东平台分量应变与体应变可靠性分析及特殊事件影响对比_徐芳芳.pdf

徐芳芳，朱成林，贾媛，等.东平台分量应变与体应变可靠性分析及特殊事件影响对比 J.地震科学进展,2023,53(2):86-92.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-080XuFF,ZhuCL,JiaY,etal.ReliabilityanalysisofcomponentstrainandvolumestrainatDongpingseismicstationandcomparisonofinfluenceofspecialeventsJ.ProgressinEarthquakeSciences,2023,53(2):86-92.doi:10.19987/j.dzkxjz.2022-080东平台分量应变与体应变可靠性分析及特殊事件影响对比*徐芳芳朱成林贾媛卢双苓（山东省地震局，山东济南250014）摘要本文通过四分量自检、相对标定内精度分析对东平地震台 YRY-4 钻孔分量应变观测资料进行可靠性分析，并结合滑动相关性计算、潮汐因子内精度对 2 套仪器数据进行了对比，证明 YRY-4 钻孔分量应变 2 面应变相关性高，相关系数接近 1，相对标定内精度高，与体应变数据整体趋势一致。2 套仪器观测环境一致，运行稳定，数据正常可靠，但也存在降雨、场地干扰特殊时段曲线表现不一致的情况。针对2 种特殊情况结合相关性计算、S 变换进行了对比分析。结果表明，降雨时段，因钻孔条件差别较大，2 套仪器数据相关性较差，接近 0；场地干扰时段，2 套仪器观测系统均受到影响，频率域同步出现干扰信号，影响数据曲线形态及潮汐因子精度，但 2 套仪器面应变相关性达 0.91。综合分析，东平台钻孔应变仪与体应变 2 套仪器观测系统是可靠稳定的。关键词分量钻孔应变；体应变；可靠性分析；特殊事件；降雨干扰；场地干扰中图分类号：P315.72+5文献标识码：A文章编号:2096-7780(2023)02-0086-07doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-080Reliability analysis of component strain and volume strain at Dongpingseismic station and comparison of influence of special eventsXu Fangfang,Zhu Chenglin,Jia Yuan,Lu Shuangling(ShandongEarthquakeAgency,ShandongJinan250014,China)Abstract In this paper，the reliability analysis of the YRY-4 borehole component strain observation data atDongping seismic station is carried out through the four-component self-check and the relative calibration internalaccuracyanalysis.Thedataofthetwoinstrumentsarecomparedbycombiningtheslidingcorrelationcalculationandtheinternalaccuracyofthetidalfactor.ItisprovedthatthetwosurfacestraincorrelationoftheYRY-4boreholecomponentstrainishigh，andthecorrelationcoefficientiscloseto1.Therelativecalibrationinternalaccuracyishigh，whichisconsistent with the overall trend of the volume strain data.The observation environment of the two instruments isconsistent，andtheoperationisstable，thedataarenormalandreliable.However，therearealsoinconsistenciesinthecurvesofrainfallandsiteinterferenceinspecialperiods.Forthetwospecialcases，comparedbycorrelationcalculation*收稿日期：2022-05-08；采用日期：2022-07-21。基金项目：中国地震局地震科技星火计划（XH21018、XH21019Y）资助。第一作者：徐芳芳（1987-），女，工程师，主要从事形变数据分析研究工作。E-mail：。通信作者：朱成林（1985-），男，高级工程师，主要从事形变监测预报工作。E-mail：。