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        鉆孔四分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)不同時間尺度的自檢分析

        2015-02-15 01:05:18呂品姬
        大地測量與地球動力學(xué) 2015年3期
        關(guān)鍵詞:標(biāo)定元件校正

        唐 磊 呂品姬

        1 中國地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室),北京市安寧莊路1號,100085

        2 中國地震局地震研究所,武漢市洪山側(cè)路40號,430071

        利用該指標(biāo)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價時,自檢內(nèi)精度α越小,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高[1]。

        中國大陸地殼形變觀測臺網(wǎng)中,鉆孔四分量應(yīng)變觀測自2007年開始迅速發(fā)展,截止到2014-09已有近40套YRY-4型和20多套RZB型鉆孔四分量應(yīng)變儀運(yùn)行。為了客觀評價鉆孔四分量應(yīng)變觀測資料的質(zhì)量,唐磊等[1]曾對比分析相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度、相對標(biāo)定系數(shù)平均值、面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)等,通過不同的求偏差方法改進(jìn)相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度。此種評價方法可在一定程度上客觀反映不同臺站的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

        一般情況下,某臺站觀測數(shù)據(jù)的相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度值越小,則兩組面應(yīng)變一致性越好,說明該臺觀測數(shù)據(jù)越符合四分量應(yīng)變觀測的自檢特性,觀測質(zhì)量越好。但通過近幾年的實(shí)踐發(fā)現(xiàn),每月對地殼形變臺網(wǎng)中的鉆孔四分量應(yīng)變進(jìn)行質(zhì)量評價時,部分臺站的自檢內(nèi)精度指標(biāo)顯示觀測質(zhì)量較好,每月繪制的兩組面應(yīng)變曲線趨勢變化一致性也較好;但繪制時間尺度較長的觀測曲線時,卻發(fā)現(xiàn)兩組面應(yīng)變趨勢一致性較差,個別臺站甚至出現(xiàn)兩組面應(yīng)變趨勢反向的狀況。初步分析認(rèn)為,此種情況可能與分析數(shù)據(jù)的長短有關(guān)。另外,在利用四分量鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變換算、時頻特征分析、同震響應(yīng)等地震研究時[2-4],應(yīng)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相對標(biāo)定處理及自檢分析。為了正確使用不同時間長度的數(shù)據(jù)和客觀評價觀測數(shù)據(jù),本文對年、月、日3種不同時間尺度的四分量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行自檢分析,并結(jié)合兩組面應(yīng)變的相關(guān)性分析結(jié)果,進(jìn)一步探尋四分量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo),改進(jìn)不同時間尺度數(shù)據(jù)使用前的自檢分析方法。

        1 數(shù)據(jù)處理方法

        1.1 元件相對校正系數(shù)

        邱澤華等[2,5]根據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變觀測的特點(diǎn),提出鉆孔四分量應(yīng)變觀測實(shí)地標(biāo)定的方法,根據(jù)一定的假設(shè)來對元件觀測值進(jìn)行校正。令

        其中si為各元件的觀測值。根據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變特性,應(yīng)該有:

        將實(shí)際測值代入式(2),設(shè)定任意一個ki=1,可以反演得到其他ki。分別給定不同ki=1,可以得到4組ki(i=1,2,3,4),取其平均值作為最終反演結(jié)果。ki都應(yīng)在1附近取值,特別是探頭與圍巖的耦合處于理想狀況時,所有ki都等于1。我們稱對ki的這種反演為實(shí)地相對標(biāo)定,稱ki為相對校正系數(shù)。利用該指標(biāo)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價時,ki越近于1,表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。

        1.2 自檢內(nèi)精度

        利用相對校正系數(shù)進(jìn)行四分量觀測數(shù)據(jù)評價時,只能判斷單個元件的觀測數(shù)據(jù)。為了評價一套儀器4個元件的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量,在相對標(biāo)定基礎(chǔ)上,提出自檢內(nèi)精度[1]。根據(jù)研究,對于理想情形,相對校正系數(shù)都應(yīng)等于1[2,5-6]。由4個元 件的標(biāo)定系數(shù)求出均值和偏差,仿照潮汐因子內(nèi)精度概念,定義:

        其中,α為自檢內(nèi)精度;S是偏差,這里的偏差是相對于4個元件校正系數(shù)的均值來計算的;R為4個元件相對校正系數(shù)均值的絕對值。為了適合k值設(shè)定,計算偏差時改用4個相對校正系數(shù)相對于1的偏差:

        利用該指標(biāo)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價時,自檢內(nèi)精度α越小,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高[1]。

        1.3 面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)

        鉆孔四分量應(yīng)變觀測可以得到面應(yīng)變1(分量1+分量3)、面應(yīng)變2(分量2+分量4),直接通過原始數(shù)據(jù)得到一組面應(yīng)變。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相對標(biāo)定后也可得到一組面應(yīng)變,每組面應(yīng)變都可計算一相關(guān)系數(shù):

        其中,r表示相關(guān)系數(shù);S13表示“分量1+分量3”,即面應(yīng)變1;S24表示“分量2+分量4”,即面應(yīng)變2;N表示數(shù)據(jù)個數(shù)。利用該指標(biāo)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價時,兩組面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)越接近1,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。

