北京百善深井钻孔应变仪观测资料可靠性分析*

吴立恒 李 涛 陈 征

(中国地震局地壳应力研究所，北京 100085)

北京百善深井钻孔应变仪观测资料可靠性分析*

吴立恒 李 涛 陈 征

(中国地震局地壳应力研究所，北京 100085)

通过参考元件稳定性，固体潮潮汐因子分析，相互垂直元件计算的面应变相关性三个方面，分析了北京百善深井钻孔应变观测系统的可靠性，分析说明北京百善深井钻孔应变观测系统具有较高的一致性和可靠性。

深井钻孔应变仪;可靠性;系统自检;固体潮调和分析;面应变

1 引言

钻孔应变仪是揭示中短期(从数秒到数月)地壳连续变形的理想仪器，尤其在短临前兆观测中占有重要位置［1］。因此，钻孔应变仪的研制与应用得到了国内外同行的高度重视。

对于钻孔应变仪观测资料的可靠性分析，不少学者进行过讨论。如对同一或相近台站安装不同类型的钻孔应变仪或倾斜仪，对其观测资料进行对比分析和验证其资料的可靠性［2］;对分量式钻孔应变仪采用两组相互垂直的元件计算的面应变进行自检［3］;对分量式钻孔应变仪通过实地绝对标定与实地相对标定，根据标定参数的一致性和稳定性来检验钻孔应变仪观测资料的可靠性等［4，5］。

北京百善观测点于2008年10月安装了RZB多分量钻孔应变仪。此应变仪由两个4分量探头(8个不同方向的工作元件)集成而成，同时装有参考元件。本文将利用该井近3年的观测数据对其深井钻孔应变观测系统进行可靠性分析。

2 北京百善RZB深井应变

北京百善RZB井位于昌平区百善镇，应变仪安装深度为210 m。此应变仪由两个4分量的RZB钻孔应变仪构成，其元件安装方向如表1所示，探头与岩石的接触采用微膨胀水泥使其耦合。该仪器于2008年10月安装成功并开始连续记录。

表1 北京百善RZB深井多分量钻孔应变仪元件方位Tab.1 The component orientation of RZB deep strain meter in Baishan，Beijing

3 参考元件的稳定性分析

图1是2009年2月各工作元件的应变记录曲线。图1表明8个元件都能清晰地记录到固体潮汐信号以及趋势性应变变化。

5号元件是RZB钻孔应变仪研制时设计的一个独有元件，它作为参考元件放置在探头内，主要考察在深井环境下工作的传感器自身的长期稳定性和测量系统的长期稳定性。对5号元件的分析结果表明:该元件的年变化量为3×10-9量级(表2)，说明该仪器具有较好的长期稳定性。

对5号元件记录数据的统计分析结果为:观测数据符合N(37.34×10-8，(3.2×10-10)2)正态分布，在2σ置信区间为(37.28×10-8，37.40× 10-8)，置信概率为95.44%;系统噪声水平在10-10应变量级。

表2 北京百善深井多分量观测系统参考元件年变化量(单位：10-8)Tab.2 Annual variation of the reference component(unit：10-8)

4 固体潮调和分析

利用中国地震前兆台网运行评价系统对2010年9—12月的观测数据进行调和分析［6］，得到的结果如表3、4所示。

由表3结果可知，除1号元件的固体潮调和分析结果的相对误差略大外，其他受力元件在2010年9—12月都远小于0.05，观测数据内精度高，完全符合地壳形变观测技术的要求。由表4结果可知，百善深井RZB钻孔应变观测系统各元件计算的面应变潮汐因子虽然存在差异，但自身非常稳定，相对误差也非常小，说明整个测量系统具有较高的观测精度和可靠性。

图1 2009年2月各元件应变记录月曲线Fig.1 Monthly curves of the strain records of all the components in February 2009

表3 观测系统线应变调和分析结果Tab.3 Venedikov results of harmonic analysis of the linestrain

表4 面应变调和分析结果Tab.4 Venedikov results of tidal harmonic analysis of plain train

5 观测系统自检

根据钻孔加衬模型，当探头和围岩耦合处于理想状态时，钻孔θ方向的孔径相对变化为［7，8］:

如果将两个相互垂直的孔径相对变化的测值相加，有

通过式(2)可以对观测数据进行自检。百善深井钻孔应变仪安装上相互垂直的元件有1号和3号，2号和4号，6号和8号，7号和9号，可以通过四组垂直元件计算的面应变的结果一致性，说明探头和围岩的耦合情况，考察记录资料的可靠。用此方法，对2010年12月北京百善数据进行垂直元件相加求面应变处理，曲线如图2所示，由此可见;通过4组不同垂直元件所得面应变结果，在变化趋势上具有较好的一致性。此外，从图2上我们能很直观的发现，其中运用1号、3号和2号、4号元件的数据分别计算的两组面应变结果相似度很高。因此使用此两组计算的面应变结果会更可靠，更有分析研究价值。在此基础上采用排列组合的方式进行各组相关性分析，相关系数如表5所示。从表5可知，北京深井钻孔观测系统耦合优良，数据可靠。

