基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，包括：步骤1，在PBO观测台网中的同一个钻孔内间隔安装分量式钻孔应变仪和三分量地震仪；步骤2，获取三分量地震仪的表面波记录

【技术实现步骤摘要】
基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法
本专利技术涉及地壳应变测量领域，尤其涉及一种基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法。
技术介绍
目前，多采用应变分辨率优于10-9的高分辨率钻孔应变仪观测火山、地震等动力学过程的微弱构造应变信号，如采用Sacks-Evertson型、TJ型等体积式应变仪，RZB型、YRY型、GTSM型、SKZ型等分量式应变仪。这类高分辨率钻孔应变仪目前已布置在板块边界观测台网(PlateBoundaryObservatory(PBO))、中国地震观测台网等一系列地学观测台网中。观测结果已在火山动力学、地震孕育发生过程(瞬间滑移、断层蠕变、地震成核、慢地震、静寂地震等)、地震震源评价、地震预测等科学研究中发挥了重要的应用。目前，为了减少地表干扰对地壳应变场εR测量的影响，钻孔应变仪的测量探头安装在钻孔(钻孔直径d为100mm左右)内的一定深度处，并用膨胀水泥与钻孔基岩耦合在一起。当εR发生变化时，钻孔、膨胀水泥、探头钢筒的变形随之发生变化，通过探头的测量单元可直接测量出探头钢筒内径(或体积)相对变化，然后考虑测量单元的方位矩阵能得到仪器应变εI。假设地壳应变场εR在钻孔附近五倍钻孔直径以上范围内为均匀应变场，基于远场均匀应变作用下两环夹杂圆孔应力集中模型给出的εR与εI线性静态耦合关系可表示为：εR＝K-1εI，其中K为耦合系数矩阵，与钻孔、膨胀水泥、探头钢筒的物性和几何性质有关。虽然原则上耦合系数矩阵K可以通过计算得到，但是由于无法获知测量探头安装完毕后膨胀水泥、钻孔、钢筒壁之间的耦合状态以及相关介质的物性，致使耦合系数矩阵K的计算结果具有很大的不确定性，必须通过原位标定给出。钻孔应变观测的原位标定是关系到钻孔应变观测理论与技术发展的至关重要的基础性问题。钻孔应变观测的原位标定广义上包括两个方面，一是钻孔应变仪电学原位标定(钻孔应变仪的电学输出与探头测量单元测量的探头钢筒内径(或体积)变化之间的标定系数确定)；二是耦合系数矩阵K的原位标定。其中对耦合系数矩阵K的原位标定包括：确定εR与εI的耦合模型和选取参考均匀应变εR；其中，确定εR与εI的耦合模型目前有基于各向同性介质圆孔应力集中理论模型的方式，如Gladwin和Hart、Zhanget.al、Qiuetal、邱泽华等给出了各向同性静态耦合关系为：εR＝(KH)-1εI，其中，KH＝diag(C,D,D)为对角阵，C和D分别为水平面应变和水平剪切应变的耦合系数。假设钻孔附近米尺度范围内的局部应变场εL与εI满足各向同性耦合KH，Hart等引入干扰矩阵P(非对角阵)将介质非均质性所引起局部应变场εL与百米尺度范围内的εR联系起来，提出了交叉耦合关系为：εR＝P-1(KH)-1εI，这意味着仪器面应变和剪切应变受到εR所有分量影响，其中P的非对角元素可达到0.28。而目前选取参考均匀应变εR的方式为：在目前钻孔应变观测原位标定中，主要采用固体潮应变信号和地震应变波信号作为参考均匀应变εR；其中，基于固体潮应变信号的原位标定，主要通过固体潮M2波(12.42h)和O1波(25.82h)的仪器应变与理论固体潮计算应变相比较，得到耦合系数矩阵K。根据与个别同台安装的长基线激光应变仪固体潮测量结果的对比研究可知，由于受到地球深部结构模型、海洋荷载模型、钻孔周边地形和介质不均质性的影响，理论固体潮计算的εR可达到30％的误差，从而造成标定结果出现显著性系统偏差。而基于地震应变波的原位标定，主要采用远震长周期面波的计算应变波形或从地震台阵测量的地震应变波作为参考信号。Bonaccorso等采用远震(震级8级以上)长周期面波的计算应变波形对埃特纳山的体应变观测进行了原位标定，但由于计算应变波形受计算模型的影响，因此也存在着类似于基于理论固体潮原位标定的问题。Spudich等、Bodin等、Gomberg和Agnew、Langston和Liang、Grant和Langston、Currenti等基于安装在钻孔周边的地震台阵记录，采用地震波梯度方法探讨了地震应变波测量的可行性，并以此为参考信号开展了钻孔应变观测原位标定研究。