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钻孔应变资料的可靠性分析*

2010-11-14张国红杨选辉刘福生

大地测量与地球动力学 2010年1期
关键词:应变仪曲线图台站

张国红 王 勇 杨选辉 刘福生

(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

钻孔应变资料的可靠性分析*

张国红 王 勇 杨选辉 刘福生

(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

在钻孔应变观测中,仅用实际观测资料与理论固体潮进行对比还不能完全反映观测数据的一致性和可靠性,也无法准确确定其趋势性变化是否是应变变化,而地震前兆研究需要明确这种趋势性变化的性质。从弹性力学理论中导出并通过实测资料验证:同一钻孔中相差 45°分布的四分量应变 1号与 3号测值之和理论上应等于 2号与 4号测值之和,同时还应等于 1.3倍体应变测值;用四分量应变观测资料计算出η值,其绝对值越接近零资料的可靠性越好,这种方法有可能为钻孔应变观测资料的质量评价提供一种新的参考依据;有两种以上钻孔应变手段的台站可开展对比观测,只有四分量钻孔应变一种观测手段的台站要开展 1号 +3号与 2号 +4号资料的自检分析,以获取更加可靠的观测资料。

分量应变;体应变;验证;可靠性;参考依据

1 引言

地震的孕育、发生是一个力学失稳过程,因而监测地球介质的形变、应变和应力动态变化,进而研究其与地质构造环境、地震孕育直至发生的关系无疑是探索地震预测预报的关键。

钻孔应变仪是揭示中短期 (从数秒到数月)连续变形的仪器,因而在对地震爆发之时和之前现象的观测中扮演着重要角色。

1966年邢台地震后,在李四光教授的倡导和组织下,我国首先开展了以地震预报为目的的钻孔应力应变连续观测。李四光在地震预报科学思路中指出:“对地应力进行观测,找出地应力有关的性质、特点以及作用方式和变化规律……看出这种变化与地震之间的内在联系……才有可能对地震发生的地点、时间、频度和强度作出科学的判断。”[1]

为了实现地震预报的科学目标,研制地应力观测仪器成为紧迫的任务。从二十世纪六十年代起,半个世纪以来,国内钻孔式应力应变观测技术取得长足进展。以高精度电容传感器、体积式传感器为代表的第二代钻孔应变观测具有观测精度高(应变灵敏度优于 10-9)、可进行现场标定、以及采用水泥固结方式在较深的井下安装等特性而代表着当时国际该学科领域发展的方向。经过多年的发展,此类仪器已经在全国多个台站安装使用。但目前使用钻孔应变资料进行地震预报的研究却不多,究其原因在于对观测资料的可靠性怀有疑虑。

过去国外有人利用钻孔倾斜与钻孔应变资料对比来确定资料的可靠性[2],这在一定的范围和条件下起到了印证作用。到目前为止,在引起固体地球形变的种种因素中,还只有固体潮能从理论上预先计算出引起形变的作用力。从这个观点出发,目前判断钻孔应变资料可靠性的主要依据是通过应变固体潮分析确定潮汐因子的大小,中误差的数值越小,资料的内精度越高,资料就越可靠,这在以日为时间单位的研究中是可行的。经过多年的实施,此方法在促进资料的连续性、稳定性和可靠性方面都起到了重要的作用。但若研究上百天甚至更长时间的趋势性变化,仅用固体潮分析就难以确定其稳定性。因为钻孔应变资料是地应变、潮汐力、气压、水位、室温、湿度、仪器稳定性等综合因素的函数[3]。在地震预报研究中,地震前的长、中期异常主要表现为趋势性变化,怎样确定这种趋势性变化的可靠性就成为人们关心的重要问题。本文试图利用钻孔应变资料的变化在理论上应该符合弹性力学理论的基本公式来证明资料的可靠性,并计算出η值,以确定观测资料的可靠程度。

2 基本公式

目前所采用的钻孔地应变测量方法是在地面上向地下打一个圆孔,当地应变变化时钻孔形状也跟着变化,它的直径在有些方向上变大,有些方向上变小。我们用仪器仪表记录这些方向上的孔径变化,然后根据孔径与地应变之间的数量关系由孔径的变化计算出地应变变化。

