高明智 張 岑 郝 冉 陳 健 王化生

1 宿遷地震監(jiān)測中心站,江蘇省徐州市泰山南路72-2號,221008

體應變儀觀測是了解地殼介質(zhì)性質(zhì)的一種有效手段,其結果可用于考察區(qū)域應變狀態(tài),為研究地殼應力應變場及孕震過程中的應變規(guī)律提供基礎性資料[1]。由于體應變儀傳感器被膨脹水泥固定在鉆孔底部,無法取出維修或更換,如遇故障需重新安裝。而體應變儀鉆孔處的地質(zhì)構造及鉆井傾斜角度、巖石完整性、穿過裂隙破碎帶、探頭澆注和孔內(nèi)積水等自身條件都會對觀測結果造成影響,形成各種不同的干擾背景。定點形變觀測需對研究區(qū)域進行長期觀測,積累大量數(shù)據(jù),以掌握區(qū)域地震的發(fā)生規(guī)律,逐步實現(xiàn)地震預測預報。為證明更換體應變儀傳感器前長期觀測數(shù)據(jù)可繼續(xù)用于監(jiān)測分析,避免歷史資料浪費,本文通過對比宿遷地震監(jiān)測中心站同一鉆孔內(nèi)兩套TJ-2型體應變儀傳感器更換前后各24個月(原體應變儀2015～2016年、現(xiàn)體應變儀2020～2021年)觀測數(shù)據(jù)進行一致性和相關性分析,探討影響儀器觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的原因,并分析造成數(shù)據(jù)差異性的可能因素,為觀測數(shù)據(jù)連續(xù)關聯(lián)性應用提供準確可靠的依據(jù)。

1 臺站觀測條件及儀器

宿遷地震監(jiān)測中心站地處蘇、魯、豫、皖4省交界處,位于江蘇省徐州市南郊風景區(qū)云龍山第八節(jié)東坡,地質(zhì)構造位置上屬華北斷塊區(qū)南部。云龍山在地質(zhì)構造上屬徐州弧形構造的一部分,主要斷裂有東部的郯廬斷裂帶、西部的聊考斷裂帶、北部的豐沛斷裂帶和南部的符離集斷裂帶,形成近似于平行四邊形的塊體,張性NWW向廢黃河斷裂從市區(qū)穿過。

TJ-2體應變儀于2006-12-12安裝在宿遷地震監(jiān)測中心站院內(nèi)1號井孔測點,2007-07-01開始試運行,探頭深度60 m,巖芯完整,基巖巖性為寒武系中統(tǒng)厚層灰?guī)r,地面表層由厚約1 m的粘土夾碎石層覆蓋。歷次標定格值誤差符合規(guī)范要求,儀器工作狀態(tài)優(yōu)良,其內(nèi)精度在全國應變儀器中名列前茅。2017年因雷擊造成儀器傳感器故障,2019-05在原鉆孔位置下移5 m左右(此處基巖巖性依舊單一且致密完整)安裝新體應變儀傳感器,2020年運行至今,儀器工作狀態(tài)良好。

2 觀測資料質(zhì)量分析

2.1 潮汐因子

觀測的應變資料能夠清晰記錄到地球的固體潮變化,利用潮幅變化與地球的理論潮汐變化模型進行比較,既可了解觀測環(huán)境與理論模型假設的偏離程度,又可分析觀測信息的頻率范圍和精度。潮汐因子中誤差是衡量儀器精度的主要參數(shù),通常可使用基于最小二乘法的Venedikov調(diào)合分析方法進行計算。潮汐因子與體應變儀鉆井巖石的彈性參數(shù)相關,并且會影響體應變儀記錄數(shù)據(jù)的變化幅度,觀測系統(tǒng)正常時潮汐因子一般變化不大[2],而M2波潮汐因子的相對中誤差則可檢驗觀測資料的精度和長期穩(wěn)定性,其值越小越好[3]。

