-Dongfeng Street,Weifang 261000, China 4 Baoding Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province,206 Mid-Tianwei Road,Baoding 071000, China 5 Earthquake Disaster Prevention Bureau of Yuanjiang，Mid-Pingan Road，Yuxi 653300, China

This paper compares the observation data of different borehole strain meters of Taian fiducial seismic station. We analyze the self-testing reliability of component borehole strain. The correlation of component borehole strain meter and volume strain meter in the normal state and during drawing water conditions is also studied. The correlation coefficient betweenS1+S3andS2+S4, two orthometric components of RZB-3, is 0.999 9. The correlation coefficient betweenS1+S3andS2+S4of RZB-3 and volume strain is above 0.998. However, there is poor correlation when the instruments are disturbed by pumping.

component borehole strain meter; volume strain meter; self-testing; reliability testing; special events

Key Scientific Research Fund of Earthquake Administration of Shandong Province, No. JJ1302.

2016-12-26

項目來源：山東省地震局重點科研基金(JJ1302)。

盧雙苓，高級工程師，主要從事地殼形變觀測研究，E-mail:liuru-si@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.12.019

1671-5942(2016)012-1117-04

P315

A