分量应变和体应变可靠性检验及特殊事件影响对比分析

卢双苓 郝军丽 孟建国 李惠玲 林秀娜

王 铮3 于庆民1 王 艳4 李安宁5

1 山东省泰安基准地震台，泰安市罗汉崖2号，271000 2 山东省地震局，济南市文化东路20号，250014 3 潍坊市地震局，潍坊市东风东街6396号，261000 4 河北省地震局保定中心台，保定市天威中路206号，071000 5 云南省玉溪市元江县防震减灾局，玉溪市平安路中段，653300



分量应变和体应变可靠性检验及特殊事件影响对比分析

卢双苓1郝军丽2孟建国1李惠玲1林秀娜1

王 铮3于庆民1王 艳4李安宁5

1 山东省泰安基准地震台，泰安市罗汉崖2号，271000 2 山东省地震局，济南市文化东路20号，250014 3 潍坊市地震局，潍坊市东风东街6396号，261000 4 河北省地震局保定中心台，保定市天威中路206号，071000 5 云南省玉溪市元江县防震减灾局，玉溪市平安路中段，653300

对泰安台不同类型钻孔应变仪的产出资料进行研究，分析分量应变仪的自检可靠性及其与体应变资料的相关性，以及在抽水干扰情况下的相关性。RZB-3仪两组互相正交的分量应变之和S1+S3、S2+S4的自检相关性达到0.999 9,其与体应变的相关性达到0.998以上。但在抽水干扰情况下，S1+S3、S2+S4自检相关性及与体应变的相关性均较差。

分量应变；体应变；自检；可靠性检验；特殊事件

目前，中国地震前兆台网用于钻孔应变观测的仪器有分量式钻孔应变仪(RZB-2和YRY-4分量应变仪)、体积式钻孔应变仪、深井地壳形变综合观测仪(RZB-3多分量观测系统，含水平分量应变、垂向应变，倾斜等分量)。很多学者针对分量应变观测质量检验进行研究。邱泽华、阚宝祥等[1-4]给出了分量应变实地标定和分量应变自检的方法；张国红、唐磊、方燕勋等[5-7]对体应变和分量应变资料进行对比，对分量仪器数据的检验进行了很多工作；陈莹、方宏芳、刘序俨等[8-10]对伸缩仪和体应变仪进行了对比研究。

泰安台2012年底安装了RZB-3型井下综合观测仪。本文对新安装的综合观测仪应变观测数据的可靠性、自检相关性及其与长期运行的体应变观测的相关性进行研究(研究只针对水平分量应变观测)。

1 台站及钻孔应变仪器简介

泰安基准地震台(以下简称泰安台)始建于1967-02，地处鲁中隆起、莱芜弧形断裂带的北侧(台址附近段落称为泰山山前断裂)，台基为太古代泰山群(Art)花岗片麻岩体，台址附近岩体完整、致密、均匀。

泰安台体积式钻孔应变仪安装于2008-10-10，探头安装在T-2号孔内，探头安装位置77 m；RZB-3型井下综合观测仪安装于2012-10-14，探头安装深度100.35 m。

2 分量应变数据可靠性检验

根据圆孔变形弹性力学分析可知，圆孔内两个互相正交的线应变之和等于圆孔周边介质的面应变。在假定介质的泊松比后，还能计算出垂向应变。面应变加上垂向应变就是体积应变，所以理论上面应变和体积应变之间有一定的比例关系。四分量钻孔应变仪因为包括两组互相正交的应变测量元件，故可以得到两组面应变结果，因而可以方便地进行仪器测量数据的自检[1-6]，从而获得更加可靠的观测资料。其自检方程为：

(1)

一些学者利用四分量应变仪可以自检的功能，对观测资料进行了检验[1-6]，取得了一些研究成果。

2.1 分量应变实测值自检

首先将台站产出的RZB-3型井下综合观测仪的水平分量应变观测(简称分量应变)数据进行自检。利用2013-07～2013-10产出的原始数据(未进行参数转换的电压值)，计算出S1+S3和S2+S4两组面应变，并进行相关分析，发现两者每月相关系数达到了0.999(表1)。

表1 分量应变观测自检相关系数

2.2 分量应变与体应变对比检验

因理论上面应变和体积应变之间呈一定的比例关系，因此用面应变S1+S3、S2+S4与体应变仪数据进行相关性分析，检验是否存在一致性。

以2013-08原始数据(未进行参数转换的电压值)为例，将S1+S3、S2+S4与体应变观测数据进行相关分析，其相关系数呈负值。由于体应变正向变化定义为压性，分量应变正向变化定义为张性，因此计算的相关系数为负。再次对数据作处理，将S1+S3、S2+S4求绝对值后发现，体应变与之呈现出较好的相关性(表2)。

