張嘉敏,楊紹富

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺,新疆 庫爾勒 841000）

關(guān)鍵字:分量式鉆孔應(yīng)變儀；自檢內(nèi)精度；相關(guān)系數(shù)；可靠性

0 引言

鉆孔應(yīng)變儀是研究地殼變形和地應(yīng)力場變化的重要觀測儀器。RZB系列分量應(yīng)變儀是由中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的,觀測精度達(dá)到10-10,能夠清楚地記錄到固體潮。方向性是RZB分量應(yīng)變儀的最重要的特點(diǎn)[1]。對分量式鉆孔應(yīng)變觀測資料的研究和應(yīng)用,很多學(xué)者也做了大量的工作。邱澤華等提出四分量鉆孔應(yīng)變觀測的相對標(biāo)定和絕對標(biāo)定[2]；唐磊等提出鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)不同時間尺度的自檢方法[3]；吳立恒等通過分析參考元件的穩(wěn)定性、固體潮潮汐因子、四個元件面應(yīng)變相關(guān)性等方面,分析了北京百善RZB深井鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)的可靠性[4]；陳濤等對三峽重慶地區(qū)6個測點(diǎn)的四分量鉆孔應(yīng)變資料進(jìn)行可靠性分析[5]；楊紹富對新疆天山中段3套鉆孔應(yīng)變資料進(jìn)行了比較全面的可靠性分析[6],為進(jìn)一步豐富和完善天山中段其他測點(diǎn)鉆孔應(yīng)變儀觀測資料的研究成果,本文選取天山中段8套鉆孔應(yīng)變儀的觀測數(shù)據(jù),運(yùn)用前人在鉆孔應(yīng)變觀測資料自檢、可靠性分析方面的研究方法進(jìn)行分析和論證這8套分量鉆孔應(yīng)變觀測資料的可靠性。

1 臺站概況及儀器簡介

山中段前兆臺網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目,于2013年11月開始實(shí)施安裝架設(shè),先后在榆樹溝臺、庫米什臺、呼圖壁雀兒溝臺、獨(dú)山子巴音溝臺、焉耆縣小泉溝臺、和靜縣巴侖臺、新源臺以及石河子石場臺架設(shè)安裝了8套RZB-2分量式鉆孔應(yīng)變儀,臺站分布見圖1。2017年3月通過了專家組和地殼所的正式驗(yàn)收,經(jīng)過一段時間的試運(yùn)行后正式投入觀測,目前各測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)均已穩(wěn)定,能夠產(chǎn)生連續(xù)、可靠的觀測數(shù)據(jù),大部分測點(diǎn)觀測儀器均累積了2年以上的觀測資料,并且部分觀測資料在近些年周邊幾次中強(qiáng)震前顯示出較好的震兆異常。各臺站鉆孔應(yīng)變情況見表1。

中國地震局地殼應(yīng)力研究所援疆項(xiàng)目—天RZB-II型四分量鉆孔應(yīng)變儀的探頭是一個密封的圓柱形鋼筒,其內(nèi)安放了四個分量元件,互成45°排列,用以測量鋼筒內(nèi)徑的相對變化,能記錄到清晰的固體潮汐和地殼應(yīng)變變化[7]。鉆孔深度一般為幾十米到一百余米,探頭放置在井底,并用特制水泥固結(jié),保證鋼筒與周圍巖石良好耦合。

圖1 天山中段各臺站分布圖Fig.1 Distribution map of stations in the middle Tianshan

表1 天山中段分量應(yīng)變臺站基本情況Table 1 Basic situation of component strain stations in the middle Tianshan

2 數(shù)據(jù)資料分析

本文選取8個臺站連續(xù)觀測數(shù)據(jù),計(jì)算潮汐因子內(nèi)精度、相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度和面應(yīng)變相關(guān)系數(shù),對資料進(jìn)行可靠性論證。

2.1 潮汐因子內(nèi)精度

以M2波振幅因子的相對中誤差為指標(biāo)來評定應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量稱為內(nèi)精度。對一個月尺度的應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行Venedikov調(diào)和分析,Ⅰ類應(yīng)變臺站要求相對中誤差＜0.05[8]。表2分別計(jì)算8個臺2018年2月至4月兩組面應(yīng)變的潮汐因子內(nèi)精度。

