兩種應變儀的面應變觀測資料的比對研究＊

張凌空 牛安福 閆 偉 吳利軍

1)中國地震臺網中心,北京 100045 2)中國地震局地震預測研究所,北京 100036

兩種應變儀的面應變觀測資料的比對研究＊

張凌空1)牛安福1)閆 偉1)吳利軍2)

1)中國地震臺網中心,北京 100045 2)中國地震局地震預測研究所,北京 100036

對徐州地震臺的 YRY-4型分量式和 TJ-2型體積式鉆孔應變儀,2008—2010年的面應變原始觀測曲線、年變曲線、降雨干擾曲線、氣壓影響曲線和固體潮汐觀測結果進行了比對研究,并計算了各自的相關系數和影響系數,總結了二者的共性和差異。

面應變;固體潮;潮汐因子;降雨量;氣壓

1 引言

“十五”期間中國地震局進行了大規模數字地震觀測網絡建設,鉆孔應變儀作為一類重要形變前兆觀測儀器,從 2007年下半年開始在全國許多臺站投入使用,據中國地震臺網中心前兆數據庫統計, YRY-4型分量式應變儀建立了 40個測點,TJ-2型體積式應變儀建立了 80個測點。隨著兩種應變儀的廣泛布設,它們的面應變觀測數據是否一致、有何差別,是地震監測預報和儀器研制人員都急需搞清楚的重要問題,這對儀器工作的可靠性論證、確定資料的可信度和正確認識地震觀測背景場有實際意義。江蘇徐州地震臺同時安裝了兩套這樣的應變儀,并且已經過 3年多的實際觀測,本文將利用這些觀測資料展開面應變原始與觀測環境的對比研究。

2 觀測井和儀器概況

徐州地震臺位于云龍山東坡,基巖屬寒武紀灰巖,巖性致密、節理發育。YRY-4型分量式和 TJ-2型體積式鉆孔應變井相距約10 m,井深分別為51 m和 60 m。儀器探頭與井下巖石耦合均采用膨脹水泥固結方式。YRY-4型探頭主體長 400 mm,外徑107 mm,內裝 4個方向的徑向位移電容測微傳感器(相互間隔 45°),測量基線為 0.1 m,當巖石應力發生變化時可同時測量 4個方向的孔徑相對變化;TJ-2型探頭總長 1.3 m,外徑 89 mm,當巖石對儀器鋼筒產生擠壓作用時,筒內硅油的壓力會發生改變,從而可直接測得體應變變化。

3 面應變年變與降雨

選取徐州臺校正后的 YRY-4型面應變[1]和 TJ-2型體應變換算后的面應變整點值原始觀測數據進行比對分析(圖 1),兩組曲線的共同特征表現為近于線性的壓性積累,YRY-4的積累速率為 25.96× 10-9/天,TJ-2的為 26.62×10-9/天 (曲線向上表示探頭受壓,向下則為膨脹)。

圖1 YRY-4型與 TJ-2型鉆孔應變儀面應變原始觀測曲線Fig.1 Original observation curve of plane strain with YRY-4-type and TJ-2-type borehole strainmeter

圖2為去除趨勢變化后面應變年變曲線。從圖2可見,兩曲線基本特征相同,并與 TJ-2井水位變化一致,即 7、8兩月均有一個隆起,這與降雨量最集中的時段相對應,降雨開始后面應變、井水位曲線上升,雨量減少或停止后曲線上升轉緩或轉折下降,這些變化特征與前人的研究結果基本一致[2-5]。值得注意的是,降雨不一定保證會引起年變,對于周圍存在農田季節性抽水的臺站,由于抽水持續時間長(每年集中在 4—6月和 10—11月)、干擾顯著,因而觀測曲線年變反映的是抽水影響[6];對于周圍雖有抽水井,但受地下水波動 (抽水、降雨)影響較小的臺站,年周期氣壓波作用則是形成曲線年變的原因[7];如果降雨后曲線在短時間內能恢復到原來的水平,則曲線也不會出現年變,只形成脈沖突跳。

