[发明专利]基于地震表面波的钻孔应变仪原位标定方法

说明书

本发明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P波和S波记录，根据表面波记录计算出钻孔处的入射地震应变面波εsupgt;R/supgt;；步骤3，根据入射地震应变面波εsupgt;R/supgt;与分量式钻孔应变仪仪器应变εsupgt;I/supgt;的耦合关系，用入射地震应变面波εsupgt;R/supgt;计算得到该入射地震应变面波εsupgt;R/supgt;对应的仪器应变计算值步骤4，用最小二乘法计算分量式钻孔应变仪的仪器应变实际观测值与仪器应变计算值的差值得出耦合系数矩阵K。该方法利用三分量地震仪的表面波记录实现对分量式钻孔应变仪的高精度原位标定。解决了制约钻孔应变观测理论和技术发展的瓶颈问题。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Plate Boundary Observatory(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ε^R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ε^R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ε^I。假设地壳应变场ε^R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ε^R与ε^I线性静态耦合关系可表示为：ε^R＝K^-1ε^I，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ε^R与ε^I的耦合模型和选取参考均匀应变ε^R；其中，确定ε^R与ε^I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、Zhang et.al、Qiu et al、邱泽华等给出了各向同性静态耦合关系为：ε^R＝(K^H)^-1ε^I，其中，