0 引言

地震的发生成因复杂，虽然震前不可能直接测量到震源区绝对应力是否达到强度极限，但震源应力临近强度极限进入亚失稳阶段后，地层蠕滑、应力释放调整发出微弱应变信号，有可能被安装在数十至百米深隔离地表噪声的精密应变仪器观测到。观测地层的应力、应变变化，有望获取地震孕育过程中发出的应变活动信息，了解岩层断裂活动处应力状态，为地震监测、地震研究提供基础数据，更好地为国家防震减灾事业服务。

钻孔应变观测的目的是给出最大、最小主应变以及主方向。在李四光的倡导和组织下，在众多研究人员的精心努力下，中国在20世纪80年代自行研制钻孔应变仪器，涌现出一批科研人才，其中欧阳祖熙（1988）制造了我国第1台四分量钻孔应变仪，苏恺之（1977）首次论证了四分量的自恰关系，池顺良（1993）在技术上进行了改进。四分量钻孔应变观测出现突破性进展。

“十五”期间，中国地震局数字地震观测网络建设实施，计划在全国布设一批YRY-4型钻孔四分量应变仪，当时布设在32个台站，之后逐步增加至55个台，至今已积累大量应变观测数据，如何判定观测数据的可靠性、实用性，成为人们关注的问题。为此，迟顺良（1993）、邱泽华等(2004, 2005)就客观评定钻孔应变四分量观测资料质量做了大量研究工作，如邱泽华等(2004, 2005)提出相对和绝对实地标定以及应变换算方法，为科学应用四分量钻孔应变观测资料奠定了基础。2009年，全国年度钻孔应变台站观测资料质量评比将2个精度指标纳入评比标准。文中应用相对标定自检内精度方法，对四川现有四分量钻孔应变仪观测数据质量进行客观分析，给出实际数据信度，为进一步的分析研究提供可靠的数据依据。

1 钻孔应变台网布局

四川省四分量钻孔应变台网由姑咱、攀枝花、金河、西昌小庙、天全等5个应变地震台组成，分布在断裂带附近及断裂带复合部位（图 1）。其中：姑咱地震台地处NW向鲜水河断裂带、NE向龙门山断裂带和NS向安宁河断裂带复合部位靠北地段，YRY-4分量钻孔应变仪于2006年10月24日—28日安装并试运行，2008年7月正式运行；攀枝花地震基准台位于攀枝花仁和街北东油房沟和双龙沟之间山垭上，YRY-4分量钻孔应变仪于2007年4月7日安装；金河地震台位于小金河断裂带、金河—箐河断裂带，YRY-4分量钻孔应变仪于2007年4月8日—10日安装运行；西昌小庙台位于安宁河断裂带与则木河断裂带交接复合部位，YRY-4分量钻孔应变仪于2006年7月1日安装运行；天全台位于龙门山断裂带中大川—双石断裂，2013年12月15日—19日安装CZB-2A型分量式钻孔应变仪，2014年试运行，2016年纳入全国钻孔应变评比范围。

姑咱、攀枝花、金河、西昌小庙4个台钻孔应变数据连续率和完整率达99.5%以上（小庙台2014年下半年起因受抽水干扰，数据精度受到影响），天全台（属地方台）连续率和完整率约90%。

2 数据精度评价

邱泽华等（2005）根据四分量钻孔应变观测特点，提出相对和绝对实地标定以及应变换算方法，为科学应用四分量钻孔应变观测资料奠定了基础。标定主要是确定仪器观测读数与物理量之间的关系，对观测仪器进行标定，目的是通过观测值得出观测对象的实际变化。对于钻孔应变观测，除必须对仪器（元件和仪器）进行标定外，还要通过分析观测数据，对观测系统进行实地标定，即通过观测值得出观测对象的实际变化。实地标定体现了钻孔应变的特殊性，是国际上广泛使用的术语。

2.1 评价指标 2.1.1 相对标定

钻孔应变仪观测探头必须安装在完整的岩石上，设四分量分别为S₁、S₂、S₃、S₄，在完整岩石中，S₁ + S₃= S₂ + S₄，因四分量元件灵敏度变化不一致，S₁′+ S₃′≠ S₂′+ S₄′。假定K₁S₁′+ K₃S₃′= K₂S₂′+ K₄S₄′，求解归一化的K_i（i = 1，2，3，4），较好地满足自洽方程。

设K₁、K₂、K₃、K₄为四分量元件的相对灵敏度，即相对标定系数；R₁、R₂、R₃、R₄为4个分量的观测数据，则钻孔应变四分量仪器相对标定需满足

$ {K_1}{R_1} - {K_2}{R_2} + {K_3}{R_3} - {K_4}{R_4} = 0 $

(1)

利用公式（1）只能确定各灵敏度之间的相对大小，因而称为相对标定。设任意未知相对灵敏度为1，即可求解其他3个未知相对灵敏度。如：将公式（1）两边同除以K₁、K₂、K₃、K₄，得

$ {K_{11}}{R_1} - {K_{21}}{R_2} + {K_{31}}{R_3} - {K_{41}}{R_4} = 0 $

(2)

$ {K_{12}}{R_1} - {K_{22}}{R_2} + {K_{32}}{R_3} - {K_{42}}{R_4} = 0 $

(3)

$ {K_{13}}{R_1} - {K_{23}}{R_2} + {K_{33}}{R_3} - {K_{43}}{R_4} = 0 $

(4)

