吳立辛,張立強(qiáng),李國斌,郭宏斌

(寧夏回族自治區(qū)地震局,銀川 750001)

海原臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的相對(duì)標(biāo)定及資料應(yīng)用＊

吳立辛,張立強(qiáng),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(tái)四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的相對(duì)標(biāo)定結(jié)果顯示,標(biāo)定后分量 1、分量 3之和與分量 2、分量 4之和的資料相關(guān)性顯著增強(qiáng),標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小,更加滿足四分量應(yīng)變儀的校核條件,表明該鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料是可靠的。將各分量應(yīng)變資料去趨勢(shì),計(jì)算出面應(yīng)變 1+3和 2+4、差應(yīng)變 1-3和 2-4,對(duì)面應(yīng)變、差應(yīng)變資料和相對(duì)標(biāo)定系數(shù)在 2008年4月 6日固原 3.8級(jí)、5月 12日汶川 8.0級(jí)、10月 3日固原 4.0級(jí)和 11月 24日固原 3.8級(jí)地震前的異常變化進(jìn)行了分析探討。結(jié)果顯示,鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的相對(duì)標(biāo)定及資料應(yīng)用有助于地震前兆異常的判定識(shí)別。

鉆孔應(yīng)變觀測(cè);相對(duì)標(biāo)定;震前異常;面應(yīng)變;差應(yīng)變

0 引言

四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是 20世紀(jì) 80年代后發(fā)展起來的一種地震前兆觀測(cè)手段,地震專家圍繞鉆孔應(yīng)變儀器改進(jìn)(蘇愷之等,2003)、資料分析標(biāo)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(biāo)定井下鉆孔應(yīng)變儀,對(duì)觀測(cè)到的應(yīng)變信息是否可靠還存在疑問,在應(yīng)用這些資料之前有必要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析標(biāo)定。近年來,邱澤華等(2005)、闞寶祥等(2009)利用互相垂直方向應(yīng)力之和為不變量的特點(diǎn),輪流以每個(gè)元件為標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算靈敏度后再取平均值,得出四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的實(shí)地相對(duì)標(biāo)定方法。

寧夏海原地震臺(tái) YRY—4型四分量鉆孔應(yīng)變儀自 2007年9月安裝以來,儀器運(yùn)行穩(wěn)定,觀測(cè)資料連續(xù),記錄的固體潮和地震波信息非常清晰。我們對(duì)該鉆孔應(yīng)變觀測(cè)進(jìn)行實(shí)地相對(duì)標(biāo)定,結(jié)果顯示,標(biāo)定后資料的相關(guān)性顯著增強(qiáng),標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小,驗(yàn)證了該資料的可靠性。對(duì)面應(yīng)變、差應(yīng)變資料和相對(duì)標(biāo)定系數(shù)在 2008年4月 6日固原3.8級(jí)、5月 12日汶川 8.0級(jí)、10月 3日固原 4.0級(jí)和 11月 24日固原 3.8級(jí)地震前的異?，F(xiàn)象進(jìn)行了探討,表明相對(duì)標(biāo)定可作為分析應(yīng)用該應(yīng)變資料的有效方法之一。

1 YRY—4型應(yīng)變儀工作原理及其相對(duì)標(biāo)定

YRY—4型四分量鉆孔應(yīng)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(shè)有 4組徑向測(cè)微傳感元件,依次相隔 45°,能夠測(cè)量 4個(gè)方向圓筒直徑的微小變化(圖 1)。當(dāng)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(cè)量系統(tǒng)就能獲得地層鉆孔 4個(gè)方向的鉆孔孔壁徑向位移 S。