表1為體應變傳感器更換前后2 a的潮汐因子及M2波潮汐因子相對中誤差統(tǒng)計。由表可知,兩套觀測資料的潮汐因子相差較大,更換體應變傳感器后觀測資料潮汐因子增大約1倍,可能是更換傳感器后,使原傳感器所在處附近井壁結構有別于正常井壁,加大了儀器觀測點與假設地球模型對應點之間地層介質(zhì)構造結構的差別,而實際上新舊傳感器相距不超過5 m。但只要潮汐因子穩(wěn)定,M2波潮汐因子的中誤差達標,觀測資料就可以正常使用。另外,除傳感器更換后第19～20個月,因降雨干擾導致潮汐因子相對變化較大、精度較差外,傳感器更換前后觀測資料每月的潮汐因子變化均較小,變化幅度低于2%;且兩套體應變儀觀測資料M2波潮汐因子的相對中誤差較為接近,總體均遠低于規(guī)范要求的0.05,說明傳感器更換前后體應變儀均運行穩(wěn)定,觀測精度較高。

表1 體應變儀潮汐因子及相對中誤差統(tǒng)計

2.2 年零漂

年零漂是用來衡量觀測儀器及基墩穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構造運動的指標。儀器零漂一般受3個因素的影響:儀器自身漂移、地殼內(nèi)部密度變化或物質(zhì)遷移及外界干擾(溫度、氣壓、濕度、電壓等變化)。表2為采用潮汐值法統(tǒng)計的原體應變儀(2015～2016年)和現(xiàn)體應變儀(2020～2021年)零漂情況。

表2 體應變儀年零漂情況統(tǒng)計

鉆孔應變儀技術指標要求年穩(wěn)定性(年零漂)不大于4×l0-6/a。如表2所示,原體應變儀年漂移量在規(guī)范范圍內(nèi),現(xiàn)體應變儀年漂移量超出指標一個數(shù)量級。分析認為,可能是新傳感器安裝后探頭與井壁之間的膨脹水泥存在大概4～5 a的穩(wěn)定期。膨脹水泥的作用是增強傳感器探頭與井孔之間的耦合程度,起初的膨脹速度非常快,但隨著時間的推移,膨脹速度逐漸衰減,但膨脹幅度不斷增加,長時間區(qū)間記錄表現(xiàn)為曲線的正值斜率逐漸下降,但上升幅度不斷增加。目前新體應變儀的上升漂移量有逐年減小的趨勢[4],2～3 a后有望趨于正常。

為更直觀地展示現(xiàn)體應變儀年零漂有逐漸減小的趨勢,將傳感器故障前(2017-05-01～07)和新傳感器安裝初期(2020-03-06～12)及后期(2021-12-06～12)體應變儀整點值變化進行統(tǒng)計(圖1),同時對原(2015～2016年)、現(xiàn)(2020～2021年)體應變儀日均值數(shù)據(jù)進行一階求導,計算體應變儀日變化量的增速(圖2)。

圖2 體應變儀日變化量增速Fig.2 Growth rate of daily variation of volumetric strain gauge

由圖1和2可知,因運行多年,原體應變儀傳感器與水泥及圍巖已耦合穩(wěn)定,零漂較小,日增量一般維持在20×10-9左右。而現(xiàn)體應變儀在安裝初期與周邊環(huán)境耦合尚未穩(wěn)定,日增量較大,約為150×10-9;經(jīng)過近2 a的磨合,傳感器與水泥及圍巖耦合相對穩(wěn)定,日增量變化逐漸減小,后期日增量約為50×10-9。隨著時間的變化,傳感器耦合日益穩(wěn)定,未來可能會達到或優(yōu)于原體應變儀水平。另外,雨季期間體應變儀日增量變化較大,即使降水結束后,日增量變化也不會馬上減弱,而會持續(xù)一段時間,日增量變化幅度和持續(xù)時間與降水強度和持續(xù)時間有關。

