高精度鉆孔應(yīng)變儀在文安地震臺的應(yīng)用

高精度鉆孔應(yīng)變儀在文安地震臺的應(yīng)用

1將大量采用四分量鉆孔應(yīng)變儀大量觀測的必要性20多年前，孔內(nèi)“土壤肥力”的觀測在地震預(yù)報和監(jiān)測中發(fā)揮了作用。但土應(yīng)力觀測探頭一般只位于地表下數(shù)米深處,受地表各種干擾明顯;同時,其觀測儀器的分辨力也很低(～10-5)。而最重要的是,以往的鉆孔“土應(yīng)力”觀測,因為其觀測量的物理意義難以驗證,所以無法科學(xué)地說明觀測變化的機制。1977年,文獻提出并研制成功四分量鉆孔應(yīng)變儀。池順良等研制的YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀大量使用,大多數(shù)都達到了相當高的自檢水平。四分量鉆孔應(yīng)變儀大量在巖石中的觀測表明,數(shù)據(jù)非常好地符合自檢方程。那么,在土層中觀測是否同樣滿足自檢條件?這個問題對在土層中進行鉆孔應(yīng)變觀測至關(guān)重要。有鑒于此,我們開展了用YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀在土層中進行連續(xù)應(yīng)變觀測的試驗,探索解決如何在土層中進行應(yīng)變觀測的問題。2應(yīng)變傳感元件文安的YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀于2008年9月23日安裝。探頭深約22m,處于粉質(zhì)黏土層中,下部是厚約4m的細沙層。探頭內(nèi)有分別指向水平不同方位的四個電容應(yīng)變傳感器元件(表1)。根據(jù)研究,鉆孔應(yīng)變儀對某方向(方位角θ)直徑變化Sθ與實際應(yīng)變變化的關(guān)系符合Sθ=A(ε1+ε2)+B(ε1-ε2)cos2(θ-?)(1)其中,ε1、ε2、?分別表示最大、最小主應(yīng)變和主方向,A和B是兩個與土層和套筒有關(guān)的常數(shù)。觀測采樣率為1次/分鐘。經(jīng)過最初調(diào)整階段的劇烈跳動,2008年10月中旬開始曲線基本穩(wěn)定。至今,除個別短暫的故障中斷外,記錄狀態(tài)良好。3yra-4型鉆孔應(yīng)變檢測設(shè)YRY-4鉆孔應(yīng)變儀四個元件按夾角45°順序擺放。根據(jù)公式(1),理論上有S1+S3=S2+S4=2A(ε1+ε2)(2)公式(2)的左邊等式稱為自檢方程。記Ri(i=1,2,3,4)為文安的YRY-4型鉆孔應(yīng)變觀測值,如圖1所示,初看四個元件的觀測曲線似乎毫無規(guī)律,但曲線R1+R3和R2+R4十分相似。這說明該觀測可靠,反映的是應(yīng)變變化。4相對標定系數(shù)記Si=kiΔRi,ki(i=1,2,3,4)為待定系數(shù)。自檢方程為k1ΔR1+k3ΔR3=k2ΔR2+k4ΔR4(3)在最小二乘的意義下,用大量的實際觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計求得ki。在實際計算中用Ki=14∑j=14kikj(4)Κi=14∑j=14kikj(4)替代ki。這種統(tǒng)計計算稱為相對標定。這樣得到的Ki(i=1,2,3,4)稱為元件相對標定系數(shù),有唯一解。并且對于良好的觀測,Ki都在1附近取值。表2給出了文安YRY-4鉆孔應(yīng)變觀測2008年10—2009年9月的實地標定結(jié)果。該相對標定是用小時值變化量進行的。我們用元件相對標定系數(shù)矯正了直接讀數(shù),矯正前后R1+R3和R2+R4的相關(guān)系數(shù),可以用來定量說明數(shù)據(jù)可靠性的變化。由表2可見,除2009年2、3和4月外,文安鉆孔應(yīng)變觀測其他各月份的R1+R3和R2+R4的相關(guān)系數(shù)都是相當高的。以2009年8月矯正前的相關(guān)系數(shù)0.3465為例,鑒于樣本量為24×31=744,查表知R1+R3和R2+R4不相關(guān)的幾率為0.001。也就是說二者是相關(guān)的,反映出R1+R3和R2+R4相似。我們還看到,除2009年2、3和4月(臺站附近施工影響)外,各元件觀測值的相對標定系數(shù)一般都在0.5～1.0范圍內(nèi),這說明元件工作都很正常。矯正后,S1+S3和S2+S4的相關(guān)系數(shù)都明顯進一步提高,基本達到0.5以上。