圖1 YRY—4型應(yīng)變觀測(cè)儀平面示意圖Fig.1 Plane diagram of YRY-4 borehole strain meters

鉆孔的孔徑相對(duì)變化值 S一般是面應(yīng)變和差應(yīng)變的線性組合,即

式中,ε1、ε2為水平主應(yīng)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(guān)。當(dāng)觀測(cè)到兩個(gè)垂直方向上的孔徑相對(duì)變化值后,分別代入(1)式,然后相加就可以消去(ε1-ε2)項(xiàng),右邊只剩(ε1+ε2)面應(yīng)變項(xiàng)。同理,兩個(gè)垂直方向上的值代入(1)式相減可以消去(ε1+ε2) 項(xiàng) ,右邊只剩(ε1-ε2) 差應(yīng)變項(xiàng)。因此,四分量鉆孔應(yīng)變儀可以利用相互垂直方向上的應(yīng)變之和為不變量的特點(diǎn)對(duì)不同元件的應(yīng)變觀測(cè)進(jìn)行互檢。在判斷儀器狀態(tài)、評(píng)定資料質(zhì)量以及核實(shí)資料異常時(shí),校核條件(S1+S3=S2+S4)起到了非常重要的作用。地應(yīng)變信號(hào)從地層傳入探頭,經(jīng)過機(jī)械、電子、數(shù)采到最后記錄,只有各個(gè)環(huán)節(jié)都正常時(shí)才能得到滿足校核條件的結(jié)果。

在實(shí)地相對(duì)標(biāo)定時(shí),設(shè) Ri代表元件 i的觀測(cè)讀數(shù),Ki代表元件 i的靈敏度,則元件 i的孔徑相對(duì)變化為 Si=KiRi,校核條件的關(guān)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(duì)大小,因此,稱為相對(duì)標(biāo)定。由于各元件靈敏度的理論值為 1.0,在標(biāo)定計(jì)算時(shí)可依次取 4個(gè)元件靈敏度為 1,求解另外 3個(gè)元件的靈敏度,形成 4個(gè)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(duì)靈敏度,再取平均值(仍然用 K表示):

該相對(duì)靈敏度的大小應(yīng)在理論值 1.0附近。

2 標(biāo)定實(shí)例

2.1 海原臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變的基本資料

海原臺(tái)應(yīng)變鉆孔位于青藏活動(dòng)地塊區(qū)祁連活動(dòng)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(gòu)造運(yùn)動(dòng),地層變質(zhì)、褶皺和斷裂變形強(qiáng)烈,構(gòu)造十分復(fù)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(dòng)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(gòu)造─海原活動(dòng)斷裂帶規(guī)模最大。

鉆孔地處海原南華山自然保護(hù)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(cè)的水位儀和氣壓計(jì)。該應(yīng)變儀自安裝運(yùn)行以來,資料穩(wěn)定,整時(shí)值完整率為 99.9%。4個(gè)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(biāo)定結(jié)果

(1)選用 2007年10月至 2009年7月間海原臺(tái) 4個(gè)分量應(yīng)變的整時(shí)值,按月進(jìn)行線性去傾,形成除去漂移的觀測(cè)序列 R1、R2、R3和 R4。為了分析各分量的觀測(cè)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(yīng)變曲線(圖 4b),可見,兩條面應(yīng)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(yīng)變儀觀測(cè)到的是地層應(yīng)變變化。再對(duì)除去漂移的四分量觀測(cè)資料進(jìn)行相對(duì)標(biāo)定分析,每個(gè)月的標(biāo)定系數(shù)、相關(guān)系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)偏差見表 1所示。相對(duì)標(biāo)定后,每個(gè)月面應(yīng)變 1+3和 2+4的資料相關(guān)系數(shù)均顯著增大,平均由 0.896 9增大為 0.943 2,標(biāo)準(zhǔn)偏差均明顯減小,平均由 0.392 3減小為0.204 6,標(biāo)定后的數(shù)據(jù)比標(biāo)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(biāo)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(yùn)行時(shí)間短,還處于快速 “漂移”狀態(tài)有關(guān),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(yán)重偏離了理論值 1.0的波動(dòng)范圍,其余時(shí)段除元件 K3在 2008年9～11月偏低(可能與 1次 3.8級(jí)、1次 4.0級(jí)地震有關(guān),地震參數(shù)見表 2)之后恢復(fù)外,另外 3個(gè)元件均處于正常變化范圍。K1、K2和 K4均有 17個(gè)月的正常背景資料,占所用資料長度的 85%,K3具有 14個(gè)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(yīng)變儀相對(duì)標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Relative calibration coefficients of YRY-4 borehole strain meters

