钻孔应变仪设计关键技术分析

钻孔应变观测已成为当今地学界关注的焦点。根据近年对钻孔应变观测技术的初步研究,分析当前钻孔应变仪设计存在的不足,提出改进设计的方法与关键技术点,希望由此促进我国钻孔应变观测技术的发展。     

钻孔应变观测技术发展方向探讨

从大地测量技术、地震观测技术和钻孔应变观测技术３种地面运动观测方法在观测频频带和观测精度方面的互补性,探讨了钻孔应变观测技术的发展方向,指出钻孔应变观测应将观测重点放在周期数十秒到数十天的短临信息频段,同时指出,钻孔应变观测可以同时用于声和高频地震观测,以获取更多的短临信息。     

基于B/S的钻孔应变数据可视化分析平台

随着四分量钻孔应变观测数据的积累和观测可靠性的提升,提高钻孔应变观测数据的处理分析和可视效率是当前钻孔应变观测研究的重要任务。钻孔应变观测数据在超宽频带内具有高分辨率,使得钻孔应变观测对地震和地震预报研究具有重要意义。利用正应力花瓣图表示法来显示地应力的变化,不仅有助于定性分析台站所处地点的相对地应力变化,也可以定量读取在某时刻任一方向上观测到的正应力。本文通过这种方法与数据可视化技术结合,以图表数据结合地图展示作为平台主体,搭建了基于B/S体系结构的四分量钻孔应变数据可视化分析平台。该平台可以直观展示钻孔应变仪记录的地应力时空变化,实现钻孔应变数据的可视化分析与多用户共享访问。     

德令哈地震台分量钻孔应变干扰分析

使用德令哈地震台钻孔水位和黑石山水库水位记录数据,与德令哈钻孔应变观测数据进行相关分析;采用集中载荷模型计算水库负载作用对钻孔应变观测的理论干扰值,与实际观测值进行对比。结果显示,水库蓄水对钻孔应变观测造成严重干扰;水库负载作用与渗透作用对钻孔应变观测影响较小,水库水位变化导致周围岩体所受水压作用出现变化,可能是影响钻孔应变观测的主要因素。     

基于高分辨率钻孔应变仪的地震应变波观测研究进展

由于具有高灵敏度、观测频带宽、长期稳定性等优点,高分辨率钻孔应变仪日益成为当今地学界开展地壳长期形变观测的主流观测仪器之一,并逐渐应用到地震和火山事件等引起的高频地震应变波观测中.为了更好的推进地震应变波定量化观测技术的发展和应用,本文从基于高分辨率钻孔应变仪的地震应变波的高频采样观测实验、高分辨率钻孔应变仪的频响带宽...     

仪器标定格值变化对钻孔应变观测数据的影响

以巴南地震台钻孔应变某一时段观测资料异常变化为例,指出观测仪器元件标定格值是影响钻孔应变观测数据的重要参数,与固体潮汐幅度成反比例关系,且格值变化也可能是改变钻孔应变趋势形态的一种因素。文中分析格值与应变观测数据之间的物理机制,校正恢复异常时段观测曲线,为钻孔应变异常干扰识别工作提供参考。     

钻孔应变观测与洞室形变观测的干扰分析

钻孔应变观测系指通过安装于钻孔中的钻孔型仪器进行的应变(含倾斜)观测。洞室形变观测则在深山洞或矿井巷道的观测室内,使用较大尺度的形变观测仪器进行。 大约十年前,我们即已开展洞室形变观测。近几年来,钻孔应变观测日益风行。后者与近年来刚生产出和引进了钻孔型仪器分不开。     

四分量钻孔应变观测值计算地层应变与应力

安装钻孔应变观测仪的目的是观测钻孔应变的非潮汐变化,了解地层的应变和应力变化,探索非潮汐异常变化与地震前兆的关系。用四分量钻孔应变观测值中的非潮汐变化计算地层应变和应力变化是多解的。根据弹性力学原理和各方向观测值等权的办法,提出一种用应变固体潮面应变相等的条件来滤定钻孔应变观测值的格值,用该值计算出地层的应变变化和应力变化。     

乌什地震台多分量钻孔应变观测资料干扰的初步分析

根据多分量钻孔应变的观测原理,从理论和实际观测中分析了水厂抽水、标定、同机柜检修仪器的相互影响、数采死机重启数采、天气突变打雷等对多分量钻孔应变观测的影响。分析表明,钻孔应变观测值波动时间与各干扰时间基本吻合,因此认为水厂抽水、同机柜检修仪器、天气突变打雷等对多分量钻孔应变观测会造成一定程度的干扰。     