圖2 面應變、井水位、氣壓和降雨量年變曲線Fig.2 Annual curves of plane strain,well water level,atmospheric pressure and rainfall

比較圖 2(a)、(b)可知,YRY-4型面應變年變幅明顯比 TJ-2型小(約 3/5),說明降雨對 TJ-2型應變儀干擾大。2008年 7月 22、23、24日和 8月 3日普降特大暴雨,日降雨量都在 130 mm以上,總降雨量達 494 mm,但與 2009年相比,降雨影響并沒有明顯增強,有可能是這幾天強降雨還沒來得及完全充分滲入地下,相當一部分就在地表巖層上流失了,即有效降雨量并沒有實際記錄的那么多。根據年變和有效降雨量計算出 3年 YRY-4型、TJ-2型面應變及井水位降雨影響系數平均值分別是 2.04×10-9/ mm、3.68×10-9/mm和 0.352 mm/mm,小于大雨連綿多日的影響。

圖3為 2009-08-03—16日的記錄曲線,降雨發生在 6日 2—7時和 8日 1—7時,降雨量分別為89.3 mm與 80.9 mm。從圖 3能夠清晰地看出面應變起始上升時間與降雨開始時間基本同步,7日 4時和 9日 4時分別同時轉折下降,即兩次降雨結束后又先后上升了 20和 44小時。不同之處是兩曲線回落幅度不同,YRY-4型大約是 TJ-2型的 2.6倍。在 2次降雨中井水位觀測曲線都發生了轉折,起始上升時間均約滯后降雨 10小時,但受降雨的影響時間較長,大約到 17日曲線才開始轉平。該實例說明雨水通過巖石層向井中滲透需要一定時間,并且效率較低,同時也表明降雨時面應變上升是由于含水層水量增加,巖石孔隙壓力增大所致,降雨結束后鉆孔周邊含水層水量逐漸擴散減少,巖石孔隙壓力降低導致面應變下降。另一方面,一年當中降雨不是連續的,而呈間歇性,每一次降雨面應變都呈壓性上升,之后暫時有所恢復,但并沒有回落到原來水平,不久第二次降雨來臨,曲線再次上升,所以在雨季面應變總的變化趨勢呈上升狀。根據各年 7、8月份典型的降雨實例,可分別算得降雨影響系數(表 1),進而求得這 3年的平均值。與前面由年變求得的降雨影響系數相比較,TJ-2型和井水位與之相近,但YRY-4型明顯偏大,大約是其 1.78倍,這是因為降雨停止后 YRY-4型曲線回落速度快、幅度大,導致整個雨季其年變整體上升的幅度相對較小,因而求得的數值比由幾天尺度得到的結果低,這也正是其年變曲線在雨季呈現脈沖狀變化的原因 (圖 2),而TJ-2型和井水位曲線相對平滑的多。兩種面應變受降雨影響的不同,反映了巖石井孔所受到的徑向壓力與圍壓之間存在差異。

表1 降雨對面應變、井水位的影響系數(單位:mm)Tab.1 Influence coefficient of ra infall on plane stra in, well water level(un it:mm)

圖3 面應變、井水位受降雨影響的比對Fig.3 Comparison between plane strain and wellwater level affected by rainfall

4 面應變變化與固體潮汐變化

面應變與理論固體潮的回歸系數和相關系數的關系如圖 4所示。YRY-4型回歸系數的平均值為 b =0.992,相關系數平均值為 R=0.899,TJ-2型的為b=1.441和 R=0.963;相關系數都在 7、8月份達到最低值,說明在日波、半日波頻段面應變同樣受到強降雨的顯著影響,與 TJ-2型比較 YRY-4型受影響較顯著。