在钻孔应变测量过程中,测量原理基于以下假定:1)安装仪器的钻孔周围的岩石是均匀的且各向同性的弹性体;2)地应力状态是平面应力状态;3)在测点周围的一定区域内应力是均匀分布的;4)钻孔的变形可以看成是在无穷远处受均匀分布的外力作用下无穷大弹性薄板中圆孔的变形;5)安装的受力元件参数完全一致。

图 1是分量式钻孔应变仪的观测元件分布示意图,4个受力元件分别表示为 1号、2号、3号、4号,每个受力元件依次相差 45°。当几个受力元件受到岩石应力作用时,每个元件的电输出Mi应符合如下关系式[4]:

图1 RZB分量应变观测元件布置图Fig.1 Sketch of components in RZB strain instrument

式中:Ai为第 i号元件对 (ε1+ε2)的灵敏系数,(ε1+ε2)为主应变之和,即面应变;Bi为第 i号元件对(ε1-ε2)的灵敏系数,(ε1-ε2)为主应变之差 (两倍最大差应变);θi为主应变方向与 i号元件之间的夹角。

Ai、Bi的值取决于岩石、水泥及应变仪的力学参数及其边界条件。

当A1=A2=A3=A4=A,B1=B2=B3=B4=B时有

式(2)说明 1号与 3号应变测值之和等于 2号与 4号应变测值之和,其变化值只与面应变 (ε1+ ε2)有关。

由式 (2)通过数学分析可得出:

利用式(3)对资料使用时间段内的多组η值相加求其平均值,则η绝对值越小资料的可靠程度越高。

Sacks应用拉梅厚圆筒方程得到钢管内壁上在小于 1 Hz(包含应变阶和零频)的整个频段内,体应变测值 Т可近似地表示为

式中V表示垂直应变。将式 (5)用应力表示,且当泊松比等于 0.25时

式中 Pzz为平行于钻孔轴线的应力;Pxx为垂直于钻孔轴线 x方向应力;Pyy为垂直于钻孔轴线 y方向应力;E为岩石的杨氏模量。取边界条件为 Pzz=0,则

式 (7)说明钻孔分量应变仪所测面应变值 (ε1+ε2)应近似等于 1.3倍的体应变值 T。

3 钻孔应变资料分析

3.1 昌平台钻孔应变资料分析

昌平台 RZB-1钻孔分量应变仪[5]井孔与 TJ-1A体积式钻孔应变仪井孔相距约 6.2 m。RZB-1钻孔分量应变仪位于井下 119.62m的基岩中,探头内有4个受力元件,依次相差 45°。TJ-1A体积式钻孔应变仪的探头埋深为 58.18 m。两套仪器从 2004年 3月 1日—2004年 5月 31日均工作正常,图 2为对RZB-1分量应变仪 1号、3号测值之和与 2号、4号测值之和进行去倾斜分析后的残差值曲线。

对比两条曲线后发现:两者长期变化趋势非常一致,相关系数达到 0.943;变化幅度接近,前者为1.49×10-7,后者为 1.19×10-7,基本符合公式 (2)的要求。而由式(3)计算出的η绝对值为 0.089,几乎接近于零。

对由 RZB-1分量应变 1号、3号测值计算的面应变值和距离该孔 6.2m的体应变值进行去倾斜分析后的残差值进行比较 (图 3)发现,二者变化形态基本一致,相关系数达 0.832;变化幅度比和理论值有一定的误差,前者为 1.49×10-7,后者为 0.55× 10-7,超出了 1.3倍。

通过 RZB-1分量应变观测资料的自身检验及RZB-1分量应变与 TJ-1A体应变资料的互相验证,说明短距离内不同埋深的两个钻孔应变仪都测到了同一种地应力变化,两种钻孔应变资料是可靠的。

图 2 昌平台 RZB分量应变 (1号 +3号)与 (2号 +4号)残差值比较图Fig.2 Curve comparison between residuals of(1+3)and (2+4)at Changping Seismostation

