两种应变仪的面应变观测资料的比对研究＊

张凌空 牛安福 闫 伟 吴利军

1)中国地震台网中心,北京 100045 2)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

两种应变仪的面应变观测资料的比对研究＊

张凌空1)牛安福1)闫 伟1)吴利军2)

1)中国地震台网中心,北京 100045 2)中国地震局地震预测研究所,北京 100036

对徐州地震台的 YRY-4型分量式和 TJ-2型体积式钻孔应变仪,2008—2010年的面应变原始观测曲线、年变曲线、降雨干扰曲线、气压影响曲线和固体潮汐观测结果进行了比对研究,并计算了各自的相关系数和影响系数,总结了二者的共性和差异。

面应变;固体潮;潮汐因子;降雨量;气压

1 引言

“十五”期间中国地震局进行了大规模数字地震观测网络建设,钻孔应变仪作为一类重要形变前兆观测仪器,从 2007年下半年开始在全国许多台站投入使用,据中国地震台网中心前兆数据库统计, YRY-4型分量式应变仪建立了 40个测点,TJ-2型体积式应变仪建立了 80个测点。随着两种应变仪的广泛布设,它们的面应变观测数据是否一致、有何差别,是地震监测预报和仪器研制人员都急需搞清楚的重要问题,这对仪器工作的可靠性论证、确定资料的可信度和正确认识地震观测背景场有实际意义。江苏徐州地震台同时安装了两套这样的应变仪,并且已经过 3年多的实际观测,本文将利用这些观测资料展开面应变原始与观测环境的对比研究。

2 观测井和仪器概况

徐州地震台位于云龙山东坡,基岩属寒武纪灰岩,岩性致密、节理发育。YRY-4型分量式和 TJ-2型体积式钻孔应变井相距约10 m,井深分别为51 m和 60 m。仪器探头与井下岩石耦合均采用膨胀水泥固结方式。YRY-4型探头主体长 400 mm,外径107 mm,内装 4个方向的径向位移电容测微传感器(相互间隔 45°),测量基线为 0.1 m,当岩石应力发生变化时可同时测量 4个方向的孔径相对变化;TJ-2型探头总长 1.3 m,外径 89 mm,当岩石对仪器钢筒产生挤压作用时,筒内硅油的压力会发生改变,从而可直接测得体应变变化。

3 面应变年变与降雨

选取徐州台校正后的 YRY-4型面应变[1]和 TJ-2型体应变换算后的面应变整点值原始观测数据进行比对分析(图 1),两组曲线的共同特征表现为近于线性的压性积累,YRY-4的积累速率为 25.96× 10-9/天,TJ-2的为 26.62×10-9/天 (曲线向上表示探头受压,向下则为膨胀)。

图1 YRY-4型与 TJ-2型钻孔应变仪面应变原始观测曲线Fig.1 Original observation curve of plane strain with YRY-4-type and TJ-2-type borehole strainmeter

图2为去除趋势变化后面应变年变曲线。从图2可见,两曲线基本特征相同,并与 TJ-2井水位变化一致,即 7、8两月均有一个隆起,这与降雨量最集中的时段相对应,降雨开始后面应变、井水位曲线上升,雨量减少或停止后曲线上升转缓或转折下降,这些变化特征与前人的研究结果基本一致[2-5]。值得注意的是,降雨不一定保证会引起年变,对于周围存在农田季节性抽水的台站,由于抽水持续时间长(每年集中在 4—6月和 10—11月)、干扰显著,因而观测曲线年变反映的是抽水影响[6];对于周围虽有抽水井,但受地下水波动 (抽水、降雨)影响较小的台站,年周期气压波作用则是形成曲线年变的原因[7];如果降雨后曲线在短时间内能恢复到原来的水平,则曲线也不会出现年变,只形成脉冲突跳。

图2 面应变、井水位、气压和降雨量年变曲线Fig.2 Annual curves of plane strain,well water level,atmospheric pressure and rainfall

