福建省井水位与体应变观测一致性分析

本文从时域和频域分别对福州台和永安台的体应变和井水位资料观测的一致性进行了分析,并对其力学机制进行了深入探究,在此基础上阐明了二者观测一致性的物理含义.时域内的分析结果显示:福州台体应变与井水位的相关系数为0.7939,钻孔系统的灵敏度为0.0558 mm/10-9,井水位与体应变观测曲线十分相似;永安台体应变与井水位的相关系数为-0.7543,钻孔系统的灵敏度为-0.0005 mm/10-9,井水位与体应变曲线呈镜像对称,这表明两台站的井水位与体应变观测高度相关,且二者的相位滞后近似为零.在频域内,分别对福州台2012年3—5月及永安台2014年3—5月的井水位和体应变资料进行维尼迪柯夫调和分析,分别获取半日波、全日波数个波群的逐月潮汐因子和相位滞后,并计算得到了钻孔系统的灵敏度和井水位相对于体应变的相位滞后.结果表明,3个月中大多数波群的灵敏度十分相近,而且与时域内所得年周期低频分量的灵敏度较接近,但相位滞后误差较大,这可能与采用反正切公式计算相位滞后受计算误差影响有关,即非线性的反正切公式对计算误差具有放大累积效应,因此相位滞后应以时域分析所得接近于零的结果为准.综上,时域和频域的分析结果表明,福州台和永安台的井水位对体应变的响应基本上是线性时不变的,二者观测一致性的根本原因在于两台站的承压含水层井水位观测系统基本上是满足叠加性、齐次性和时不变的物理可实现因果系统.      

汤坑井水位观测系统体应变响应分析

井水位观测系统作为一种天然的体应变计,我们可以把固体潮理论值作为观测井的输入值,以维尼迪可夫调和分析结果的半日波M2波群的振幅比作为井水位观测系统的灵敏度,其倒数即为观测格值,然后就可将井水位观测转换成体应变值。本文以汤坑井为例,计算分析了由印尼远震、汶川地震、台湾地震共三种地震类型对汤坑井水位所激励的水震波,结果显示,所记录到的水震波是叠加在体应变固体潮背景上的一种阶跃,对三种地震类型都分别做出了不同程度的响应,体应变固体潮响应幅度最高可达10^-7,体应变响应幅度与地震能量成正比,响应延迟时间与震中距成正比。     

承压井水位观测系统对体应变的响应机制分析

本文基于弹性力学与流体静力学原理对承压含水层这种弹性孔隙介质在作用力激励下所作出的体应变响应的力学机制进行了较清晰深入的阐述与理论推导,得到了井水位系统的动力学方程,该方程表明井水位系统为一个零阶的放大环节,其传递函数为一常数,从而给出了在含水层孔隙度分别等于零和等于1情况下的井水位系统所允许的理论格值范围.鉴于井水位系统为一个天然体应变计,其维尼迪柯夫调和分析所得到的振幅比（或潮汐因子）即为该水井的传递函数（灵敏度）.由于半日波为水位观测资料的主项,而M2波又为半日波的主项,因此以M2波灵敏度的倒数作为该井水位系统的格值是较为可取的.在取得格值的基础上,本文利用福建5口水井2008年5月份的井水位分钟值对发生在5月12日的四川汶川地震所引起的同震阶变进行计算,四川汶川大地震所引起的这5口水井的水震波幅度与体应变潮汐波幅度约为10^-7~10^-8.     

水井潮汐观测资料的分析

对全国地下水观测网中33口井孔的水位和气压观测资料,采用反复调和分析的方法,求出了井水位固体潮体应变各分波群的潮汐系数和位相滞后,求出了井水位气压各分波群的气压系数和位相滞后。对这些结果作了初步分析和讨论。     

同场地不同钻孔应变观测资料对比

对易县台同场地不同钻孔应变仪观测资料进行研究,分析易县台四分量钻孔应变的可靠性及其体应变的相关性,再分析不同钻孔应变观测对特殊事件的响应。结果显示：(1)易县台四分量钻孔应变观测自检程度不高,需进行实地相对标定;进行相对标定时,选取差分值数据有利于提高数据信度;(2)将四分量钻孔应变的S₁+S₃、S₂+S₄与体应变进行相关性分析,S₁+S₃和体应变的皮尔森相关系数略高于S₂+S₄与体应变的相关系数;(3)对于特殊事件响应方面,体应变和四分量钻孔应变两组面应变受抽水干扰均为张性变化,变化量高于体应变,体应变和四分量钻孔应变的S₁+S₃的相关系数要高于体应变和S₂+S₄的皮尔森相关系数;对同震响应方面,不同钻孔应变的同震响应一致性较好,且相关系数与震级大小有关。     

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.     

张渤带洞体应变参数解算及结果分析

采用张渤带2002年以来的洞体应变观测资料,首先利用Venedikov调和分析方法计算带内各个台站洞体应变测项的潮汐因子和相位滞后,并以潮汐因子的稳定性对观测资料进行了质量评价.其后,以怀来台伸缩仪为例讨论了3分量和2分量观测解算平面应变参数的模型及其适用性,结果表明二者的相关系数在0.9以上.在此基础上,选取张渤带上资料较稳定的16个洞体应变台站资料进行了应变参数时间序列计算,并对华北M5.0地震前应变参数同步变化现象进行了总结.最后对比了洞体应变与GPS应变的差异,并分析了可能的原因.     

