高臺地震臺分量式鉆孔應(yīng)變儀的效能評估＊

姜振海 劉鴻斌

(甘肅省地震局,蘭州 730000)

高臺地震臺分量式鉆孔應(yīng)變儀的效能評估＊

姜振海 劉鴻斌

(甘肅省地震局,蘭州 730000)

對甘肅省地震局高臺地震臺新安裝的 YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀的觀測數(shù)據(jù)的分析表明,此儀器的觀測結(jié)果能真實客觀地反映高臺地區(qū)地應(yīng)力的變化,其觀測資料連續(xù)、穩(wěn)定、可靠,可為地球物理和地震預(yù)報的研究提供準(zhǔn)確可信的資料。

分量式鉆孔應(yīng)變儀;固體潮;相對標(biāo)定;調(diào)和分析;地震預(yù)報

1 引言

“十五”項目的建設(shè)在 2007年就已經(jīng)結(jié)束了,新建的各類儀器也已運行兩年多,在這兩年中新建儀器的運行情況如何?產(chǎn)出的資料情況又如何?本文將針對甘肅省地震局“十五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)項目,高臺地震臺新建的 YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀進行效能評估。

2 臺站概況

高臺地區(qū)位于青藏高原北部邊緣,祁連山北緣斷裂帶中段,該斷裂為走向北西西向的逆沖斷層,斷層垂直差異運動強烈,是地應(yīng)力易于集中的地區(qū)。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以合黎山-龍首山北西西向隆起帶為主,西起金塔,東至河西堡東,總體走向呈 N50°～60°W。

高臺地震臺位于大片花崗巖體出露的地震帶上,臺基巖性為海西期花崗巖。臺站附近人煙稀少,在測震基本臺站中,是背景干擾最小的臺站,也是國家地震局地震基本臺網(wǎng)中的 I類基本臺。

3 儀器安裝情況

高臺地震臺鉆孔應(yīng)變儀觀測用井完成于 2007年 3月,井深 45 m,地面至 40 m深鉆孔一律用 136 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼套管保護,為防止地表或地下水進入井中,全部用水泥漿壓力封井,將護井套管于巖壁緊密固結(jié)。到 40 m處進行了鉆孔變徑,裸巖孔徑為133 mm。儀器安裝日期為 2007年 6月 20日,探頭安裝在 44 m深處的無裂隙、無破碎的整體基巖之上,無涌水和漏水現(xiàn)象,底部墊入 30 mm小石子,探頭周遍均勻灌入水泥石英沙進行固定偶合(表 1)。

表 1 傳感器安裝情況一覽表Tab.1 Process of sensor i nstallation

4 儀器觀測運行情況

4.1 儀器運行情況

高臺地震臺的分量鉆孔應(yīng)變儀于 2007年 6月20日安裝完成,21日開始產(chǎn)出數(shù)據(jù),當(dāng)天的觀測數(shù)據(jù)就能夠辨認出固體潮汐。在 2007年 6月 21日至2009年 12月 31日期間,沒有出現(xiàn)過較大的故障,儀器的運行率為 100%,觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率為99.50%,完整率為 99.32%。儀器運行狀態(tài)良好。

4.2 應(yīng)變固體潮與地震波記錄情況

高臺地震臺的分量鉆孔應(yīng)變儀在安裝完成后,很快就能夠記錄到應(yīng)變固體潮和地震波。在經(jīng)過安裝初期幾天的穩(wěn)定后,應(yīng)變固體潮已經(jīng)十分明顯,并能夠清晰地記錄到遠震。圖 1是 2007年 7月 16日日本發(fā)生Ms6.9地震,高臺應(yīng)變儀的記錄曲線,由圖 1可以清晰地看到固體潮和地震波。

4.3 觀測數(shù)據(jù)的自檢情況

分量式鉆孔應(yīng)變儀以 45°為間隔,在 4個方向上安裝觀測元件。當(dāng)探頭與圍巖的耦合處于理想狀態(tài)時,有[1]：

通過式(1)可以對觀測數(shù)據(jù)進行自檢。這種自檢能夠充分說明探頭與圍巖的耦合情況[1,2]。在分量式鉆孔應(yīng)變儀中 1號和 3號相互垂直,2號和 4號相互垂直,1號 +3號和 2號 +4號的結(jié)果越一致,就表示儀器的探頭與圍巖耦合的效果越好,記錄的資料越可靠。圖 2就是 2008年 1月 1日至 2009年 12月 31日 1號 +3號和 2號 +4號的數(shù)據(jù)曲線圖。由圖 2可以看出：1號 +3號和 2號 +4號的一致性是非常好的(只在汶川地震時 2號 +4號的數(shù)據(jù)有較大的變化),說明此應(yīng)變儀的探頭與圍巖的耦合情況極好,觀測的數(shù)據(jù)極為可靠。

圖 1 2007年 7月 16日日本Ms6.9地震記錄曲線Fig.1 Recording curves ofMs6.9 earthquake in Japan on July 16,2007

圖 2 2008—2009年 1號 +3號和 2號 +4號數(shù)據(jù)曲線圖Fig.2 1+3 and 2+4 data curves in 2008-2009