表2 四分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)潮汐因子內(nèi)精度Table 2 The tidal factor internal accuracy of four-component borehole strain observation data

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出,巴侖臺的觀測數(shù)據(jù)精度最高,其次是石場臺和巴音溝臺,之后是雀兒溝臺、庫米什臺、榆樹溝臺、小泉溝臺,新源臺的觀測精度最低,從日常觀測曲線也能看出巴侖臺潮汐曲線形態(tài)較為明顯,而新源臺觀測數(shù)據(jù)潮汐形態(tài)就沒有那么顯著（圖2）。除了小泉溝臺2018年3月和新源臺觀測精度低于0.05外,其余臺站的觀測數(shù)據(jù)精度均達(dá)到了Ⅰ類應(yīng)變臺站的觀測要求。從各臺站分布的情況來看,觀測數(shù)據(jù)精度較高的臺站位于天山地震帶的中部,而偏東或偏西的臺站觀測精度則偏低,因此認(rèn)為觀測數(shù)據(jù)精度與所選臺址和基巖性質(zhì)有較大關(guān)系。新源臺NS分量和EW分量2018年1-4月出現(xiàn)持續(xù)時段較為固定的曲線轉(zhuǎn)折變化（圖3）,經(jīng)向臺站相關(guān)負(fù)責(zé)人了解,臺站周邊無明顯干擾,工作人員初步分析認(rèn)為可能是震前的中短期異常,這也可能是導(dǎo)致數(shù)據(jù)觀測數(shù)據(jù)潮汐精度較低的原因。從單個臺觀測數(shù)據(jù)精度變化情況來說,小泉溝臺、巴侖臺、雀兒溝臺、新源臺都出現(xiàn)2018年3月精度降低的情況,分析認(rèn)為可能是這四個臺站受氣溫影響較大。

圖2 巴侖臺和新源觀測數(shù)據(jù)曲線形態(tài)對比（2018-01-11-2018-01-22）Fig.2 Comparison of the curve shape of the observation data of Balen station and Xinyuan (2018-01-2018-05)

圖3 新源臺兩分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)曲線（2018-01-2018-05）Fig.3 Curves of borehole strain observation data of Xinyuan station (2018-01-2018-05)

潮汐因子內(nèi)精度并不是分量式鉆孔應(yīng)變觀測資料質(zhì)量評定的唯一指標(biāo),根據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變觀測的特性,相關(guān)科研人員提出了相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度指標(biāo)[9]。

2.2相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度計(jì)算

由于應(yīng)變儀探頭在井下安裝時存在耦合效應(yīng)的不均一性,各分量應(yīng)變的原始觀測數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間可能有一定的偏差,會影響到數(shù)據(jù)的可靠性,故需要對觀測值進(jìn)行實(shí)地相對標(biāo)定和換算[2]。

邱澤華等[2]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)條件對元件觀測值進(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：

公式（2）即為應(yīng)變儀的“自檢”條件,表明理想情況下記錄到的兩組面應(yīng)變應(yīng)相同,該式能較好地說明探頭與周圍基巖的耦合狀況[10]。將實(shí)際觀測值代入式（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)。ki越接近于1,表明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。單從相對校正系數(shù)來看,4個元件的校正系數(shù)可能都接近于1,也可能部分元件的校正系數(shù)接近于1,如果特定區(qū)域內(nèi)臺站分布較多,便不能更好地判定哪個臺站的觀測質(zhì)量更優(yōu),因此唐磊等提出了自檢內(nèi)精度的計(jì)算,仿照潮汐因子內(nèi)精度的概念,由4個元件的標(biāo)定系數(shù)求出均值和偏差[10]。定義：

其中,α為自檢內(nèi)精度；S是偏差,為了達(dá)到更為客觀的評價(jià)結(jié)果,這里的偏差是4個元件的校正系數(shù)相對于1的偏差；R為4個元件相對校正系數(shù)均值的絕對值。公式為：