钻孔应变观测干扰及异常分析

怀来台体积式钻孔应变仪安装于1988年,以应变固体潮为主要观测目标.多年来,取得了连续完整高质量的观测资料.本文列举了怀来钻孔应变的台址背景及仪器观测条件;分析了实际观测中钻孔应变资料受仪器零漂、气压、水位、降雨等因素的干扰;研究了钻孔应变在本区及邻区震前出现的记录曲线畸变、潮汐因子异常、应变固体潮畸变等不同形式的异常变化并对其进行特征分析.研究表明,钻孔应变观测是获取构造活动异常变化信息,进行地球物理研究、地震预测预报的有效途径.     

一种新型分量式钻孔应变仪数据采集单元的设计及应用

本文根据新一代RZB型分量式钻孔应变仪的信号特点,设计了一种新型数据采集器.本设计采用了基于32位ARM的工控核心板以及嵌入式Windows CE操作系统作为软硬件平台,集成了总线数字信号与多通道高精度模拟信号的数据记录单元,实现了分量式钻孔应变观测系统的数据采集、存储、传输以及远程监控.实际测试表明,本采集系统具有高分辨率、低功耗等特点,主要参数指标达到了新型RZB型分量式钻孔应变观测系统信号采集要求.实际台站应用表明,本系统具有较高的可靠性和稳定性,可满足实际台站观测要求.     

分量式钻孔应变仪监测的附加应变场面应变分析

根据钻孔加衬模型和应变理论,得出分量式钻孔应变仪观测值不等于实际的线应变,但相互垂直的应变元件观测值之和与面应变成正比例.利用四分量钻孔应变仪的“自检”功能,对观测数据进行校正.以漳州地震台分量式钻孔应变仪资料为例,计算校正系数.校正前后的残差分析结果表明,校正效果明显.     

INFLUENCE OF PUMPING ON FOUR-COMPONENT BOREHOLE STRAIN AT TAI'AN SEISMIC STATION AND ITS INTERFERENCE MECHANISM

Four-component borehole strainmeter (FCBS) is one kind of high-precision borehole strain observation instruments invented in China. As a kind of near-surface deformation observation instrument, FCBS is also easily disturbed by the external environment factors. As a common factor, pumping has significant influence on FCBS observation. Existing studies mostly identify the pumping interference from the perspective of observation curve morphology, relatively few studies focus on its interference mechanism. In order to truly capture earthquake precursor information, it is necessary to study the interference mechanism. In recent years, RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station has been seriously affected by pumping, so it is necessary and also feasible to study the interference mechanism of pumping. Since the influence of pumping interference on borehole strainmeter is common, this work would be very practical and be used for reference by other borehole strain observation stations. We find that the original observation curves and observed surface strain, shear strain from RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station have the characteristics of synchronous change with the borehole water level, in which the linear correlation coefficient between the two observed shear strain curves and borehole water level reached 0.70 and 0.82 respectively. We further find that the principal strain direction of borehole and borehole water level after normalization meet the nonlinear function as y=1.217arctan(x)^0.224-0.284. The above phenomenon indicates that the observation of RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station is significantly affected by the borehole water level, and the influence is more obvious and the gradient is larger at the stage of low water level. Pumping interference often appears in low water level stage and changes the rock pore pressure state. Statistics show that pumping interference affects the borehole strain state. To investigate the interference mechanism of pumping to RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station, we take a known pumping as an example, in which we study the principal strain state of the borehole in three periods of normal pumping, interruption of pumping and resuming pumping respectively. During each period, we solve 3 parameters of the principal plane strain state, i.e. the maximum principal strain rate, the minimum principal strain rate and the maximum principal strain direction from four observation equations of FCBS by nonlinear iterative least squares algorithm. On the other hand, concentrated load model (CLM) is used to simulate the mechanical mechanism of pumping. Firstly, the depth of FCBS relative to pumping source and the concentrated load at pumping source are inversed, then, the strain state surrounding the pumping well, including the state at RZB-3 borehole, is simulated by forward modeling. By comparing these results, we find that: (1)The concentrated load at pumping source inversed by CLM during periods of normal pumping and resuming pumping are both located at or near the bottom of the pumping well, which is consistent with the actual situation, indicating that mechanism and degree of the influence of pumping on borehole strain are well simulated by CLM. (2)The observed strain state is consistent with the simulation result of pumping interference by forward modeling, indicating that the principal strain state of borehole calculated based on observation of FCBS reflects the true strain state of borehole under different pumping states.(3)The inversed concentrated load at pumping source during pumping periods is significant greater than the load of the pumped water, indicating that the pumping process has more significant influence on the pore pressure of rocks than the load of the pumped water. Even though CLM is an approximate simulation since it's based on some elastic assumptions, the interference mechanism of pumping on RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station is well explained, which is maybe very helpful for studying the influence of pumping interference on other deformation instruments, locating the unknown pumping source and studying the characteristics of pore pressure of rocks.     