第53卷第2期地震科学进展Vol.53No.22023年2月ProgressinEarthquakeSciencesFeb.,2023andStransform，theresultsshowthat，duetothelargedifferenceindrillingconditions，thecorrelationbetweenthetwoinstrumentdataduringrainfallperiodispoor，closeto0.Duringthesiteinterferenceperiod，thetwoobservationsystemswereaffected，andtheinterferencesignalsappearedsynchronouslyinthefrequencydomain，whichaffectedthedatacurveshapeandtheaccuracyofthetidalfactor，butthestraincorrelationbetweenthetwoinstrumentsreached0.91duringtheinterferenceperiod.ComprehensiveanalysisshowsthatthetwosetsofinstrumentobservationsystemsofcomponentstrainandvolumestrainatDongpingseismicstationarereliableandstable.Keywordscomponentboreholestrain;volumestrain;reliabilityanalysis;specialevents;rainfallinterference;siteinterference 引言钻孔应变观测是研究地壳运动的重要观测手段，目前已有 40 多年的历史，主要以体积式和分量式 2 种钻孔仪器（如 RZB-2 和 YRY-4 分量式钻孔应变仪）为主，观测分辨率达到 1010，可以记录到各种应变潮汐信息。钻孔应变观测作为一种小空间尺度监测地壳形变的重要手段具有不可替代的优势，为了真实捕捉到地壳形变和地震前兆信息，首先需要确保钻孔应变仪处于正常的工作状态。由于钻孔应变仪通过特种水泥作为耦合介质安装在数十米深的钻孔内，无法接触和直接标定、检测仪器探头，仪器的工作状态及数据的可靠性往往难以评价和讨论。已有专家开展过这方面的研究分析，如通过四分量自检、相对标定内精度等来进行反演评定1-4，或对钻孔应变钻孔自身条件进行分析评价5，为科学应用钻孔应变观测资料奠定了基础。本文通过四分量自检、相对标定内精度分析对东平地震台 YRY-4 钻孔分量应变观测资料进行了可靠性分析，并结合滑动相关性计算、潮汐因子内精度对 2 套仪器数据进行对比，验证 2 套仪器数据是否正常可靠，并在降雨、场地干扰 2 种特殊情况下进行相关性计算和 S 变换的对比分析。1台站及仪器概况东平地震台建于 2010 年，是泰安市地方性观测台站，位于东平县城西南 3km，东平湖以东 17km处，海拔 50m。台基岩性浅层为石灰岩，深层为花岗岩，观测环境较好。构造上处于鲁中南隆起和鲁西南拗陷区的过渡地带，附近无大型断层通过。东平台现有 TJ-2 型钻孔体应变和 YRY-4 型钻孔分量应变 2 套形变观测仪器，无气象三要素，2 套仪器相距约 3m。TJ-2 型钻孔体应变仪于 2013 年 12 月 16 日安装运行，钻孔深度 64.5m，孔径 150mm（开孔 162mm），探头安装深度 63.8m，辅助气温探头在观测房中，钻孔气压、钻孔水位探头置于钻孔中，岩体相对完整，但是 020m、4252m 两段岩芯破碎、存在裂隙。钻孔套管的总长度为 0.9m，低于技术标准的 6m，但可用于应变观测仪器的安装运行。YRY-4 型钻孔分量应变仪于 2018 年 11 月安装运行，钻孔深度 40.5m，探头安装深度为 40.2m。北南分量方位角28，东西分量方位角 17，北东分量方位角 62，北西分量方位角 107，钻孔内安装有钻孔气压、钻孔水位探头。2 套仪器自 2020 年 1 月以来连续率、完整率较高，年变规律明显。本文对 2 套仪器 20202021 年10 月间的整点值数据进行分析，研究观测系统是否可靠稳定。2YRY-4 钻孔分量应变观测系统可靠性检验及与东平台 TJ-2 体应变相关性分析东平台 TJ-2 体应变和 YRY-4 分量应变的钻孔相距约 3m，二者钻孔环境一致，观测物理量相同，均可监测钻孔面应变，因此，对比两者观测结果可以验证观测结果的可靠性。钻孔分量应变的观测数据具有方向性和自恰性，可以用于自身可靠性检测。因此，作为对比参照，首先需要验证 YRY-4 分量应变观测结果的可靠性，在此基础上评价二者观测结果的一致性。钻孔分量应变各观测时刻满足双衬套模型观测方程组6：|S1=A(1+2)+B(12)cos2()S2=A(1+2)B(12)sin2()S3=A(1+2)B(12)cos2()S4=A(1+2)+B(12)sin2()(1)Si(i=1,2,3,4)12式中，为钻孔分量应变的 4 个观测分量，为最大主应变，为最小主应变，为最大主应变方向，为第一个分量的方位角，A、B 是与钻孔各层材料的弹性参数和钻孔半径相关的耦合系数。据此方程组可以得到：第2期徐芳芳等：东平台分量应变与体应变可靠性分析及特殊事件影响对比87S1+S3=S2+S4=2A(1+2)(2)式（2）即为四分量钻孔分量应变观测特有的自恰方程，可以验证钻孔分量应变观测结果的可靠性7-9。计算结果表明，YRY-4 分量应变的 2 组面应变均具有高度同步的特征，受钻孔水位影响呈正常变化（图 1）。利用窗长为 25 时的逐日滑动相关性分析显示，2 组面应变的日相关性系数接近 1（图 2a）。根据钻孔四分量应变观测资料可以自检的特点，利用相对标定结果来进一步判断钻孔分量应变观测资料的质量。唐磊等3-4对相对标定系数的平均值、自检SKKSKS内精度进行了分析研究，认为在考虑自检精度 的同时，还应考虑偏差 和平均值，才可较客观地反映观测资料的质量状况。图 3 是钻孔应变各分量每个月的相对标定系数的平均值、偏差、自检内精度指标曲线，值平均值为 0.93、偏差 平均值为0.15，自检内精度指标 平均值为 0.16，自检内精度值较小，说明自检内精度较高，观测资料的质量可靠。上述分析表明 YRY-4 分量应变观测系统工作正常、观测结果可靠，可以进一步与 TJ-2 体应变观测数据做对比分析。105002000100000应变/108钻孔水位/mm月份北南东西北东北西北南+东西北西+北东体应变50010001500200012481248261026101220192020202110月份124812482610261012201920202021（a）（b）图1东平台 YRY-4 分量应变观测系