图3 昌平台 RZB分量应变(1号 +3号)与 TJ-1A体应变残差值比较图Fig.3 Curve comparison bet ween the strain residuals of RZB component(1+3)and TJ-1A volume strain at Changping Seis mic Station

3.2 国内实测钻孔应变资料分析

考虑到台站所处地区的代表性,我们处理了北京、四川、青海、湖北、吉林等 5个省市 10个台站的钻孔应变观测资料。这些资料除昌平台外均为“十五”期间新增的、经过“十五”验收的 YRY-4钻孔分量应变数据。由于这些台站只有四分量钻孔应变观测一种数据,我们只对其进行了自身可靠性检验处理,各台站钻孔岩性及深度见表 1。

通过对以上台站资料处理发现,10个台站资料可靠性大致可分为 3种情况:1)资料可靠性较好的台站(图 4~9),主要表现为 1号、3号测值之和与 2号、4号测值之和很接近,其相关系数都在 0.9以上(表 2)。由式 (3)计算出的η绝对值也大多在 0附近,说明这些仪器的传感器与岩石耦合良好,4个传感器性能一致,稳定性好,4个放大器放大系数稳定。2)资料可靠程度较低的台站,1号 +3号与2号 +4号相关系数很低,均接近于零,甚至于为负值(图 10~12)。而由式 (3)计算出的η绝对值都在1.0以上,远远大于零。前述判断钻孔应变资料可靠性的公式是在 5项假设条件成立的前提下推导出来的,实际上观测环境要复杂得多,比如有的观测点岩性破碎,远未达到各项同性的弹性体要求,北京怀柔对石村台站的分量应变钻孔正是处在这样的岩石上,这导致其观测资料很不稳定,甚至于有时观测不到固体潮。而四川金河台分量应变仪探头虽安装在井下 37米处较完整灰岩段,但其下 41.6~45.3米处岩性极其破碎,这些不利因素都严重影响了观测资料的内在质量。另外,有的测点岩石和传感器之间的固结材料不稳定或固结不好,有的观测仪器元件参数相差甚远,如吉林双阳台的分量应变仪由于2008年先后遭受了几次不同程度的雷击,其传感器和地面仪器受到了严重的损坏,观测资料的可靠性明显降低。3)有的台站在观测过程中 1号 +3号与 2号 +4号资料的相关性由好变差,如正在进行试验性观测的地壳所昌平台,其 1号 +3号与 2号+4号测值的变化趋势从 2009年 1月开始由一致逐渐向不一致变化(图 13),说明其资料可靠性在逐渐降低,究其原因主要是由于仪器各道放大倍数不一致引起的。当其中的一道放大倍数改变,另外 3道不变时就会出现这样的结果。

表 1 台站钻孔及仪器概况Tab.1 General situation of the borehole and instruments at the seis mostations

图 4 青海玉树 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号 + 4号)测值曲线图Fig.4 YRY-4 component strain curve of(1+3)and(2+ 4)at Yushu station,Qinghai

图 5 湖北襄樊 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号 + 4号)测值曲线图Fig.5 YRY-4 component strain curves(1+3)and(2+4) at Xiangfan station,Hubei

图 6 青海格尔木 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号+4号)测值曲线图Fig.6 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Ge ErMu station,Qinghai

图 7 平谷茅山后村 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号 +4号)测值曲线图Fig.7 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at PingguMaoshanhoucun station,Beijing

图8 吉林丰满 青海玉树 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号 +4号)测值曲线图Fig.8 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Fengman station,Jilin

图 9 四川小庙 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号 + 4号)测值曲线图Fig.9 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Xiaomiao station,Sichuan

表 2 YRY-4分量应变 1号 +3号与 2号 +4号变化幅度比、相关系数及η绝对值统计表Tab.2 Statistics table of stra i n variation,correlative factor and theηvalue

图 10 怀柔对石村 YRY-4分量应变 (1号 +3号)与 (2号 +4号)测值曲线图Fig.10 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Huairou Duishicun station,Beijing

图 11 吉林双阳 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号+4号)测值曲线图Fig.11 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Shuangyang station,Jilin