钻孔体应变与面应变观测井孔耦合系数的计算

钻孔应变观测系统（岩石、 膨胀水泥和应变仪钢筒）存在显著的井孔耦合效应,只有确定这一耦合系数,才能得到地壳岩石的真实应变值,从而实现不同测点数据的可比性．本文根据双衬套理论及弹性力学理论,建立了三维空间应力作用下体应变与面应变观测力学模型,并进一步推导各自井孔耦合系数计算式,发现两组系数与井孔的受力状况密切相关,分别与不同力源引起的应变信号相对应．亦即应力比（钻孔轴向应力与平面应力之比）不同,耦合系数也不一样,体应变随应力比的增大而下降,面应变则上升. 本文结果还表明平面应力作用下的耦合系数与外加应力无关,只与观测系统本身有关,故数值保持恒定. 此外,文中对其影响因素也进行了分析,结果表明,体应变和面应变的井孔耦合系数均随岩石弹性模量和泊松系数的增大而增大,且前者的幅度较大,井孔耦合材料水泥对二者影响均很小．      

钻孔耦合因素对引潮力标定的影响分析

利用多层厚壁筒组合的力学模型,分析介质力学性质变化对钻孔面应变耦合系数的影响。利用引潮力标定方法对观测资料的研究表明,"地层、水泥环和钢筒"模型不能完全反映观测条件,考虑原地应力卸载影响的四层介质耦合模型,与观测环境基本相符,可以对观测结果进行较合理解释,同时发现钻孔面应变耦合系数的大小与台站的背景应力场存在一定关系。     

地壳形变深井综合观测技术的新进展

简要讨论了国内外钻孔应变观测技术近10年来的发展动态,分析了美、日技术的特点,然后,介绍了作者依据自身的技术积累,研制新型深井综合观测系统取得的进展。所研制的RZB型深井地壳形变宽频带综合观测系统采用数字化电容式位移传感器,具有噪声低、动态范围大的特点;基于井下数据总线技术,使得按不同要求进行观测系统集成非常灵活;通过完善井下探头安装工艺,提高了深井安装的质量。最后,对北京百善和福建漳州两个深井地壳形变综合观测实验站的建设及观测数据进行了讨论。     

高采样四分量钻孔应变仪记录应变地震波的可靠性分析

自2017年开始,陆续对中国地球物理台网10个钻孔应变测点的数据采集器进行升级,产出了大量的高采样钻孔应变观测数据。利用相关系数和自检精度2个检验四分量观测数据自洽性能的指标,定量分析了台站记录的2020年2月3日成都5.1级和2020年3月25日千岛群岛7.5级地震的应变地震波,结果显示高采样观测数据信度较高。对比分析了10个台站记录的2次地震的震相,证明高采样四分量钻孔应变仪具备记录清晰应变地震波的能力,且其可靠性较高。综合结果证明,高采样四分量钻孔应变观测可进一步为地震学研究提供新的数据资源。     

分量式钻孔应变观测耦合系数的计算

根据双衬套钻孔应变观测力学模型,推导出平面应力作用下各分量应变观测中两个耦合系数(A、B)的计算公式,为进一步确定地壳应变场最大、最小主应变的数值及方向提供了必需的前提条件,对当前国内外开展的利用钻孔应变进行地震、火山和板块边界的观测研究具有一定积极意义.研究结果表明,A、B与用双环模型和复变函数法解算出的c(面应变响应因子)、d(剪应变响应因子)之间分别存在2倍的关系(c=2A,d=2B),并且二者绘制的曲线完全一致,c、d的物理含义分别是地壳岩石面应变与剪应变观测的井孔耦合系数.     

福建省数字化钻孔体应变观测资料质量初步分析

对整个福建省的钻孔体应变仪器运行状况进行了综合评价,并对4个台站的观测资料质量进行了分析,用M2波潮汐因子及其相对中误差等来衡量其总体精度和稳定性,还分析了钻孔应变观测的干扰机理和特征,希望能够正确地认识以及排除观测资料中的非异常信息,提高观测精度,为地震分析预报提供可靠的前兆资料。