四分量钻孔应变观测资料的换算和使用

水平四分量钻孔应变仪观测的是地表附近一点的水平应变变化. 但是其直接记录并非应变变化,应根据互检条件先进行实地相对标定(计算元件校正系数),然后用理论固体潮进行实地绝对标定(计算探头校正系数),才能进行应变换算,给出可作为应变变化使用的数据. 因为钻孔应变仪观测的是应变变化,所以实地标定和应变换算都需要用增量. 对于精确的研究,这些校正系数都可能随时间变化,因而需要根据具体问题按特定时间段对校正系数进行计算. 该文比较系统地说明了四分量钻孔应变观测资料换算和使用的基本步骤和具体方法,并以姑咱台的观测资料为例,给出了具体分析结果.     

安徽省TJ-Ⅱ型钻孔体应变观测资料干扰分析

对安徽省内同一时间安装,不同地理位置,不同构造条件的5个台站TJ-Ⅱ型钻孔体应变观测资料进行分析,结果表明:5个台站体应变受到的干扰因素存在差异,其中合肥、黄山台体应变受地下水位、降雨、气压影响明显,两台体应变和水位相关程度达到0.85以上,气压相关程度达到0.70以上,降雨干扰系数较大,其中合肥台约为为0.50×10~(-8)/cm。蚌埠台钻孔应变存在严重抽水干扰,产出数据规律不明显;六安台钻孔体应变受水位干扰较小,短周期气压干扰明显,嘉山台仪器安装在无水钻孔内,受降水和水位干扰较小。     

体应变观测数据稳定性影响因素

从钻孔体应变仪器安装和标定维护、数据曲线形态及观测精度,对比分析山东省东平、邹城和陵阳地震台体应变观测资料,结果发现：东平地震台观测质量较好,质量最佳月份精度达到0.006 5;陵阳地震台无明显干扰源,精度可达0.01。因钻孔条件不同导致观测精度受到不同程度影响,如：陵阳地震台为节理裂隙较发育的安山岩,相对东平、邹城地震台较完整的花岗岩基精度稍低。     

体应变观测数据稳定性影响因素

从钻孔体应变仪器安装和标定维护、数据曲线形态及观测精度,对比分析山东省东平、邹城和陵阳地震台体应变观测资料,结果发现:东平地震台观测质量较好,质量最佳月份精度达到0.006 5;陵阳地震台无明显干扰源,精度可达0.01。因钻孔条件不同导致观测精度受到不同程度影响,如:陵阳地震台为节理裂隙较发育的安山岩,相对东平、邹城地震台较完整的花岗岩基精度稍低。     

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.     

数字化钻孔体应变干扰机理及异常分析

对山东省钻孔体应变仪数字化观测资料的干扰及突跳异常进行了分析、讨论，认为：(1)山东省四个台站的钻孔体应变观测资料不同程度地受降雨、地下水位、气压、温度的影响，其中，烟台台体应变观测受到的干扰最多，影响最显，主要与其钻孔的地质条件有关。(2)长清台体应变观测资料中出现的几次突跳异常是由井孔内破碎带处掉下的岩块引起的变化。     

基于四层钻孔模型的体应变潮汐因子差异性原因分析

在钻孔应变观测的实际标定分析中,一般是通过对钻孔应变观测资料采用固体潮调和分析的方法直接获得钻孔面应变耦合系数,该方法未能充分反映观测的钻孔应变与地层应变之间的内在联系。本文基于“地层-等效弹性层-水泥环-钢筒”四层耦合介质钻孔模型,利用TJ-2C型体应变仪器的测量钢筒内外径和弹性参数、钻孔半径以及水泥环弹性参数,给出不同地层中钻孔耦合系数与钻孔等效弹性层弹性模量之间的变化关系。对我国现有运行的40多套TJ-2C型钻孔体应变观测资料的分析表明,潮汐因子分布范围在0.01至1.86之间,基岩为花岗岩类的潮汐因子均值为0.83,基岩为灰岩或砂岩类的潮汐因子均值为0.57,即硬地层中的潮汐因子高于软地层。基于对该四层模型探讨发现,等效弹性层的等效弹性模量大小反映了钻孔的耦合状态,对于同类型基岩地层,探头与地层耦合不佳将导致其等效弹性层弹性模量下降,进而导致钻孔潮汐因子下降。本文以砂岩弹性模量0.5 GPa作为判定钻孔耦合状态的下限,即认为等效弹性模量低于0.5 GPa时钻孔处于脱耦状态,统计结果表明我国现有钻孔体应变观测中有约30%的钻孔处于脱耦状态,这一研究结果对预报人员应用这些钻孔资料开展地震分析预报工作有重要指导意义。     