圖2 各元件的標(biāo)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(yīng)變的整時(shí)值按月線性去傾,分別計(jì)算面應(yīng)變 1+3、2+4和差應(yīng)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(yīng)變曲線變化形態(tài)相似,有很多重合時(shí)段,滿足分量應(yīng)變的校核條件。面應(yīng)變和差應(yīng)變資料的正常背景值清晰、平穩(wěn),受當(dāng)?shù)貧鈮?、井水位和降雨?采用距海原臺(tái) 30 km的鄭旗觀測(cè)點(diǎn)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(yīng)變和差應(yīng)變異常分析如下:

圖3 四分量鉆孔應(yīng)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(tái)氣壓 (a)、面應(yīng)變 (b)、差應(yīng)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(yīng)變異常分析

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

(2)10月 3日固原 3.8級(jí)地震前,9月上旬 2條面應(yīng)變曲線同步出現(xiàn)上升、下降、恢復(fù)的異常變化形態(tài),10月 1日,池順良等來短信交流 “認(rèn)為海原應(yīng)變資料存在異?！?我們也關(guān)注到該變化,并加密會(huì)商,但限于當(dāng)時(shí)資料積累時(shí)間短,正常背景值偏少,故難以判定該應(yīng)變資料為臨震異?！，F(xiàn)在“回過頭”來看,認(rèn)為該變化是地震前兆異常的可能性較大。首先,降雨對(duì)應(yīng)變觀測(cè)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(guān)性,而其它降雨時(shí)段相應(yīng)的應(yīng)變資料無異常變化。其次,鉆孔水位比較平穩(wěn),對(duì)應(yīng)變資料沒有明顯影響。汶川地震的同震效應(yīng)顯著,水位在震時(shí)下降了 50 cm,于 6月初恢復(fù)。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(shí)段維持在同一水平上。本次 3.8級(jí)地震前,面應(yīng)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(yīng)變異常出現(xiàn)在水位上升之前,排除了應(yīng)變異常是由水位上升因素所致的可能性。總結(jié)來看,很可能是地層應(yīng)變的壓性積累,導(dǎo)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(jí)地震前,2條面應(yīng)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(yīng)變異常分析

(1)4月 6日固原 3.8級(jí)地震前,2條差應(yīng)變曲線均出現(xiàn)了 2次轉(zhuǎn)折、恢復(fù)的現(xiàn)象(圖 4(c)),但不易識(shí)別。而 5·12汶川 8.0級(jí)地震前,2條差應(yīng)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(yīng)變積累和調(diào)整所致。

(2)10月 3日固原 3.8級(jí)地震前,差應(yīng)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(yīng)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(jí)地震前,差應(yīng)變 1-3曲線出現(xiàn)上升—下降的 “鼓包”現(xiàn)象,而差應(yīng)變 2-4曲線無異常顯示。該現(xiàn)象與上述月標(biāo)定系數(shù) K1、K2和 K4正常變化,僅 K3出現(xiàn)異常波動(dòng)相一致。

4 討論與結(jié)論

(1)相對(duì)標(biāo)定結(jié)果顯示,海原四分量應(yīng)變儀的元件標(biāo)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(duì)標(biāo)定后面應(yīng)變 1+3和 2+4的相關(guān)性更加顯著,標(biāo)準(zhǔn)差明顯減小,表明觀測(cè)儀器穩(wěn)定,觀測(cè)值可靠。由此認(rèn)為,相對(duì)標(biāo)定可成為分析、評(píng)價(jià)、應(yīng)用應(yīng)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(biāo)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(dòng)變化最劇烈,11月24日固原 4.0級(jí)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(biāo)定系數(shù)的變化與斷層蠕動(dòng)有哪些對(duì)應(yīng)關(guān)系?還有待積累資料再作討論。

(3)相互垂直方向上的應(yīng)變之和相等成為判斷四分量應(yīng)變儀工作狀態(tài)和資料異常的方法之一,而差應(yīng)變更加靈敏,震前異常更為突出。海原臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變的面應(yīng)變、差應(yīng)變及相對(duì)標(biāo)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(jié)合課題(200604)資助 .