图2 2010年12月数据曲线图Fig.2 Data curves in December 2010

一般的钻孔应变仪只有4个受力元件，将1号+3号和2号+4号进行自检时，只能得到一个相关性系数，无法判别是哪组元件工作状态更优、测值更真实可靠。但北京百善深井钻孔应变观测系统有两个探头，可以通过两两组合进行相关性分析，以验证哪组元件的测值更真实可靠，验证结果如表5所示。从表5可以发现，8个元件的自检相关性系数都很高，说明该系统2010年12月的观测数据质量高。此外，我们认为自检相关性系数的结果可进一步分析各元件工作状态的优劣，对于以后数据的分析利用提供权重的参考信息，有利于科学的运用这些数据。从表5中我们发现7号、9号元件的自检相关性系数略低于其他组，那么我们认为，在使用7号，9号元件的测量数据进行分析时，可适当降低其信任度。而1号、2号、3号、4号、6号、8号工作状态优异，测数真实可靠，更适合进一步的数据分析运用。

表5 元件自检相关性系数Tab.5 Component self-correlation coefficient

6 结论

1)百善深井钻孔应变仪参考元件的年漂移为3 ×10-9，且年漂移量稳定。通过噪声分析说明此系统的噪声水平在10-10应变量级。

2)系统线应变、面应变固体潮调和分析说明百善深井钻孔应变观测系统具有较高的一致性和可靠性。

3)系统自检的相关系数在(0.863，0.957)区间，自检效果良好，说明百善深井钻孔应变观测系统观测可靠。

1 邱泽华，石耀霖国外钻孔应变观测的发展现状［J］.地震学报，2004，26(增):481-488.(Qiu Zehua and Shi Yaolin.Developments of borehole strain observation outside China［J］.Acta Seismlogica Sinica，2004，26(Supp.):481 -488)

2 张国红，等.钻孔应变资料的可靠性分析［J］.大地测量与地球动力学，2010，(增):62-66.(Zhang Guohong，et al. Reliability analysis of borehole strainmetry observations［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2010，(Supp.):62-66)

3 李涛，等.RZB型钻孔应变仪在青藏高原东缘地应力监测中的应用［J］.北京大学学报(自然科学版)，2011，47 (4):677-683.(Li Tao，et al.The application of the RZB borehole strainmeter in crustal stress observation at the eastern margin of the Tibet Plateau［J］.Acta Scientiarum Naturalium Unicersitatis Pekinensis，2011，47(4):677-683)

4 邱泽华，石耀霖，欧阳祖熙.四分量钻孔应变观测的实地绝对标定［J］.地震，2005，25(3):27-34.(Qiu Zehua，Shi Yaolin and Ouyang Zuxi.Absolute calibration of 4-component borehole trainmeters in situ［J］.Earthquake，2005，25(3): 27-34)

5 邱泽华，石耀霖，欧阳祖熙.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，Shi Yaolin and Ouyang Zuxi.Relative insitu calibration of 4-component borehole strain obversation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(1):118-122)

6 蒋骏，等.地震前兆信息处理与软件系统［M］.北京:地震出版社，2000.(Jiang Jun，et al.Earthquake precursor information disposal and software system［M］.Beijing:Seismological Press，2000)

7 潘立宙.测量地应力的钻孔变形法［A］.中国地质科学院地质力学研究所和国家地震局地震地质大队编.地应力测量的原理和应用［C］.北京:地质出版社，1981.(Pan Lizou.Borehole deformation method of ground stress measurement［A］.Principles and Application of Ground Stress Measurement［C］.Beijing:Geological Press，1981)

8 潘立宙.与地应力测量有关的几个公式的推导和讨论［A］.中国地质科学院地质力学研究所和国家地震局地震地质大队编.地应力测量的原理和应用［C］.北京:地质出版社，1981.(Pan Lizou.Derivation of several formulas with their application to in-situ stress measurements［A］.Principles and Application of Ground Stress Measurement［C］.Beijing:Geological Press，1981)

RELIABILITY ANALYSIS OF DEEP BOREHOLE STRAINMETER DATA IN BEIJING BAISHAN

Wu Liheng，Li Tao and Chen Zheng
(The Institute of Crustal Dynamics，CEA Beijing 100085)

Deep borehole strainmeter was installed in Beijing Baishan in October 2008，it has accumulated a lot of observations which provides the basis for the reliability analysis.We analyzed system reliability from stability of the reference component，harmonic tidal factor，and correlation analysis of the plane strain calculated by perpendicular component.In the conclusion，Beijing Baishan deep borehole strainmeter has high consistency and reliability，it can provide reliable and credible observations for geophysics research and earthquake prediction.

deep borehole strainmeter;reliability;system self-test;tidal harmonic analysis;plane strain

1671-5942(2012)03-0041-04

2012-05-03

中国地震局地壳应力研究所基本科研专项基金(ZDJ2010-31-01，ZDJ2011-03)

吴立恒，女，1980年生，硕士，助理研究员，现主要从事地震前兆仪器传感器的研制.E-mail:smiling-lily8013@163.com

TH762.2

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