表2 分量应变S1+S3、S2+S4与体应变相关系数

从表1和表2看出，在正常观测情况下，RZB-3分量应变的S1+S3和S2+S4两组面应变自检相关性，及其与体应变仪实测值的相关性都比较好，均达到0.99以上，充分说明RZB-3型综合仪所记录四分量应变值的可靠性。同时，能记录到正常的应变固体潮曲线，以及一定强度的远震。图1为其正式入网后所记录的2014-04-02智利M8.1地震。

图1 分量应变记录到的地震曲线Fig.1 An earthquake recorded by component strain meter

3 抽水干扰对分量应变的影响检验

荷载对钻孔应变观测的影响在实际的资料分析中需要定性与定量相结合。定性分析主要是从时间进程上判定荷载对地应变产生的影响，具有较高的准确性，但是不能确定荷载所引起的应变量值大小。

3.1 抽水情况下四分量应变自检

2014-05-29～06-09地震台对面的林科院新打一眼深井并开始抽水，打井期间和抽水期间对台站形变观测产生极大影响。2014-06-05 07:50林科院开始抽水，地震台所有形变仪器均同步发生较大变化，尤其以分量应变和体应变干扰最为严重。其井孔及水量情况如下：井深150 m，井口直径215 mm,抽水流量 4 m3/h，泵深 130 m。该井在地震台西偏北方向，距离地震台形变仪器观测区直线距离约200 m，距离RZB-3井孔直线距离160 m，体应变和四分量井孔230 m。

此前，台站周边存在多年的浅井自渗井对形变观测并无影响。抽水干扰发生后，分析RZB-3综合仪分量应变的自检情况，检验S1+S3与S2+S4两组面应变是否变化一致。如图2所示，两组面应变在抽水干扰情况下曲线形态一致，只是相关性较差，两者相关系数见表3。

图2 抽水时分量应变S1+S3与S2+S4对比Fig.2 Pumping disturbed data of S1+S3 and S2+S4

数据所选日期相关系数2014-06-04/分钟值0.91492014-06-05/分钟值0.93132014-06-04～09/分钟值0.63112014-06/整时值0.2490

从表3看，在抽水干扰情况下，四分量应变仍符合自检条件，S1+S3与S2+S4仍有较明显的相关性，但相关性比正常时段变差。06-04～06-09连续6 d抽水，相关性仅为0.631 1，而6月整月的相关性仅为0.249 0。

3.2 抽水情况下分量应变与体应变对比检验

虽然理论上两个互相正交的线应变之和等于圆孔周边介质的面应变，面应变和体积应变呈一定的比例关系，但与体应变仪观测结果比较，两者之间的一致性和相关性并不强。对比2014-06的S1+S3、S2+S4和体应变仪整时值图(图3)可以看出，两组面应变在抽水干扰时段与体应变观测的变化形态和幅度相差较大，没有明显的一致性。

图3 S1+S3、S2+S4与体应变对比Fig.3 Observed data of S1+S3 and S2+S4 and volume strain meter

4 结 语

通过对泰安台不同类型钻孔应变仪产出资料进行对比，分析分量应变的自检可靠性及其与体应变的相关性以及在抽水干扰下的相关性，结果如下：

1)正常观测情况下，分量应变观测的两组面应变S1+S3、S2+S4的曲线形态一致性较好，自检相关性较强，达到了0.999。其与体应变的相关性也比较好，相关系数达到0.998以上。

2)在抽水干扰情况下，分量应变观测的两组面应变S1+S3与S2+S4的变化形态虽有一致性，但相关性较差，相关系数较小，尤其是2014-06-04～06-09连续抽水且抽水量较大时，相关系数仅为0.631 1。

在抽水情况下，无论是分量应变自检相关性，还是其与体应变的相关性均较差。其原因可能是分量应变的4个测项的安装方位不同，某一方位的干扰源对不同方位的线应变变化的影响程度不同。具体原因有待更深层次的探讨。

[1] 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,2005,25(1):118-122(Qiu Zehua，Shi Yaolin，Ouyang Zuxi.Relative In-situ Calibration of 4-Component Borehole Strain Observation[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics ，2005,25(1):118-122)

[2] 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，Ouyang Zuxi.Absolute Calibration of 4-Component Borehole Strainmeters [J].Earthquake ，2005,25(3):27-34)