图 12 四川金河 YRY-4分量应变(1号 +3号)与(2号+4号)测值曲线图Fig.12 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Jinhe station,Sichuan

图 13 昌平 YRY-4分量应变 (1号 +3号)与 (2号 +4号)测值曲线图Fig.13 YRY-4 component strain curves of(1+3)and(2 +4)at Changping station

4 结论

通过讨论可以得出,可靠的钻孔应变观测资料的趋势性变化应当基本符合弹性力学理论的基本公式。在判断钻孔应变资料的可靠性时应在重点应用上述公式的基础上,结合应变固体潮的处理分析及同类观测资料印证等方法综合判断,这样钻孔应变资料可靠性的判断方法就更加完善了。

对于可以进行相互检验的昌平台 RZB-1分量应变和 TJ-1A体应变资料来说,两者在变化幅度上的较大差异很可能是由两种仪器的标定值存在较大误差引起的 (截至 2004年,TJ-1A体应变仪已经工作 17年,灵敏度有所降低)。而对于通过自检分析发现的 YRY-4分量应变 1号 +3号测值与 2号 +4号测值在趋势变化上不一致的主要原因可能是:1)钻孔的岩性不完整;2)岩石与传感器之间的固结材料不稳定;3)仪器本身的各项参数不稳定。若这些干扰因素均被排除,其观测资料就应该基本符合弹性力学理论公式。而当其中的一道放大倍数改变,另外 3道不变时就会出现这样的结果。当 1号 +3号与 2号 +4号测值在变化趋势上表现不同时,两者的相关系数和η的绝对值大小也不同,相关系数越大,η的绝对值越小,资料的可靠性越高,反之,资料的可靠性越低。

这些现象提醒我们,要经常用自检和互检的方法检验钻孔应变资料的可靠性。有两种以上钻孔应变手段的台站可开展对比观测;只有四分量钻孔应变一种观测手段的台站要开展 1号 +3号与 2号 + 4号资料的自检分析。当发现观测数据偏离理论值很大时,要及时查找原因,排除干扰,只有这样,产出的资料在地震预报研究中才更有实际意义。

1 李四光.论地震[M].北京:地质出版社,1977.

2 石井弘,等.最新の地震·地壳变动计测システムにょる地震前兆现象の检出[J].地球,2001,33:188-196.

3 苏恺之,等.钻孔地应变观测新进展[M].北京:地震出版社,2003.

4 苏恺之.地应力测量方法[M].北京:地震出版社,1985.

5 欧阳祖熙,等.一种钻井式地应力测量系统[A].地壳构造与地壳应力文集 (2)[C].北京:地震出版社,1988,11 -20.

REL IABIL ITY ANALYSIS OF BOREHOLE STRA INM ETRY OBSERVATIONS

Zhang Guohong,Wang Yong,Yang Xuanhui and Liu Fusheng
(Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085)

Reliability should be the key in precursor observation.Usually,we just compare the measurements and variation with the theoretic earth tide to judgewhether the data are reliable.However,theway can’t deter mine the consistency of data and the long-ter m trend should be affir med firstly in precursor analysis.According to the elastic mechanics theory and the observation in-situ,it is shown that for a 4 components strain instrument,their component directions spread with 45 degree angle,the sums ofmeasure values of unit 1(1#)and 3(3#)should be the same with that of unit 2(2#)and 4(4#),and the sum value is also equal to 1.3 times of the volume strain. We can calculate a valueηby use of the 4 components strain measurements,its absolute value is the more close to 0,themore reliability of the observation.Thiswaymay provide a new evidence in estimation ofobservation reliability.In order to getmore reliable observation,contrasting analysis can be held in those observatorywith t wo type of strain instruments.Otherwise for those observatorywith just a component strain instrument,self test,that 1#+3# should be equal to 2#+4#,may also be used to verify the reliability.

component strain;volume strain;verification;reliability;reference evidence

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0062-06

2010-04-05

张国红,女,1969年生,工程师,主要从事地震监测与预报反面的工作.E-mail:ghzhang-2006@163.com

P315.72+5

A

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