考慮到土層觀測的不穩(wěn)定因素和干擾影響,這樣的相對標定結(jié)果已經(jīng)相當令人滿意。5應(yīng)變檢測信度驗證在土層中進行鉆孔應(yīng)變觀測,由于地下水變化等因素的影響,潮汐變化不十分清晰,以至無法進行絕對標定。因此,對于評估觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量,以潮汐因子計算為基礎(chǔ)的內(nèi)精度指標是不適用的。取而代之的是以自檢方程為依據(jù)的信度指標。定義C95=∑N95|(S1+S3?(S2+S4)|12∑N95|S1+S2+S3+S4|(5)C95=∑Ν95|(S1+S3-(S2+S4)|12∑Ν95|S1+S2+S3+S4|(5)為四分量鉆孔應(yīng)變觀測的信度,用來刻劃一個鉆孔應(yīng)變儀觀測的S1+S3和S2+S4的相同程度。其中,N95為數(shù)據(jù)個數(shù)。為了更準確地進行統(tǒng)計,要把“壞點”去掉。實踐證明,去掉5%的“壞點”比較合適。C95和N95的腳標“95”表示去掉5%的壞點,用剩余95%的數(shù)據(jù)來進行統(tǒng)計。以2009年6月1—12月31日期間的觀測數(shù)據(jù)為例。相對標定矯正之前,C95=0.02;矯正后,C95=0.64。說明了矯正的必要性。圖2表示文安臺觀測數(shù)據(jù)偏離自檢方程的程度。其中,Rd=(R1+R3)-(R2+R4),Sd=(S1+S3)-(S2+S4)。這里繪出的是差分曲線。由此可見,矯正前后,偏離程度有明顯的改善。6機井沖刷cs3由四分量鉆孔應(yīng)變儀的觀測數(shù)據(jù)進行相對標定矯正后,還要經(jīng)過絕對標定,求出A和B才能換算真實應(yīng)變變化。但是,不進行絕對標定,也可以直接求出應(yīng)變變化的主方向。設(shè)Ri(i=1,2,3,4)是抽水造成的觀測變化,令{s13=R1?R3s24=R2?R4(6){s13=R1-R3s24=R2-R4(6)則觀測應(yīng)變變化的主方向為?=12arctan(s24s13)+θ1(7)?=12arctan(s24s13)+θ1(7)θ1是S1的方位角。公式(7)與參數(shù)A和B無關(guān)。文安YRY-4鉆孔應(yīng)變儀安裝后,在每天的分鐘值曲線圖上,都有幾個形狀相當一致的非對稱脈沖(圖3)。這些脈沖出現(xiàn)的時間不定,但是間隔幾乎相同。經(jīng)細致調(diào)查,這些脈沖的出現(xiàn)與周圍一個養(yǎng)老院的機井抽水直接相關(guān)。該井位于應(yīng)變觀測鉆孔南面偏西的地方,與觀測孔之間的距離約為95m。觀察圖3(a),抽水造成的變化各不相同。其特點是,R1和R4的變化是拉張的,R1比較顯著;R2和R3的變化是壓縮的,R3比較顯著。養(yǎng)老院的方位與顯著拉張的R1方向接近。同時,如圖3(b)所示,兩個與面應(yīng)變相對應(yīng)的曲線R1+R3與R2+R4十分相似,都比較平滑,呈現(xiàn)固體潮日變特征;而s13=R1-R3與s24=R2-R4則受抽水影響顯著,前者為正(向上凸),后者為負(向下凹)。假定觀測點應(yīng)變變化主要由蓄水池的載荷變化引起,那么,根據(jù)彈性力學(xué)的半無限空間自由表面作用法向集中力問題的解,可以預(yù)料,養(yǎng)老院抽水造成的觀測點的應(yīng)變變化的主方向?,應(yīng)該與養(yǎng)老院相對于觀測點的方位一致。在圖3中可以讀出s24與s13之比近似為-0.3,與表1中元件1的方位角一起代入公式(7),得到主方向?近似等于16°,與養(yǎng)老院的方位大體相當。可以預(yù)期,經(jīng)過相對標定校正,可以給出更精確的結(jié)果。7分量鉆孔應(yīng)變儀的實際使用鉆孔應(yīng)變觀測有很多優(yōu)點,但也有一個明顯的缺點:井下的情況與實驗室的情況不同,如何說明井下的實際耦合狀態(tài)及其對觀測的影響是一個不容易解決的問題。因此,實地標定對鉆孔應(yīng)變觀測而言就特別重要。由四分量鉆孔應(yīng)變儀的自檢派生的實地相對標定,是鉆孔應(yīng)變觀測實地標定的重要內(nèi)容。本文定義的四分量鉆孔應(yīng)變觀測的信度,反映了這種觀測與自檢方程的一致性,可以用于定量描述觀測數(shù)據(jù)的可靠程度。大量計算表明,經(jīng)過相對標定校正,數(shù)據(jù)的信度一般都有明顯的提高。文安的土層