面應變M2波潮汐因子及其觀測精度為：YRY-4型潮汐因子的平均值為 0.986,精度平均值為 ± 1.91%;TJ-2型的為 1.544與 ±0.90%。面應變的潮汐因子和觀測精度均在 7、8月份達到極值,顯然也受到了強降雨的干擾(圖 4)。

從圖 4可見,YRY-4型面應變固體潮回歸系數和潮汐因子在 2010年 8—10月都有一個同步的低值變化過程,而 TJ-2型沒有這種變化,后經研究發現 YRY-4型儀器的穩定性存在問題。

5 氣壓變化對面應變的影響

5.1 日、半日周期氣壓波對面應變的影響比對

對面應變作月、日、半日與氣壓的回歸分析,其回歸系數及相關系數曲線如圖 5所示。從圖 5可見,二者變化的一致性較好;YRY-4型回歸系數平均值為 1.440×10-9/hPa,相關系數平均值為0.228,TJ-2型的為 2.775×10-9/hPa和 0.507,顯然后者與氣壓的相關性優于前者;面應變與氣壓的相關系數皆在 7、8月份達到最低值,說明在日波、半日波同樣受強降雨的干擾明顯。

5.2 月周期氣壓波對面應變的影響比對

對周期為幾天至十幾天的信號采用別爾采夫濾波法和多項式分段曲線擬合法進行處理,得到面應變與氣壓的月回歸系數和相關系數曲線如圖 5,從圖 5可見,二者大致成正比。YRY-4型回歸系數平均值為 b=-3.30×10-9/hPa,相關系數平均值為 R =0.224,TJ-2型則為 b=0×10-9/hPa,R=0.324?？梢妰煞N面應變與月周期氣壓波的相關性總體上都不太好,只有在年初和年末不受降雨影響時 b、R值才比較高。

6 結論

1)YRY-4型與 TJ-2型面應變原始觀測曲線都呈持續壓性上升變化,積累速率前者略小于后者,分別為 25.96×10-9/天和 26.62×10-9/天。

圖4 面應變與固體潮汐的關系及M2波潮汐因子比對Fig.4 Relationship of plane strain with solid tide and comparison between theirM2 wave tidal factors

圖5 面應變與氣壓的關系Fig.5 Relations between plane strain and at mospheric pressure

2)兩種面應變觀測曲線都存在年變,且是由降雨所引起,每年的強降雨主要集中在 7、8月份,這段時間對面應變觀測的影響最大。從細節看每次降雨結束后 YRY-4型面應變曲線回落的速度比 TJ-2型快,大約是其 2.6倍,二者平均降雨影響系數分別是3.63×10-9/mm和 3.74×10-9/mm。

3)兩種面應變都記錄到清晰的固體潮汐變化,與固體潮的相關系數和回歸系數曲線皆存在年變,且都在雨季達到最低值,YRY-4型回歸系數平均值為 0.992,相關系數平均值為 0.899,相位超前理論值約 0.4小時,TJ-2型則分別為 1.441和 0.963,且相位與理論值基本同步。

4)兩種面應變M2波潮汐因子和觀測精度曲線都在雨季達到極值,說明同時受到強降雨的干擾, YRY-4型潮汐因子平均值是 0.986,精度平均值為±1.91%,TJ-2型分別是 1.544和 ±0.90%。

5)YRY-4型應變儀有時存在潮汐觀測幅度自動變小而偏離理論值的現象,可能是儀器格值(10-9/mV)發生了某種改變。

6)在日波、半日波頻段,兩種面應變在一定程度上都受到氣壓波的影響,YRY-4型面應變與氣壓的回歸系數平均值為 1.440×10-9/hPa,相關系數平均值為 0.228,TJ-2型則分別為 2.775×10-9/hPa和 0.507,各系數曲線同樣受到強降雨的顯著干擾。

7)在月波頻段(周期為幾天到十幾天),兩種面應變也受到了氣壓波的影響,尤其在年初和年末二者受氣壓的影響顯著,YRY-4型氣壓影響系數可達2.982×10-9/hPa,相關系數達到 0.828,TJ-2型為2.714×10-9/hPa和 R=0.830,但在雨季與氣壓的關系明顯變差。

致謝 感謝邱澤華、蘇愷之研究員和李蘭生臺長提供相關資料及幫助!

