高台地震台分量式钻孔应变仪的效能评估＊

姜振海 刘鸿斌

(甘肃省地震局,兰州 730000)

高台地震台分量式钻孔应变仪的效能评估＊

姜振海 刘鸿斌

(甘肃省地震局,兰州 730000)

对甘肃省地震局高台地震台新安装的 YRY-4型分量钻孔应变仪的观测数据的分析表明,此仪器的观测结果能真实客观地反映高台地区地应力的变化,其观测资料连续、稳定、可靠,可为地球物理和地震预报的研究提供准确可信的资料。

分量式钻孔应变仪;固体潮;相对标定;调和分析;地震预报

1 引言

“十五”项目的建设在 2007年就已经结束了,新建的各类仪器也已运行两年多,在这两年中新建仪器的运行情况如何?产出的资料情况又如何?本文将针对甘肃省地震局“十五”数字地震观测网络项目,高台地震台新建的 YRY-4型分量钻孔应变仪进行效能评估。

2 台站概况

高台地区位于青藏高原北部边缘,祁连山北缘断裂带中段,该断裂为走向北西西向的逆冲断层,断层垂直差异运动强烈,是地应力易于集中的地区。区域地质构造以合黎山-龙首山北西西向隆起带为主,西起金塔,东至河西堡东,总体走向呈 N50°～60°W。

高台地震台位于大片花岗岩体出露的地震带上,台基岩性为海西期花岗岩。台站附近人烟稀少,在测震基本台站中,是背景干扰最小的台站,也是国家地震局地震基本台网中的 I类基本台。

3 仪器安装情况

高台地震台钻孔应变仪观测用井完成于 2007年 3月,井深 45 m,地面至 40 m深钻孔一律用 136 mm的标准钢套管保护,为防止地表或地下水进入井中,全部用水泥浆压力封井,将护井套管于岩壁紧密固结。到 40 m处进行了钻孔变径,裸岩孔径为133 mm。仪器安装日期为 2007年 6月 20日,探头安装在 44 m深处的无裂隙、无破碎的整体基岩之上,无涌水和漏水现象,底部垫入 30 mm小石子,探头周遍均匀灌入水泥石英沙进行固定偶合(表 1)。

表 1 传感器安装情况一览表Tab.1 Process of sensor i nstallation

4 仪器观测运行情况

4.1 仪器运行情况

高台地震台的分量钻孔应变仪于 2007年 6月20日安装完成,21日开始产出数据,当天的观测数据就能够辨认出固体潮汐。在 2007年 6月 21日至2009年 12月 31日期间,没有出现过较大的故障,仪器的运行率为 100%,观测数据的连续率为99.50%,完整率为 99.32%。仪器运行状态良好。

4.2 应变固体潮与地震波记录情况

高台地震台的分量钻孔应变仪在安装完成后,很快就能够记录到应变固体潮和地震波。在经过安装初期几天的稳定后,应变固体潮已经十分明显,并能够清晰地记录到远震。图 1是 2007年 7月 16日日本发生Ms6.9地震,高台应变仪的记录曲线,由图 1可以清晰地看到固体潮和地震波。

4.3 观测数据的自检情况

分量式钻孔应变仪以 45°为间隔,在 4个方向上安装观测元件。当探头与围岩的耦合处于理想状态时,有[1]：

通过式(1)可以对观测数据进行自检。这种自检能够充分说明探头与围岩的耦合情况[1,2]。在分量式钻孔应变仪中 1号和 3号相互垂直,2号和 4号相互垂直,1号 +3号和 2号 +4号的结果越一致,就表示仪器的探头与围岩耦合的效果越好,记录的资料越可靠。图 2就是 2008年 1月 1日至 2009年 12月 31日 1号 +3号和 2号 +4号的数据曲线图。由图 2可以看出：1号 +3号和 2号 +4号的一致性是非常好的(只在汶川地震时 2号 +4号的数据有较大的变化),说明此应变仪的探头与围岩的耦合情况极好,观测的数据极为可靠。

图 1 2007年 7月 16日日本Ms6.9地震记录曲线Fig.1 Recording curves ofMs6.9 earthquake in Japan on July 16,2007