该方法要求地震台阵至少包含三台地震仪，且假设台阵范围内(百米尺度到十公里尺度)的地震应变波场是均匀波场。但是该方法至少存在如下问题：1)由于台阵范围内地下结构的非均质性，均匀应变场的假设很难得到保证，造成标定结果受地震波的传播方向影响较大；2)直接采用静态耦合模型，未考虑地震波频率对耦合系数的影响。纵上可以看出，目前对钻孔应变观测的耦合系数矩阵K的原位标定，主要存在的以下主要问题：基于计算参考均匀应变信号(理论固体应变潮或计算应变波形)的原位标定方式，受到理论计算模型的不确定性影响存在系统性偏差。而基于测量参考均匀应变信号(地震台阵测量的地震应变波或长基线应变仪测量的固体应变潮)的原位标定方式，由于参考均匀应变信号是基于测量给出的，虽然相对于基于计算参考均匀应变信号的原位标定来说，标定结果更加可靠，然而，由于测量尺度范围内的介质非均质性影响，测量参考应变场通常是非均匀的，存在造成基于测量参考均匀应变信号的原位标定结果的精度不高的问题。因此，目前钻孔应变观测无法高精度原位标定已成为制约钻孔观测理论与技术发展的瓶颈问题。
技术实现思路
基于现有技术所存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，能解决现有钻孔应变仪原位标定方法，所存在的有系统性偏差或精度不高的问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术实施方式提供一种基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，包括以下步骤：步骤1，在PBO观测台网中的同一个钻孔内按10米间隔安装分量式钻孔应变仪和三分量地震仪；步骤2，获取所述三分量地震仪的表面波记录P波和S波记录，根据所述三分量地震仪的表面波记录P波和S波记录计算得到所述钻孔处的入射地震应变面波εR；步骤3，根据所述入射地震应变面波εR与所述分量式钻孔应变仪的仪器应变εI的耦合关系，用所述入射地震应变面波εR计算得到该入射地震应变面波εR对应的仪器应变计算值步骤4，用最小二乘法计算所述分量式钻孔应变仪的仪器应变实际观测值与所述仪器应变计算值的差值得出耦合系数矩阵K。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，其有益效果为：通过PBO观测台网中的同一钻孔内间隔安装分量式钻孔应变仪和三分量地震仪，通过分量式钻孔应变仪与三分量地震仪分别测量钻孔处同一质点的应变波和速度波，利用三分量地震仪的表面波记录测量得出准确的参考均匀应变，实现了对分量式钻孔应变仪的高精度原位标定。该方法解决了制约钻孔应变观测理论和技术发展的瓶颈问题，而且还可以推进地震孕育发生过程、地震预测、地球动力学、火山观测等研究的进步。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，在PBO观测台网中的同一个钻孔内按10米间隔安装分量式钻孔应变仪和三分量地震仪；/n步骤2，获取所述三分量地震仪的表面波记录

【技术特征摘要】
1.一种基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在PBO观测台网中的同一个钻孔内按10米间隔安装分量式钻孔应变仪和三分量地震仪；
步骤2，获取所述三分量地震仪的表面波记录P波和S波记录，根据所述三分量地震仪的表面波记录P波和S波记录计算得到所述钻孔处的入射地震应变面波εR；
步骤3，根据所述入射地震应变面波εR与所述分量式钻孔应变仪的仪器应变εI的耦合关系，用所述入射地震应变面波εR计算得到该入射地震应变面波εR对应的仪器应变计算值
步骤4，用最小二乘法计算所述分量式钻孔应变仪的仪器应变实际观测值与所述仪器应变计算值的差值得出耦合系数矩阵K。


2.根据权利要求1所述的基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法，其特征在于，所述方法步骤2中，根据所述三分量地震仪的表面波记录P波和S波记录计算得到所述钻孔处的入射地震应变面波εR为：
根据所...

【专利技术属性】
技术研发人员：田家勇，张康华，
申请(专利权)人：中国地震局地壳应力研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11