1 邱澤華,等.四分量鉆孔應變觀測的實地相對標定[J].大地測量與地球動力學,2005,(1)：118-122.(Qiu Zehua, et al.Relative in-situ calibration of 4-component borehole strain observation[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(1)：118-122)

2 劉序儼,張雁濱.排除形變觀測數據中降水干擾的數學物理方法的研究[J].地殼形變與地震,1991,(1)：36-40. (Liu Xuyan and Zhang Yanbin.Studies mathematics and physicalmethod for elimination of precipitation influence on crustal information data[J].CrustalDefor mation and Earthquake,1991,(1)：36-40)

3 張昭棟,等.井水位降雨影響的定量改正[J].地震學報, 1993,15(2)：202-207.(Zhang Shaodong,et al.Quantitative correction of rainfall forwellwater[J].Acta Seis mologica Sinica,1993,15(2)：202-207)

4 張凌空.降雨對體應變的干擾 [J].地殼形變與地震, 1995,(3)：78-83.(Zhang Lingkong.Influences of rainfall on body strain[J].Crustal Deformation and Earthquake, 1995,(3)：78-83)

5 黃曉華,等.廈門臺地震前兆異常分析[J].大地測量與地球動力學,2009,(5)：38-42.(Huang Xiaohua,et al.Analysis of seis mic precursor anomaly at Xiamen seis mostation [J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(5)：38-42)

6 張凌空.昌平臺 Sacks體應變儀觀測曲線年變現象成因的研究 [J].中國地震,2005,21(2)：254-259.(Zhang Lingkong.Research on annual variation reason of the Sacks volumetric strain[J].Earthquake Research in China,2005, 21(2)：254-259)

7 張凌空,牛安福.不同周期氣壓波對鉆孔體應變儀觀測結果的影響 [J].中國地震,2008,24(4)：415-421. (ZhangLingkong,Niu Anfu.Analysis on the influence of atmospheric pressure wave on the observational curves of borehole volumetric strain instrument at different periods [J].Earthquake Research in China,2008,24(4)：415-421)

COM PARIATIVE STUDY BETW EEN PLANE STRA IN OBSERVED DATA W ITH YRY-4-TYPE COM PONENT BOREHOLE STRA INM ETER AND TJ-2-TYPE VOLUM ETRIC BOREHOLE STRA INM ETER

ZhangLingkong1),Niu Anfu1),Yan wei1)andWu Lijun2)

(1)China Earthquake Net works Center,B eijing 100045 2)Institute of Earthquake Science,CEA,B eijing 100036)

During the tenth five-year plan,a set of YRY-4-type componenet borehole strainmeter and a set of TJ-2-type volumetric borehole strainmeterwere installed in Xuzhou seis mostation.At present the observed original plane strain curves from 2008 to 2010,the annual change of plane a systematic comparative study on strain curves, rainfall interference of plane strain curves,pressure interference of plane strain curves and the solid tidal observations is carried out and the respective correlation coefficient and influence coefficient are calcucated as well.This work has practical significance to demonstrate the reliability of the instrumentation,deter mine the credibility of the information and for correctly understanding of seismic background.

plane strain;solid tide;tidal factor;rainfall;atmospheric pressure

1671-5942(2011)04-0022-05

2011-03-23

中國地震局地震行業科研專項(201108009)

張凌空,男,1962年生,高級工程師,主要從事鉆孔應變和地形變等前兆方法的觀測研究.E-mail：zhll1023@163.com

P315.73

A