5 觀測資料的分析

5.1 年趨勢變化

一般說來,檢驗地震前是否存在異常變化,應(yīng)該有 3個判斷：1)有正常背景;2)非干擾影響;3)與地震相關(guān)[1]。在這 3個判斷中,第一點是非常重要的,如果一套儀器的觀測資料沒有正常的背景,那么它的觀測資料將無法得到很好的使用,因為無法判斷它的觀測資料什么時候是正常的,什么時候是異常的。那么高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀的觀測資料是否有正常的背景呢?取 2008—2009年的資料進行對比繪圖,可得圖 3。由圖 3可知：2008—2009年前 9個月的變化趨勢基本一致,只是飄移的幅度不同,這是什么原因造成的呢?我們不難想到,高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀的安裝時間是 2007年6月 20日,那么 2008年的趨勢變化當(dāng)中肯定含有探頭與圍巖的耦合系統(tǒng)飄移;另,在 2008年 5月 12日四川發(fā)生了Ms8.0地震,此次地震造成的地應(yīng)力變化對此儀器的觀測結(jié)果也有一定的影響。由此看來,高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀的年趨勢變化具有較為明顯的背景值,可以比較清晰地反映出觀測資料的異常。

圖 3 2008—2009年變化趨勢對比Fig.3 Comparison between the changing trends from 2008 to 2009

5.2 相對標(biāo)定

鉆孔應(yīng)變觀測的標(biāo)定問題有兩層涵義：第一,可以認為實地標(biāo)定是相對室內(nèi)標(biāo)定而言的,是對儀器(元件)靈敏度的標(biāo)定,稱為相對標(biāo)定;第二,由測值換算出孔徑相對變化以后,還要利用理論固體潮等依據(jù)對與鉆孔周圍介質(zhì)的彈性有關(guān)的參數(shù)進行標(biāo)定,從而給出應(yīng)變變化,稱為絕對標(biāo)定[2]。本文將對高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀 2009年的資料進行相對標(biāo)定。

通過文獻[3]可以得知,4個元件測值之間的關(guān)系為：

其中:Ki代表元件 i的靈敏度,Ri代表元件 i的觀測讀數(shù)。

分別對公式 (2)兩邊同時除以 K1、K2、K3和 K4可得:

其中:Kij=Ki/Kj(i,j=1,2,3,4);當(dāng) i=j時,Kij=K1/ K1=K2/K2=K3/K3=K4/K4=1。通過公式 (3)～(6)可以求出 4組相對靈敏度,對這 4組相對靈敏度取平均值,就得到此儀器 4個元件相對靈敏度的確定值。

用上述方法對高臺地震臺分量式鉆孔應(yīng)變儀2009年的觀測資料進行處理,得出此儀器的相對靈敏度(表 2)。由表 2可以看出,此儀器所有的觀測元件的穩(wěn)定性都比較好。

表 2 相對標(biāo)定靈敏度的最終計算結(jié)果Tab.2 Final relative calibration results of sensitivity

5.3 觀測數(shù)據(jù)的調(diào)和分析

利用中國地震前兆臺網(wǎng)運行評價系統(tǒng)對 2009年的觀測數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析,得到的結(jié)果如表 3所示。

表 3 2009年數(shù)據(jù)調(diào)和分析的結(jié)果Tab.3 Results of harmon ic analysis of the data in 2009

由表 3的結(jié)果可知,除 1號的因子誤差較大外,其他的因子誤差均較小,完全符合地殼形變觀測技術(shù)的要求。但是,相位滯后較為嚴重。

6 結(jié)論

1)高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀的運行狀態(tài)穩(wěn)定;

2)高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀能夠清晰地記錄到固體潮汐和地震波;

3)由 2008年 1月至 2009年 9月的資料自檢情況可以確認,高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀與圍巖的耦合情況極好,觀測的數(shù)據(jù)可靠;

4)高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀觀測資料具有明顯的年變形態(tài),可以為檢驗地震前兆異常提供正常背景值;

5)通過對 2008年的數(shù)據(jù)進行調(diào)和分析,可以看出,高臺地震臺的分量式鉆孔應(yīng)變儀的建設(shè)是成功的,它可以為地球物理和地震預(yù)報提供極為可靠的連續(xù)資料。

1 邱澤華,等.四分量鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)汶川地震前的觀測應(yīng)變變化[J].大地測量與地球動力學(xué),2009,(1)：1-5.

2 邱澤華,石耀霖,歐陽祖熙.四分量鉆孔觀測的實地相對標(biāo)定[J].大地測量與地球動力學(xué),2005,(1)：118-122.

3 池順良,武紅嶺,駱鳴津.鉆孔應(yīng)變觀測中潮汐因子離散

性與各向異性原因探討——“十五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)分量鉆孔應(yīng)變儀首批觀測資料分析解釋[J].地球物理學(xué)進展,2007,22(6)：1 746-1 753.

PERFORMANCE EVALUATION OF COM PONENT BOREHOLE STRA INM ETER OF GAOTA I SEISMOSTATION

Jiang Zhenhai and Liu Hongbin
(Earthquake Adm inistration of Gansu Province,Lanzhou 730000)

The results of the harmonic analysis for the observationsof the newly-builtmulti-component borehole strainmeter of YRY-4 type at Gaotai seis mostation show that the data truly reflect the stress variation in Gaotai area. Itmeans that the data are continuous,stable and reliable,and it can provide accurate and credible infor mation for geophysic and earthquake prediction research.

component borehole strainmeter;solid tide;relative calibration;harmonic analysis;earthquake prediction

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0141-04

2010-02-01

“十五”甘肅省數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)前兆分項(J102)

姜振海,男,1971年生,工程師,主要從事地殼形變研究.E-mail：jiangzh1971@163.com

P315.61

A