图 2 2008—2009年 1号 +3号和 2号 +4号数据曲线图Fig.2 1+3 and 2+4 data curves in 2008-2009

5 观测资料的分析

5.1 年趋势变化

一般说来,检验地震前是否存在异常变化,应该有 3个判断：1)有正常背景;2)非干扰影响;3)与地震相关[1]。在这 3个判断中,第一点是非常重要的,如果一套仪器的观测资料没有正常的背景,那么它的观测资料将无法得到很好的使用,因为无法判断它的观测资料什么时候是正常的,什么时候是异常的。那么高台地震台的分量式钻孔应变仪的观测资料是否有正常的背景呢?取 2008—2009年的资料进行对比绘图,可得图 3。由图 3可知：2008—2009年前 9个月的变化趋势基本一致,只是飘移的幅度不同,这是什么原因造成的呢?我们不难想到,高台地震台的分量式钻孔应变仪的安装时间是 2007年6月 20日,那么 2008年的趋势变化当中肯定含有探头与围岩的耦合系统飘移;另,在 2008年 5月 12日四川发生了Ms8.0地震,此次地震造成的地应力变化对此仪器的观测结果也有一定的影响。由此看来,高台地震台的分量式钻孔应变仪的年趋势变化具有较为明显的背景值,可以比较清晰地反映出观测资料的异常。

图 3 2008—2009年变化趋势对比Fig.3 Comparison between the changing trends from 2008 to 2009

5.2 相对标定

钻孔应变观测的标定问题有两层涵义：第一,可以认为实地标定是相对室内标定而言的,是对仪器(元件)灵敏度的标定,称为相对标定;第二,由测值换算出孔径相对变化以后,还要利用理论固体潮等依据对与钻孔周围介质的弹性有关的参数进行标定,从而给出应变变化,称为绝对标定[2]。本文将对高台地震台的分量式钻孔应变仪 2009年的资料进行相对标定。

通过文献[3]可以得知,4个元件测值之间的关系为：

其中:Ki代表元件 i的灵敏度,Ri代表元件 i的观测读数。

分别对公式 (2)两边同时除以 K1、K2、K3和 K4可得:

其中:Kij=Ki/Kj(i,j=1,2,3,4);当 i=j时,Kij=K1/ K1=K2/K2=K3/K3=K4/K4=1。通过公式 (3)～(6)可以求出 4组相对灵敏度,对这 4组相对灵敏度取平均值,就得到此仪器 4个元件相对灵敏度的确定值。

用上述方法对高台地震台分量式钻孔应变仪2009年的观测资料进行处理,得出此仪器的相对灵敏度(表 2)。由表 2可以看出,此仪器所有的观测元件的稳定性都比较好。

表 2 相对标定灵敏度的最终计算结果Tab.2 Final relative calibration results of sensitivity

5.3 观测数据的调和分析

利用中国地震前兆台网运行评价系统对 2009年的观测数据进行调和分析,得到的结果如表 3所示。

表 3 2009年数据调和分析的结果Tab.3 Results of harmon ic analysis of the data in 2009

由表 3的结果可知,除 1号的因子误差较大外,其他的因子误差均较小,完全符合地壳形变观测技术的要求。但是,相位滞后较为严重。

6 结论

1)高台地震台的分量式钻孔应变仪的运行状态稳定;

2)高台地震台的分量式钻孔应变仪能够清晰地记录到固体潮汐和地震波;

3)由 2008年 1月至 2009年 9月的资料自检情况可以确认,高台地震台的分量式钻孔应变仪与围岩的耦合情况极好,观测的数据可靠;

4)高台地震台的分量式钻孔应变仪观测资料具有明显的年变形态,可以为检验地震前兆异常提供正常背景值;

5)通过对 2008年的数据进行调和分析,可以看出,高台地震台的分量式钻孔应变仪的建设是成功的,它可以为地球物理和地震预报提供极为可靠的连续资料。

1 邱泽华,等.四分量钻孔应变台网汶川地震前的观测应变变化[J].大地测量与地球动力学,2009,(1)：1-5.

2 邱泽华,石耀霖,欧阳祖熙.四分量钻孔观测的实地相对标定[J].大地测量与地球动力学,2005,(1)：118-122.

3 池顺良,武红岭,骆鸣津.钻孔应变观测中潮汐因子离散

性与各向异性原因探讨——“十五”数字地震观测网络分量钻孔应变仪首批观测资料分析解释[J].地球物理学进展,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”甘肃省数字地震观测网络前兆分项(J102)

姜振海,男,1971年生,工程师,主要从事地壳形变研究.E-mail：jiangzh1971@163.com

P315.61

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