2.3 連續(xù)率

與其他定點觀測一樣,應變觀測的連續(xù)性是地震預報中短臨震兆信息提取、地學現(xiàn)象研究的必要條件。因此,觀測資料的連續(xù)率是資料質(zhì)量控制的主要指標之一。連續(xù)率統(tǒng)計的是原始數(shù)據(jù)的連續(xù)性,可直觀反映儀器的運行情況和記錄狀態(tài),而影響連續(xù)率的主要因素有斷電、斷網(wǎng)、觀測系統(tǒng)故障等。與連續(xù)率相對應的是完整率,反映的是數(shù)據(jù)處理完后其有效數(shù)據(jù)所占的百分比,除受連續(xù)率影響外,完整率還受調(diào)零、標定、壞數(shù)據(jù)等因素影響,因此一般要低于連續(xù)率[5]。

如表3所示,兩套體應變儀的連續(xù)率及完整率均在99.7%以上,說明兩套儀器運行非常穩(wěn)定,其中現(xiàn)體應變儀采用太陽能、UPS和市電3種供電方式,因供電故障或雷擊受損的可能性大為降低。

表3 體應變儀年連續(xù)率情況統(tǒng)計

3 觀測資料關聯(lián)性分析

即使在原有鉆井內(nèi)下鉆重新安裝體應變探頭,鉆孔所處地質(zhì)構造和鉆孔自身條件(如鉆井傾斜角度、巖石完整性、穿過裂隙破碎帶、探頭澆注和孔內(nèi)積水等)都會對體應變觀測造成復雜的影響,形成各種不同的干擾背景,使更換探頭前后體應變觀測數(shù)據(jù)大相徑庭。為了驗證體應變儀故障前長期觀測數(shù)據(jù)(2007～2016年)和更換后觀測數(shù)據(jù)是否具有系統(tǒng)性,能否視為連續(xù)的整體數(shù)據(jù)用于該區(qū)域未來應力變化研究,必須證明原、現(xiàn)兩套體應變數(shù)據(jù)具備高關聯(lián)性。統(tǒng)計學中一致性和相關性是用來評估數(shù)據(jù)變量之間關聯(lián)性的兩個常用指標。

體應變儀因故障更換傳感器,故兩套體應變觀測資料沒有并行觀測,無法直接判定兩者是否相關聯(lián),只能采用間接關聯(lián)性分析進行判定。根據(jù)圓孔變形彈性力學分析可知,圓孔內(nèi)兩個互相正交的線應變之和等于圓孔周邊介質(zhì)的面應變。在假定介質(zhì)的泊松比后,還能計算出垂向應變。面應變加上垂向應變就是體積應變,所以理論上面應變和體積應變之間有一定的比例關系[6]。距徐州臺體應變鉆孔約10 m處安裝有YRY-4型分量鉆孔應變儀,2007年安裝至今儀器工作狀態(tài)優(yōu)良,可以清晰記錄固體潮,同時對國內(nèi)外強震具有較好的映震能力,產(chǎn)出的資料多年連續(xù)穩(wěn)定。分量應變儀不僅可以產(chǎn)出4組線應變數(shù)據(jù),還可以通過計算分量1+分量3和分量2+分量4得出兩組面應變數(shù)據(jù)(面應變1和面應變2),該兩組數(shù)據(jù)應具有高度一致和相關性,是評價分量應變儀運行穩(wěn)定的重要指標。因此用分量應變儀面應變數(shù)據(jù)與同時段兩套體應變儀數(shù)據(jù)進行關聯(lián)性分析,檢驗兩套體應變儀分別與分量應變儀面應變之間存在一致性和相關性,從而進一步證明兩套體應變儀觀測數(shù)據(jù)是否具有關聯(lián)性。

3.1 原體應變儀與現(xiàn)體應變儀一致性分析

觀測數(shù)據(jù)一致性評價是指用兩種儀器對同一組觀測對象進行記錄,一般不會獲得完全相同的結果,但結果數(shù)據(jù)必然存在某種程度接近,也存在一定的趨勢性差異。評估兩個連續(xù)性變量之間的一致性,可以通過計算一致性相關系數(shù)(concordance correlation coefficient,Pc)和BA LoA(Bland-Altman limits of agreement)圖分析進行評價。