        2 年時間尺度

        選用甘肅高臺地震臺2013年連續(xù)觀測的分鐘值、整時值、日均值和5日均值數(shù)據(jù),對年時間尺度的四分量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。表1為利用3 種處理方法計算的質(zhì)量評估結(jié)果。分析可知:1)由5日均值計算的4個元件的相對校正系數(shù)更接近1,自檢內(nèi)精度值最小,校正前后的兩組面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)更接近1;2)由日均值和5日均值計算的自檢內(nèi)精度值近似相等,元件相對校正系數(shù)和面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)差別也很??;3)不同數(shù)據(jù)類型計算的元件相對校正系數(shù)、自檢內(nèi)精度、面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)與數(shù)據(jù)采樣率有關(guān),采樣率越低,3種質(zhì)量評估結(jié)果反映的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。

        圖1為由不同類型數(shù)據(jù)的計算結(jié)果繪制的2013年相對校正前后的兩組面應(yīng)變觀測曲線。結(jié)合表1可知,4種數(shù)據(jù)類型繪制的兩組面應(yīng)變相關(guān)性非常高,說明高臺地震臺的觀測數(shù)據(jù)非常符合四分量鉆孔應(yīng)變觀測原理。

        表1 2013年高臺地震臺四分量鉆孔應(yīng)變臺觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果Tab.1 Thequality evaluation results of the of 4-component borehole strain observation of Gaotai station in 2013

        圖1 高臺地震臺2013年四分量應(yīng)變觀測校正前后面應(yīng)變曲線Fig.1 Plane strain curves of 4-component borehole strain observation of Gaotai station before and after correction in 2013

        3 月時間尺度

        選用高臺地震臺2013-01 連續(xù)觀測的分鐘值、整時值、日均值和5日均值數(shù)據(jù),對月時間尺度的四分量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。表2為根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型計算的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果。分析可知:1)由整時值計算的4個元件的相對校正系數(shù)更接近1,自檢內(nèi)精度值最小,校正前后的兩組面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)近似于1;2)由其他3種類型數(shù)據(jù)計算的質(zhì)量評估結(jié)果相對較差,不能客觀反映該地震臺的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

        圖2 為由不同類型數(shù)據(jù)計算結(jié)果繪制的2013-01相對校正前后的兩組面應(yīng)變觀測曲線。結(jié)合表1的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)可知,整時值繪制的兩組面應(yīng)變相關(guān)性非常高;相對校正前,日均值和5日均值繪制的兩組面應(yīng)變相關(guān)性較低,校正后兩組面應(yīng)變相關(guān)性較高,觀測曲線幾乎重合到一起,說明利用鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)應(yīng)變換算前,對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相對標(biāo)定十分必要。

        表2 2013-01高臺地震臺四分量鉆孔應(yīng)變臺觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果Tab.2 Thequality evaluation results of the of 4-component borehole strain observation of Gaotai station in January 2013

        圖2 高臺地震臺2013-01四分量鉆孔應(yīng)變觀測校正前后面應(yīng)變曲線Fig.2 Plane strain curves of 4-component borehole strain observation of Gaotai station before and after correction in January 2013

        4 日時間尺度

        選用高臺地震臺2013-01-01 連續(xù)觀測的分鐘值、整時值數(shù)據(jù),對日時間尺度的四分量觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。表3為根據(jù)兩種數(shù)據(jù)計算的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評估結(jié)果,圖3為2種數(shù)據(jù)繪制的相對校正前后兩組面應(yīng)變觀測曲線。分析可知:1)由整時值計算的4個元件的相對校正系數(shù)結(jié)果更接近1,自檢內(nèi)精度值最小,校正前后的兩組面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)幾乎等于1;2)整時值繪制的兩組面應(yīng)變相關(guān)性非常高,校正后繪制的兩組面應(yīng)變觀測曲線幾乎重合到一起;3)分鐘值繪制的兩組面應(yīng)變相關(guān)性也較高,但元件相對校正系數(shù)偏離1較多,不能客觀反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

        表3 2013-01-01高臺地震臺四分量鉆孔應(yīng)變臺觀測資料質(zhì)量評價結(jié)果Tab.3 Thequality evaluation results of the of 4-component borehole strain observation of Gaotai station in January 1,2013

        圖3 高臺地震臺2013-01-01四分量鉆孔應(yīng)變觀測校正前后面應(yīng)變曲線Fig.3 Plane strain curves of 4-component borehole strain observation of Gaotai station before and after correction in January 1,2013

        5 結(jié) 語

        1)對較長時間尺度四分量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價時,自檢內(nèi)精度計算應(yīng)選用連續(xù)觀測的日均值或5日均值數(shù)據(jù);對較短時間尺度四分量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價時,應(yīng)選用整時值數(shù)據(jù)。

        2)利用四分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變換算、地震研究時,應(yīng)首先對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行元件相對校正[2,3]。對長期四分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行元件相對校正時,應(yīng)利用日均值或5日均值數(shù)據(jù);對短期四分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行元件相對校正時,應(yīng)利用整時值數(shù)據(jù)。

        [1]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(增刊II):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(Supp II):36-39)

        [2]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 Strain Meter Data[J].Earthquake,2009,29(4):83-89)

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        [4]劉琦,張晶,晏銳,等.高采樣率四分量鉆孔應(yīng)變同震響應(yīng)分析[J].中國地震,2013,29(1):57-67(Liu Qi,Zhang Jing,Yan Rui,et al.The Analysis of Coseismic Response of 4-component Borehole Strain Meters with High Sampling Rate[J].Earthquake Researth in China,2013,29(1):57-67)

        [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)

        [6]闞寶祥,邱澤華,唐磊.泰安臺鉆孔差應(yīng)變觀測的實(shí)地標(biāo)定[J].大地測量與地球動力學(xué),2007,27(6):119-123(Kan Baoxiang,Qiu Zehua,Tang Lei.In-Situ Calibration of Borehole Shear Strain Meter at Taian Station[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,27(6):119-123)

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