利用該指標(biāo)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)時,自檢內(nèi)精度＜0.2為優(yōu)等精度。自檢內(nèi)精度α越小,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。

2.3 面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)

根據(jù)鉆孔四分量觀測的自洽方程,可以得到面應(yīng)變1、面應(yīng)變2,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)定后也可以得到一組面應(yīng)變,每組面應(yīng)變都可計(jì)算一個相關(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(jià)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[9]。

選取天山中段8個臺分量應(yīng)變觀測2018年2月至4月整點(diǎn)值數(shù)據(jù),計(jì)算自檢內(nèi)精度和面應(yīng)變相關(guān)系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 天山中段分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)結(jié)果Table 3 Quality evaluation results of component borehole strain observation data in the middle Tianshan

從表3的計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）從自檢內(nèi)精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及各臺站排序（圖4）來看,巴侖臺精度最高,其次是巴音溝臺（2月數(shù)據(jù)精度偏低的原因是因?yàn)閮x器故障造成缺數(shù)導(dǎo)致的）,之后是庫米什臺,榆樹溝臺和石場臺的數(shù)據(jù)精度基本相當(dāng),處于中等水平；小泉溝、新源、雀兒溝三個臺的數(shù)據(jù)精度偏低,均低于優(yōu)等數(shù)據(jù)精度的標(biāo)準(zhǔn)。其中新源臺和雀兒溝臺的四個元件相對校正系數(shù)與1的偏差較大,因此計(jì)算出來的內(nèi)精度數(shù)值也偏大,遠(yuǎn)低于優(yōu)等精度的標(biāo)準(zhǔn)。這一現(xiàn)象也表明了自檢內(nèi)精度的高低實(shí)際上更取決于四個元件相對校正系數(shù)是否等于1,比值越接近1,內(nèi)精度就越高。經(jīng)與相關(guān)專家討論認(rèn)為相對標(biāo)定自檢方法首先是基于假設(shè)儀器探頭與圍巖的耦合處于理想狀況時,四個元件的標(biāo)定系數(shù)越接近1則觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高,但也有可能部分臺站臺基或基巖架設(shè)條件不符合這種假設(shè)條件,雀兒溝臺和新源臺分量應(yīng)變觀測計(jì)算結(jié)果可能不能真實(shí)反映數(shù)據(jù)的觀測質(zhì)量,因此單從四個元件的校正系數(shù)來評判數(shù)據(jù)質(zhì)量是不適宜的,還要進(jìn)一步看兩組面應(yīng)變的擬合程度,也有可能各個臺站的臺基情況和觀測環(huán)境的差異性影響了計(jì)算結(jié)果。

（2）從面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)及各臺站排序（圖5）來看,校正前：面應(yīng)變相關(guān)性最高的為巴侖臺均值達(dá)到0.9977,其次是庫米什臺、榆樹溝臺,