比较图 2(a)、(b)可知,YRY-4型面应变年变幅明显比 TJ-2型小(约 3/5),说明降雨对 TJ-2型应变仪干扰大。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,总降雨量达 494 mm,但与 2009年相比,降雨影响并没有明显增强,有可能是这几天强降雨还没来得及完全充分渗入地下,相当一部分就在地表岩层上流失了,即有效降雨量并没有实际记录的那么多。根据年变和有效降雨量计算出 3年 YRY-4型、TJ-2型面应变及井水位降雨影响系数平均值分别是 2.04×10-9/ mm、3.68×10-9/mm和 0.352 mm/mm,小于大雨连绵多日的影响。

图3为 2009-08-03—16日的记录曲线,降雨发生在 6日 2—7时和 8日 1—7时,降雨量分别为89.3 mm与 80.9 mm。从图 3能够清晰地看出面应变起始上升时间与降雨开始时间基本同步,7日 4时和 9日 4时分别同时转折下降,即两次降雨结束后又先后上升了 20和 44小时。不同之处是两曲线回落幅度不同,YRY-4型大约是 TJ-2型的 2.6倍。在 2次降雨中井水位观测曲线都发生了转折,起始上升时间均约滞后降雨 10小时,但受降雨的影响时间较长,大约到 17日曲线才开始转平。该实例说明雨水通过岩石层向井中渗透需要一定时间,并且效率较低,同时也表明降雨时面应变上升是由于含水层水量增加,岩石孔隙压力增大所致,降雨结束后钻孔周边含水层水量逐渐扩散减少,岩石孔隙压力降低导致面应变下降。另一方面,一年当中降雨不是连续的,而呈间歇性,每一次降雨面应变都呈压性上升,之后暂时有所恢复,但并没有回落到原来水平,不久第二次降雨来临,曲线再次上升,所以在雨季面应变总的变化趋势呈上升状。根据各年 7、8月份典型的降雨实例,可分别算得降雨影响系数(表 1),进而求得这 3年的平均值。与前面由年变求得的降雨影响系数相比较,TJ-2型和井水位与之相近,但YRY-4型明显偏大,大约是其 1.78倍,这是因为降雨停止后 YRY-4型曲线回落速度快、幅度大,导致整个雨季其年变整体上升的幅度相对较小,因而求得的数值比由几天尺度得到的结果低,这也正是其年变曲线在雨季呈现脉冲状变化的原因 (图 2),而TJ-2型和井水位曲线相对平滑的多。两种面应变受降雨影响的不同,反映了岩石井孔所受到的径向压力与围压之间存在差异。

表1 降雨对面应变、井水位的影响系数(单位:mm)Tab.1 Influence coefficient of ra infall on plane stra in, well water level(un it:mm)

图3 面应变、井水位受降雨影响的比对Fig.3 Comparison between plane strain and wellwater level affected by rainfall

4 面应变变化与固体潮汐变化

面应变与理论固体潮的回归系数和相关系数的关系如图 4所示。YRY-4型回归系数的平均值为 b =0.992,相关系数平均值为 R=0.899,TJ-2型的为b=1.441和 R=0.963;相关系数都在 7、8月份达到最低值,说明在日波、半日波频段面应变同样受到强降雨的显著影响,与 TJ-2型比较 YRY-4型受影响较显著。

面应变M2波潮汐因子及其观测精度为：YRY-4型潮汐因子的平均值为 0.986,精度平均值为 ± 1.91%;TJ-2型的为 1.544与 ±0.90%。面应变的潮汐因子和观测精度均在 7、8月份达到极值,显然也受到了强降雨的干扰(图 4)。

从图 4可见,YRY-4型面应变固体潮回归系数和潮汐因子在 2010年 8—10月都有一个同步的低值变化过程,而 TJ-2型没有这种变化,后经研究发现 YRY-4型仪器的稳定性存在问题。

5 气压变化对面应变的影响

5.1 日、半日周期气压波对面应变的影响比对

对面应变作月、日、半日与气压的回归分析,其回归系数及相关系数曲线如图 5所示。从图 5可见,二者变化的一致性较好;YRY-4型回归系数平均值为 1.440×10-9/hPa,相关系数平均值为0.228,TJ-2型的为 2.775×10-9/hPa和 0.507,显然后者与气压的相关性优于前者;面应变与气压的相关系数皆在 7、8月份达到最低值,说明在日波、半日波同样受强降雨的干扰明显。