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。     

福州地震台TJ-2型钻孔体应变观测资料干扰分析

对福州地震台TJ-2型钻孔体应变观测资料进行整理,识别并统计引起数据曲线发生畸变的干扰因素,认为主要有气压、降雨、地下水、雷电、电源干扰等因素。分析各影响因素干扰特征,以便识别体应变观测资料干扰异常。     

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。     

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.      

地壳应变场观测中体应变与面应变转换系数的计算

将钻孔体应变仪与分量式应变仪的观测资料在面应变平台上进行整合,对于解决目前两种应变仪观测数据的评估、分析、处理和地震预报问题有实际意义．根据潘立宙-陈沅俊和Evertson理论及弹性力学知识,分别建立了平面应力作用下体应变和面应变观测的力学模型,推导了观测钻孔、空孔和无孔岩石体应变与面应变转换系数的计算公式,发现它们都可以归结为同一公式描述,差异仅在于k（体应变仪钢筒内壁或无孔岩石面应变与空孔岩石面应变之比）的取值不同．用Evertson理论推导的公式与空孔岩石情形相近,当岩石弹性模量为4times;1010——8times;1010 Pa时,二者都可以看成是对潘-陈公式的一种简化、近似计算;无孔岩石的情况则相当于在岩石弹性模量为1times;1010 Pa时对该式的一种估计. 文中结合实际情况对转换系数的各种影响因素进行了详细分析．      

钻孔耦合对体应变观测的影响分析

利用三层厚壁筒组合模型,给出不同类型体应变的相互转换关系,分析模型参数变化对3类体应变仪观测的影响。通过对全国60多个台站的体应变观测资料分析,发现钻孔的气压系数与潮汐因子无简单对应关系。利用固体潮标定不同台站的体应变到统一系统的体应变,结果表明,多数台站存在体应变潮汐因子观测值比理论值明显偏小现象,推测可能与钻孔存在非完全耦合有关。     

对当前四分量钻孔应变观测的审视——以应变不变量为标尺

本文采用摩尔圆模型推导出中国和美国3种不同类型的四分量不同布设的两套钻孔应变的5组观测组合公式,随机选取了25个台站多年的观测资料计算5组最大、最小主应变及主方向,并采用两两相关和回归分析的方法对其一致性进行了检核.计算结果显示:经过大致1—2年时间后,应变不变量变化稳定,主应变及主方向越来越接近;大多数台站5组最大、最小主应变数值之间的相关系数和回归系数接近于1,表明这些仪器记录的应变数据具有客观真实性.5组主方向数值相差较大,本文对此进行了分析,并给出了5组观测组合公式的误差估计,发现主应变计算值的最大均方根误差是有上限的,主方向没有上限.最后对影响钻孔应变5组不变量一致性的一些因素进行了初步探讨.研究结果表明钻孔应变观测技术有其特殊的困难,在经历了半个世纪实践后,取得了重要进展,但仍有一些技术问题亟待解决.     

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．      

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。     

昌平台钻孔应变固体潮调合分析

介绍了体应变观测潮汐因子和勒夫数 h2 之间的线性关系 ,h2 的变化幅度较体应变观测潮汐因子震前异常变化大 7.5倍。同时 ,昌平台剪应变观测潮汐因子 O1波与体应变观测潮汐因子M2 波震前异常有较好的一致性 ,研究钻孔应变观测潮汐因子的变化有可能是取得地震前兆的有效途径之一。     

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.     

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。