（3）選取天山中段8套分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)（連續(xù)6個月）繪制相對校正前與校正后的兩組面應(yīng)變觀測變化曲線（圖6）(面應(yīng)變1對應(yīng)的是S1+S3,面應(yīng)變2對應(yīng)的是S2+S4）。結(jié)合表3的計(jì)算結(jié)果可以看出校正后各臺儀器的榆樹溝臺3個月的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)相差較大,其中3月份的系數(shù)達(dá)到0.9986,但2月和4月都相對較低,分析認(rèn)為是榆樹溝臺站常年受到春季的融雪干擾導(dǎo)致的；再次是巴音溝臺,均值達(dá)到0.9938,但巴音溝臺2月受到儀器故障缺記的影響,面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)較低；之后排序依次是石場臺、小泉溝臺、雀兒溝臺、新源臺。其中雀兒溝臺和新源臺兩套儀器的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均低于0.9,尤其是新源臺3個月的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)值偏差很大,最低的為3月份,系數(shù)值僅為0.0933,這與自檢內(nèi)精度分析計(jì)算結(jié)果是相符的。校正后,面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)最高的為榆樹溝臺,均值達(dá)到0.9997；其次是巴侖臺臺、石場臺、庫米什臺,三套儀器的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)校正后均大于0.996；之后依次排序?yàn)榘鸵魷吓_、雀兒溝臺、小泉溝臺、新源臺。從以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,校準(zhǔn)前后各套儀器的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)所反映的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量排序有很大差別,同時也可以看出各套儀器校正后的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均大于0.96,尤其是雀兒溝臺校正前面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均值為0.89,校正后面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均值提高至0.97。這說明運(yùn)用分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)開展相關(guān)科學(xué)研究時,應(yīng)首先對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相對標(biāo)定及自檢分析。面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均大于0.9,說明天山中段各臺站的觀測數(shù)據(jù)資料在研究時段內(nèi)能較好地滿足自檢關(guān)系,符合四分量鉆孔應(yīng)變觀測原理,觀測資料質(zhì)量可靠。校正后各臺站兩組面應(yīng)變觀測曲線一致性較高,尤其是榆樹溝、巴侖臺和庫米什三個臺站的兩組面應(yīng)變觀測曲線幾乎重合在一起,也說明這三個臺站的儀器觀測精度較高,與上述的分析結(jié)果是一致的。同時也可以看到校正前后兩組面應(yīng)變觀測曲線差異最明顯的是新源臺,校正前兩組面應(yīng)變觀測曲線變化完全不一致,面應(yīng)變1觀測曲線呈階梯狀,面應(yīng)變2觀測曲線平直無明顯轉(zhuǎn)折變化；校正后兩組面應(yīng)變觀測曲線變化趨于一致,出現(xiàn)這樣的變化分析認(rèn)為可能是新源測點(diǎn)觀測井灌漿后與圍基巖的耦合存在一定缺陷導(dǎo)致的,也不排除是當(dāng)?shù)赜^測環(huán)境長期受到某種特定因素的影響,具體原因還有待深入探討。

圖5 校正前后面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)排序?qū)Ρ菷ig.5 Comparison of the strain correlation coefficients before and after correction

圖6 鉆孔應(yīng)變站點(diǎn)校正前后的面應(yīng)變變化曲線Fig.6 Variation curve of surface strain of drilling strain site before and after correction

3 結(jié)語

本文通過計(jì)算天山中段8臺分量鉆孔應(yīng)變儀的潮汐因子內(nèi)精度、相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度及面應(yīng)變相關(guān)系數(shù),發(fā)現(xiàn)各臺觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定差異性,通過相對標(biāo)定后數(shù)據(jù)的精度的高低排序有明顯變化,尤其是榆樹溝臺和雀兒溝臺的數(shù)據(jù),單從潮汐因子內(nèi)精度來評判數(shù)據(jù)質(zhì)量來看雀兒溝排在中上水平,但經(jīng)過相對標(biāo)定自檢分析后雀兒溝的數(shù)據(jù)精度排名為最后；榆樹溝的數(shù)據(jù)從潮汐因子內(nèi)精度排名為中下,經(jīng)過相對標(biāo)定自檢分析后數(shù)據(jù)精度上升至中上水平。校正前后各臺觀測數(shù)據(jù)的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)也有明顯變化,各套儀器校正后的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均大于0.96,從面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)反映的數(shù)據(jù)質(zhì)量排序上看榆樹溝和石場的排序均有明顯提高,校正后榆樹溝數(shù)據(jù)質(zhì)量面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)接近于1。校正前后新源臺兩組面應(yīng)變觀測曲線變化明顯,校正后兩組面應(yīng)變觀測曲線變化趨于一致。這說明運(yùn)用分量應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)開展相關(guān)科學(xué)研究時,對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行相對標(biāo)定及自檢分析十分有必要。

從潮汐因子內(nèi)精度、相對標(biāo)定自檢內(nèi)精度及面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)綜合分析認(rèn)為天山中段各套分量鉆孔應(yīng)變觀測資料均達(dá)到了國家應(yīng)變臺站的觀測標(biāo)準(zhǔn),觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠,其中觀測數(shù)據(jù)精度較高的有巴侖臺、榆樹溝、庫米什、石場,而巴音溝和雀兒溝因儀器故障、供電通訊故障等因素造成數(shù)據(jù)缺記,進(jìn)而嚴(yán)重影響了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。