一致性相關系數(shù)通常用于評價不同儀器對同一觀測對象測量結果的一致性或可靠性,具體計算公式為:

Pc=PCb

式中,P為Pearson相關系數(shù),屬于精確度量,用于測量每個觀測值偏離最佳擬合線的距離;Cb為偏移校正因子,屬于準確度量,用于測量最佳擬合線偏離經(jīng)過原點45°線的距離。

如圖3所示,對兩套體應變儀(2016-11-14～20、2021-10-18～24)和同時期分量應變儀面應變數(shù)據(jù)進行歸一化處理后,計算兩者間一致性相關系數(shù)。結果顯示,原體應變與面應變1的一致性相關系數(shù)為0.705 8,與面應變2的一致性相關系數(shù)為0.928 7;現(xiàn)體應變與面應變1的一致性相關系數(shù)為0.974 8,與面應變2的一致性相關系數(shù)為0.992 6。說明2007年至今,兩套體應變儀數(shù)據(jù)均與分量應變儀面應變數(shù)據(jù)有較高的一致性,且體應變與面應變2的一致性要好于面應變1,同時現(xiàn)體應變儀與分量應變儀面應變一致性優(yōu)于原體應變儀。

圖3 體應變儀與分量應變儀面應變一致性分析Fig.3 Surface strain consistency analysis of volumetric strain and component strain gauge

BA LoA圖能更直觀地反映兩者的一致性。對兩種方法測量結果差值的平均數(shù)d進行估計,平均數(shù)d的變異情況可以用差值的標準差Sd來描述。如果兩種方法測量結果的差值服從正態(tài)分布,則95%的差值應該落在[d-1.96Sd,d+1.96Sd]之間,該區(qū)間為95%一致性界限(95% limits of agreement,95% LoA)。當絕大多數(shù)差值位于該區(qū)間內(nèi)時,則可認為這兩種方法具有較好的一致性,可以互相代替。

如圖4所示,分別選取兩套體應變儀(2016-11-14～20、2021-10-18～24)與分量應變儀面應變數(shù)據(jù)進行對比,其中橫軸表示體應變和分量應變儀面應變測量的均值,縱軸表示體應變儀和分量應變儀面應變測量的差值,藍線表示兩種測量方法所有差值的均值,紅線分別表示±1.96Sd范圍?？梢钥闯?大部分數(shù)據(jù)點落在±1.96Sd之間,說明體應變儀的兩組數(shù)據(jù)均與分量應變儀面應變數(shù)據(jù)有較好的一致性。

圖4 體應變儀與分量應變儀面應變BA LoA圖Fig.4 volumetric strain and component strain gauge surface strain BA LoA diagram

3.2 原體應變儀與現(xiàn)體應變儀相關性分析

體應變儀測項分別由1個主測項(體應變)和3個輔助測項(氣壓、溫度和水位)組成,其中主測項觀測地殼應變狀態(tài)的微小連續(xù)變化,水位監(jiān)測鉆孔內(nèi)巖體的含水狀態(tài)及井水位變化,氣壓和溫度主要監(jiān)測氣象因素。分別計算2020～2021年現(xiàn)體應變儀的體應變及輔助測項、降雨量與同場地分量應變儀兩組面應變之間的相關系數(shù),結果發(fā)現(xiàn),同場地分量應變儀兩組面應變與現(xiàn)體應變具有非常高的負相關性,相關系數(shù)為-0.99;而降雨量、氣壓、溫度與水位的相關性較小,說明現(xiàn)體應變儀受環(huán)境影響較小,但實際觀測中如遇大雨或氣壓驟變,仍會有較明顯的變化[6]。