5.2 月周期气压波对面应变的影响比对

对周期为几天至十几天的信号采用别尔采夫滤波法和多项式分段曲线拟合法进行处理,得到面应变与气压的月回归系数和相关系数曲线如图 5,从图 5可见,二者大致成正比。YRY-4型回归系数平均值为 b=-3.30×10-9/hPa,相关系数平均值为 R =0.224,TJ-2型则为 b=0×10-9/hPa,R=0.324。可见两种面应变与月周期气压波的相关性总体上都不太好,只有在年初和年末不受降雨影响时 b、R值才比较高。

6 结论

1)YRY-4型与 TJ-2型面应变原始观测曲线都呈持续压性上升变化,积累速率前者略小于后者,分别为 25.96×10-9/天和 26.62×10-9/天。

图4 面应变与固体潮汐的关系及M2波潮汐因子比对Fig.4 Relationship of plane strain with solid tide and comparison between theirM2 wave tidal factors

图5 面应变与气压的关系Fig.5 Relations between plane strain and at mospheric pressure

2)两种面应变观测曲线都存在年变,且是由降雨所引起,每年的强降雨主要集中在 7、8月份,这段时间对面应变观测的影响最大。从细节看每次降雨结束后 YRY-4型面应变曲线回落的速度比 TJ-2型快,大约是其 2.6倍,二者平均降雨影响系数分别是3.63×10-9/mm和 3.74×10-9/mm。

3)两种面应变都记录到清晰的固体潮汐变化,与固体潮的相关系数和回归系数曲线皆存在年变,且都在雨季达到最低值,YRY-4型回归系数平均值为 0.992,相关系数平均值为 0.899,相位超前理论值约 0.4小时,TJ-2型则分别为 1.441和 0.963,且相位与理论值基本同步。

4)两种面应变M2波潮汐因子和观测精度曲线都在雨季达到极值,说明同时受到强降雨的干扰, YRY-4型潮汐因子平均值是 0.986,精度平均值为±1.91%,TJ-2型分别是 1.544和 ±0.90%。

5)YRY-4型应变仪有时存在潮汐观测幅度自动变小而偏离理论值的现象,可能是仪器格值(10-9/mV)发生了某种改变。

6)在日波、半日波频段,两种面应变在一定程度上都受到气压波的影响,YRY-4型面应变与气压的回归系数平均值为 1.440×10-9/hPa,相关系数平均值为 0.228,TJ-2型则分别为 2.775×10-9/hPa和 0.507,各系数曲线同样受到强降雨的显著干扰。

7)在月波频段(周期为几天到十几天),两种面应变也受到了气压波的影响,尤其在年初和年末二者受气压的影响显著,YRY-4型气压影响系数可达2.982×10-9/hPa,相关系数达到 0.828,TJ-2型为2.714×10-9/hPa和 R=0.830,但在雨季与气压的关系明显变差。

致谢 感谢邱泽华、苏恺之研究员和李兰生台长提供相关资料及帮助!

1 邱泽华,等.四分量钻孔应变观测的实地相对标定[J].大地测量与地球动力学,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 刘序俨,张雁滨.排除形变观测数据中降水干扰的数学物理方法的研究[J].地壳形变与地震,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 张昭栋,等.井水位降雨影响的定量改正[J].地震学报, 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 张凌空.降雨对体应变的干扰 [J].地壳形变与地震, 1995,(3)：78-83.(Zhang Lingkong.Influences of rainfall on body strain[J].Crustal Deformation and Earthquake, 1995,(3)：78-83)

5 黄晓华,等.厦门台地震前兆异常分析[J].大地测量与地球动力学,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 张凌空.昌平台 Sacks体应变仪观测曲线年变现象成因的研究 [J].中国地震,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 张凌空,牛安福.不同周期气压波对钻孔体应变仪观测结果的影响 [J].中国地震,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

中国地震局地震行业科研专项(201108009)

张凌空,男,1962年生,高级工程师,主要从事钻孔应变和地形变等前兆方法的观测研究.E-mail：zhll1023@163.com

P315.73

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