[3] 邱泽华,阚宝祥,唐磊.四分量钻孔应变观测资料的换算和使用[J].地震,2009,29(4):83-89(Qiu Zehua, Kan Baoxiang, Tang Lei, Conversion and Application of 4-Component Borehole Strainmeter Data [J].Earthquake，2009,29(4):83-89)[4] 阚宝祥,邱泽华,池顺良.姑咱台四分量钻孔应变观测的实地标定[J].大地测量与地球动力学,2009,29(1):36-40(Kan Baoxiang,Qiu Zehua,Chi Shunliang. In-Situ Calibration of Guza Station’s 4-Component Borehole Strainmeter [J]. Journal of Geodesy and Geodynamics ，2009,29(1):36-40)

[5] 张国红,王勇,杨选辉,等.钻孔应变资料的可靠性分析[J].大地测量与地球动力学,2010,30(增1):62-66(Zhang Guohong, Wang Yong,Yang Xuanhui,et al. Reliability Analysis of Borehole Strainmetry Observations [J].Journal of Geodesy and Geodynamics， 2010,30(Supp1):62-66)

[6] 唐磊,邱泽华,宋茉.钻孔四分量应变观测自检内精度分析[J].大地测量与地球动力学,2010,30(增2):36-39(Tang Lei,Qiu Zehua,Song Mo，Self-test Accuracy of 4-Component Borehole Strain Observation [J].Journal of Geodesy and Geodynamics ，2010,30(Supp2):36-39)

[7] 方燕勋,阚宝祥.湖州地震台钻孔体应变仪和伸缩仪记录资料对比[J].地震地磁观测与研究,2010,31(2):101-103(Fang Yanxun，Kan Baoxiang，Data Comparison of Tj-type Volume-Strain-Meter and Extensometer at Huzhou Seismic Station [J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2010,31(2):101-103)

[8] 陈莹,刘序俨,陈光,等.福建省井水位、体应变仪与伸缩仪对汶川大震的响应分析[J].国际地震动态,2009(4):49-50(Chen Ying，Liu Xuyan，Chen Guang，et al. On Response of Well Water Level，Body Strain Meter,Extensometer in Fujian Province to Wenchuan Earthquake [J]. Recent Developments in World Seismology，2009(4):49-50)

[9] 方宏芳,刘序俨,张凯,等.漳州台深井综合观测与洞体应变观测资料对比分析[J].内陆地震,2011,25(4):342-348(Fang Hongfang，Liu Xuyan，Zhang Kai，et al ，Contrast Analysis of Strain Tide of Deep Bore Observation System and Cave in Zhangzhou Seismic Station [J]. Inland Earthquake，2011,25(4):342-348)

[10]刘序俨,方宏芳,张凯,等.漳州台深井应变不变量同震响应分析[J].华南地震,2011,31(4):51-61(Liu Xuyan，Fang Hongfang，Zhang Kai，et al. Analysis on Deep-well Strain Invariant’s Co-seismic Response at Zhangzhou Seismic Station [J].South China Journal of Seismology,2011,31(4):51-61)

WANGZheng3YUQingmin1WANGYan4LIAnning5

About the first author:LU Shuangling, senior engineer,majors in observation of crustal deformation,E-mail:liuru-si@163.com.

Reliability Testing of Component Borehole Strain Meter and Volumetric Strain Meter and Comparative Analysis on Data Impacted by Special Events

LUShuangling1HAOJunli2MENGJianguo1LIHuiling1LINXiuna1

1 Taian Fiducial Seismic Station of Shandong Province, 2 Luohanya,Taian 271000, China 2 Earthquake Administration of Shandong Province,20 East-Wenhua Road, Jinan 250014, China 3 Earthquake Administration of Weifang, 6396 East-Dongfeng Street,Weifang 261000, China 4 Baoding Central Seismic Station of Earthquake Administration of Hebei Province,206 Mid-Tianwei Road,Baoding 071000, China 5 Earthquake Disaster Prevention Bureau of Yuanjiang，Mid-Pingan Road，Yuxi 653300, China

This paper compares the observation data of different borehole strain meters of Taian fiducial seismic station. We analyze the self-testing reliability of component borehole strain. The correlation of component borehole strain meter and volume strain meter in the normal state and during drawing water conditions is also studied. The correlation coefficient betweenS1+S3andS2+S4, two orthometric components of RZB-3, is 0.999 9. The correlation coefficient betweenS1+S3andS2+S4of RZB-3 and volume strain is above 0.998. However, there is poor correlation when the instruments are disturbed by pumping.

component borehole strain meter; volume strain meter; self-testing; reliability testing; special events

Key Scientific Research Fund of Earthquake Administration of Shandong Province, No. JJ1302.

2016-12-26

项目来源：山东省地震局重点科研基金(JJ1302)。

卢双苓，高级工程师，主要从事地壳形变观测研究，E-mail:liuru-si@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.12.019

1671-5942(2016)012-1117-04

P315

A