體應變的正向變化定義為壓性,負向變化定義為張性,與分量應變儀的面應變相反,需統(tǒng)一變化方向,故將分量應變儀的面應變數(shù)據(jù)使用相反數(shù)進行計算。另外,體應變儀觀測數(shù)據(jù)的單位為10-9,分量應變儀觀測數(shù)據(jù)的單位為10-10,將單位統(tǒng)一為10-9進行制圖,為對比潮汐變化,選用2021-12-06～12波形數(shù)據(jù)作為示例。

如圖5、表4所示,分量應變儀兩組面應變數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù)在0.995 0以上,符合分量應變儀自檢條件,證明分量應變儀觀測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。分量應變兩組面應變數(shù)據(jù)與更換傳感器前后2 a的兩套體應變儀對應時段觀測數(shù)據(jù)的相關性較好,均達到0.95以上,其中與現(xiàn)體應變儀觀測數(shù)據(jù)的相關系數(shù)達0.99以上,充分說明分量應變儀與兩套體應變儀均能可靠地記錄應變固體潮,兩套體應變儀觀測數(shù)據(jù)具有較高的相關性。

圖5 現(xiàn)體應變與分量應變儀面應變潮汐變化對比Fig.5 Correlation of tidal variation between volumetric strain and component strain gauge surface strain

表4 體應變與分量應變儀面應變之間相關系數(shù)統(tǒng)計

4 結 語

宿遷地震監(jiān)測中心站原體應變儀因雷擊造成傳感器故障,因傳感器被水泥固定在鉆井內(nèi),只能在原鉆孔位置下移5 m左右(此處基巖巖性依舊單一、致密完整)重新安裝體應變傳感器。通過對更換傳感器前后體應變觀測數(shù)據(jù)進行對比,分析現(xiàn)體應變儀觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量及兩套體應變儀觀測數(shù)據(jù)的關聯(lián)性,結果如下:

1)現(xiàn)體應變儀零漂很大,可能是新傳感器安裝后探頭與井壁之間膨脹水泥的膨脹過程所致,經(jīng)過近2 a時間,膨脹水泥的膨脹速率逐漸下降,傳感器與膨脹水泥及圍巖之間的耦合日漸穩(wěn)定,日增量變化逐漸減少,目前仍有下降趨勢。

2)現(xiàn)體應變儀潮汐因子較大,可能是更換新傳感器后,現(xiàn)傳感器的井壁構造結構相對于原傳感器發(fā)生了較大變化。更換儀器傳感器后,M2波潮汐因子增大約1倍,但只要其穩(wěn)定性良好且中誤差達標,觀測資料是具備應用價值的。另外,現(xiàn)體應變儀精度遠小于規(guī)范要求的0.05,說明其運行穩(wěn)定。

3)現(xiàn)體應變儀觀測曲線的長趨勢形態(tài)與降雨量、氣壓、溫度和水位相關性較小,說明觀測數(shù)據(jù)一般受環(huán)境影響較小,但在實際觀測中,如遇強降雨或氣壓驟變等天氣情況,現(xiàn)體應變儀觀測數(shù)據(jù)仍會有較明顯的變化。

4)根據(jù)面應變和體應變之間一定的比例關系[7],采用一致性系數(shù)和BA LoA圖對兩套體應變儀觀測數(shù)據(jù)與同場地分量應變儀面應變觀測數(shù)據(jù)進行對比分析,認為三者均具有較高的一致性。同時,計算兩套體應變儀觀測數(shù)據(jù)與同場地分量應變儀面應變觀測數(shù)據(jù)之間的相關系數(shù),認為三者均具有較高的相關性。

綜上認為,現(xiàn)體應變儀運行穩(wěn)定,觀測數(shù)據(jù)可靠,更換傳感器前后體應變儀記錄的兩組數(shù)據(jù)具有較高的關聯(lián)性,均可真實反映測點處地殼應變和區(qū)域應變場變化。兩組體應變儀觀測數(shù)據(jù)可視為2007年至今該測點連續(xù)系統(tǒng)關聯(lián)的整體數(shù)據(jù),為研究該測點地殼應變和區(qū)域應變場規(guī)律提供可信的基礎資料。