$ {K_{14}}{R_1} - {K_{24}}{R_2} + {K_{34}}{R_3} - {K_{44}}{R_4} = 0 $

(5)

其中K_ij = K_i/K_j（i, j = 1，2，3，4）。利用公式（2）—（5），求解元件的相对灵敏度K，取平均值K_i作为相对标定系数，则

$ {K_i} = \frac{1}{4}\sum_{j = 1}^4 {{K_{ij}}} \;\;\;\;\;(i = 1, 2, 3, 4) $

(6)

此处K_i为确定值，大小约为1。

可以用相对标定结果来判断钻孔应变观测资料质量。在理想情形下，相对标定系数均应等于l。标定系数接近1的台站，应变仪工作状态较好，观测资料质量较高。但4个元件的标定系数可能均接近1，也可能部分接近1，单从标定系数难以判定台站的观测质量，需要由标定系数求出均值和偏差。

2.1.2 自检内精度

使用自检内精度来描述台站仪器的观测数据质量，并衡量各台站仪器工作状态的相对优劣，而自检内精度高低取决于K₁、K₂、K₃、K₄是否等于1。自检内精度越小，说明观测质量越好。唐磊等（2010）对相对标定系数的平均值、自检内精度以及面应变相关系数进行对比分析，认为在考虑自检精度的同时，考虑偏差和平均值，可较客观地反映观测资料质量状况。

选取2017年1—12月四川钻孔应变台网四分量观测数据，依次设定K₁ = 1、K₂ = 1、K₃ = 1、K₄ = 1，利用回归分析，据公式（6），计算得到4组K值，即应变仪相对标定系数K₁、K₂、K₃、K₄，取平均得到相对标定系数K_i，并据以下公式，求得偏差s（4个标定系数相对于1的偏差），并将s除以标定系数的平均值，即得到钻孔应变仪自检内精度α。公式如下

$ s = \sqrt {\frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^4 {{{\left({{K_i} - 1} \right)}^2}} }}{4}} $

(7)

$ \alpha = S/{K_i} $

(8)

2.2 标定结果

据以上公式，得到2017年四川钻孔应变台网四分量观测资料1—12月相对标定结果及年平均相对标定结果，见表 1、表 2。

由表 1、表 2可知，2017年仁和台四分量钻孔应变数据各月及全年K_i数值最大，偏差s最小，自检内精度指标数值最小，表明该台钻孔应变观测数据精度最高；仁和台数据相关性较好，其次是姑咱、小庙、金河、天全。小庙台2015年以来因受抽水干扰，观测数据精度受到影响。综合以上结果可客观反映观测资料的质量状况，因此，有必要结合潮汐因子内精度和相对标定自检内精度指标进行数据质量评价及台站资料内在质量评价，以便为地震研究提供精确的基础数据。

3 震例分析

据上述标定结果，受场地环境干扰及钻孔应变仪观测时间过长影响，台站钻孔应变观测精度也会受到影响。观测仪器精度只是衡量仪器工作状态的指标之一，而判断震前异常变化需综合考虑多种因素，首先应检查观测仪器是否满足自洽方程，并充分考虑台站位置、地质构造等多个条件。

姑咱台地处鲜水河断裂带、龙门山断裂带和安宁河断裂带复合部位靠北地段大渡河古河床冲积堆层上，出露岩性为花岗闪长岩，钻孔应变观测大震前异常变化明显，应与其所处地质构造位置关系密切。2008年汶川8.0级地震和2013年芦山7.0级地震发生在龙门山断裂带上，姑咱台四分量钻孔应变仪2次大震前均记录到较明显的应力变化，其中：汶川大地震发生前550天中有3 766起阶跃或脉冲事件，平均每天6.8次，至2007年10月，事件数增加到每天11次；在2012年2月1日至2013年4月20日芦山地震发生前，姑咱台每10天记录到一次应变阶跃与脉冲事件计数变化，据统计，在芦山地震发生前444天中，共发生此类事件1 066次（池顺良等, 2009, 2013）。姑咱台钻孔应变测项在2次大地震前均出现异常反应，证明该台钻孔应变观测自检结果良好，说明了应变变化的可靠性。

选取该台2006年11月1日至2016年12月31日钻孔应变观测数据，分析大震前钻孔应变异常变化特征，结果见图 2。由图 2可见，在2次地震发生前，姑咱台钻孔应变仪异常反应均较明显，表现为固体潮曲线光滑而规则，2组面应变(S₁ + S₃)、(S₂ + S₄)的全日相关系数K = 0.999 76，相关性较好，表明观测数据可靠性较高。

4 结论与讨论

运用邱泽华等(2002, 2004, 2005, 2010)提出的四分量应变相对标定自检内精度理论方法，计算四川应变观测台网5个应变观测台站钻孔体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，结果发现，仁和台自检内精度数值最小，观测数据质量较佳。

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。对较长时间的四分量体应变观测数据进行质量评价时，计算自检内精度应选用连续观测的日均值数据或5日均值数据；对较短时间的四分量观测数据进行质量评价时，应选用整时值数据。

随着社会经济的发展，现有台站受环境干扰日益严重，观测环境被破坏，科研人员应寻求多种手段，更好地利用现有资源进行地震科学研究，同时应进一步加强地震观测台站建设和后续资料跟进。