黄石台ORBES-81型伸缩仪观测结果的调和分析及海潮改正

本文对黄石台ORBES-81型石英伸缩仪的应变固体潮观测资料作了分析计算,其调和分析结果为:对O₁波,振幅因子0.4219,相位滞后6°36＇;对M₂波,振幅因子0.4256,相位滞后-4°42＇.同时,讨论了海潮引起的负荷潮汐应变的改正问题.模拟计算发现负荷潮汐应变与体潮应变大致为同一量级,文中列出了海潮改正后的结果,并作了讨论.最后,对黄石台伸缩仪的架设方位作了评价.     

地震地球物理观测台网地应变数据集

作为地壳形变监测的一种手段,地应变观测可监测微尺度下的地表应变变化,其分辨率一般为10-9。目前地震地球物理观测台网在网运行的洞体应变观测台站有111个,分量钻孔应变观测站59个,钻孔体应变测站有68个,产出数据包括原始观测数据、台站预处理数据和产品数据,可为地震研究、地球动力学研究提供重要的数据支撑。     

贵阳钻孔应变观测记录地震特征及典型大震同震效应分析

通过分析贵阳地震台钻孔应变观测记录的地震特征和同震应变波阶变情况,说明钻孔应变观测记录地震分量阶变变化与震源物理机制存在一定关系。     

中国四分量钻孔应变仪风雨历程四十年

论文讲述了作者参与的四分量钻孔应力仪的诞生和发展,向读者展示了它的研制到逐步成功的曲折历程,体现了四分量钻孔应力—应变观测给地壳形变观测在数据处理与思想方法带来的有意义的变化。在论文最后,结合21世纪初得到的四分量应变观测的震前异常资料,体会到勇于思考、勇于创新的科学理念,对于建设我国地形变观测体系,做出自己的特色,具有重要的现实意义。     

江宁地震台YRY-4型四分量钻孔应变仪可靠性检验

江宁地震台YRY-4型四分量钻孔应变仪于2006年12月安装运行,多年来积累了大量应变观测数据。采用Venedikov调和及相对标定等方法,从观测数据年变幅度、连续率及稳定性等方面,检验该台钻孔应变可靠性,结果表明,2009年以来,江宁地震台分量钻孔应变观测变仪器运行稳定、可靠,观测资料连续,符合地壳形变观测技术规范要求。     

天水钻孔应变可靠性分析及映震效能检验

通常利用4个元件的读数计算2个面应变数值及相关系数值（数据自检）对天水北道四分量钻孔应变仪观测数据进行可靠性检验,虽然自检效果差,但映震效能好。通过实地相对标定校正元件灵敏度,对观测数据进行校正,获得校正后的自恰性检验结果;根据不同震例情况,采用超限率方法和S变换方法分析校正后数据的映震效果,进一步论证观测资料的可靠性。结果表明,经过实地相对标定后天水钻孔应变观测数据自洽性提高,原始曲线中的异常变化形态在经过超限分析和高频分析后也异常显著,映震效能好,能够真实反映所处区域的构造活动和应变,对甘东南地区地震危险性有很好的地震指示意义,可以更好地用于区域地震预测和地震科学研究。     

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.     

佘山地震基准台四分量钻孔应变仪相对标定

YRY-4型四分量钻孔应变仪观测数据基本符合自洽方程,当数据不符合自洽方程时,一个可能原因是,井下探头中元件的灵敏度发生了变化。佘山地震基准台四分量钻孔应变仪于2006年安装运行,井下探头中各元件现已出现不同程度的老化,在数据分析前必须进行实地相对标定。本文利用应变观测资料的原始值(变化值)和差分值,按照月尺度及年尺度,分别计算四元件灵敏度系数K及矫正前后C_(95)信度指标。对比发现,在月尺度下,若观测资料质量良好,采用变化矫正效果更好,而对于“坏点”较多月份,采用差分矫正可有效去除坏点,提高C_(95)信度指标;在年尺度下,变化矫正后C_(95)信度指标更高。     

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。     

2015年昌黎MS 4.2地震发生前易县地震台钻孔应变观测数据异常

2015年9月14日河北昌黎发生M_S 4.2地震,收集整理易县地震台四分量钻孔应变仪观测数据,基于面应变和切应变视角进行分析,发现二者在震前出现异常变化,且2组面应变相关系数在震前数天即出现异常,该异常或可作为中小地震前应力应变异常识别的信息之一。     

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．      

四川四分量钻孔应变观测数据精度评价

利用邱泽华等给出的观测数据和回归分析方法,计算钻孔应变仪四分量元件的相对标定系数,并根据偏差计算自检内精度等指标,对观测数据进行质量评价。选取2017年四川四分量钻孔应变观测台网记录资料,结合四分量钻孔应变仪观测特点,计算并分析应变观测仪相对标定自检内精度,客观评价观测数据精度,结果发现,2017年仁和台四分量钻孔应变数据各月及全年相对标定系数K_i最大,偏差s最小,自检内精度数值最小,表明该台钻孔应变观测数据精度最高。分析认为,相对标定自检内精度可如实反映台站记录资料的可信度,可以更好、更客观地评价台站四分量钻孔应变观测资料质量。