井下全方位潮汐觀測(cè)技術(shù)研究＊

李家明 姚植桂 溫興衛(wèi) 彭宏偉

(1)中國地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071 3)防災(zāi)科技學(xué)院,河北 065201)

井下全方位潮汐觀測(cè)技術(shù)研究＊

李家明1,2)姚植桂1,2)溫興衛(wèi)1,2)彭宏偉3)

(1)中國地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071 3)防災(zāi)科技學(xué)院,河北 065201)

井下重力與傾斜全方位觀測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果表明,其測(cè)量分辨力為：重力 0.1×10-8ms-2,傾斜0.000 2″,達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,能夠滿足固體潮觀測(cè)研究和地震監(jiān)測(cè)等的需要。

井下觀測(cè);固體潮;重力;傾斜;靜電反饋測(cè)量

1 引言

當(dāng)前,地震前兆形變、應(yīng)變和重力等觀測(cè)儀器基本上是以洞體觀測(cè)儀為主,但由于山洞分布不均,相當(dāng)多需要監(jiān)測(cè)的地區(qū)由于沒有開鑿山洞條件,形成地震前兆監(jiān)測(cè)空白區(qū)。為解決監(jiān)測(cè)儀器分布不均問題,只有開發(fā)井下觀測(cè)儀器,實(shí)行井下觀測(cè)。儀器安裝在井下,還具有能有效地克服地表環(huán)境因素的干擾,溫度穩(wěn)定,背景噪聲小,易提高觀測(cè)精度,儀器占地面積小,對(duì)地質(zhì)條件限制小,布設(shè)周期短和易管理等特點(diǎn),因此發(fā)展井下綜合觀測(cè)技術(shù)是地震前兆監(jiān)測(cè)的必由之路[1]。

重力與傾斜資料在地球科學(xué)兩個(gè)主要領(lǐng)域——大地測(cè)量和地球物理中有很多種用途。利用全球分布的精密固體潮和非潮汐變化資料研究地球動(dòng)力學(xué)問題,是地學(xué)重要組成部分,也為地震監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。目前,國內(nèi)外大多數(shù)情況是某一觀測(cè)點(diǎn)只有傾斜儀或只有重力儀分別觀測(cè)固體潮的 3個(gè)分量,這或多或少地只觀測(cè)了起潮力的垂直分量卻忽略了觀測(cè)起潮力的水平分量,或者情況相反。我們研制放置于井下的重力與傾斜潮汐一體化觀測(cè)系統(tǒng),旨在為開展地球深部運(yùn)動(dòng)研究和地震監(jiān)測(cè)開發(fā)一種新的觀測(cè)設(shè)備,并為深部地球物理研究和地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠、高精度與連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

井下全方位潮汐觀測(cè)系統(tǒng),由井下儀器本體、電纜傳輸線和地表部分的電源、數(shù)據(jù)采集控制通信主機(jī)箱所組成。

井下儀器本體直徑為 150 mm,長 1 500 mm,主要由傳輸電纜、吊環(huán)、壓力彈簧、支撐爪、傾斜儀、萬向調(diào)節(jié)環(huán)、傾斜儀調(diào)零裝置、重力儀、重力置平裝置、定向裝置、靜電標(biāo)定裝置、控溫裝置和測(cè)量電路單元等部分所組成(圖 1)。

圖1 井下儀器本體示意圖Fig.1 Schematic diagram of the borehole instrument

井下儀器本體中的重力儀和傾斜儀將垂直向的重力及水平兩個(gè)方向傾斜變化量轉(zhuǎn)換成位移變化量,經(jīng)電容位移傳感器及交流電橋轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào),再經(jīng)過交流放大器放大到鎖相檢波放大器變?yōu)橹绷餍盘?hào),經(jīng)積分后,一路信號(hào)送人靜電反饋電路將靜電電壓信號(hào)加到重力儀和傾斜儀電容位移傳感器兩定極板上,使動(dòng)極板回到中心位置 (即擺位回零);另一路則經(jīng)低通濾波器輸出送至傳輸電纜線。測(cè)量系統(tǒng)可采用閉環(huán)的靜電反饋或開環(huán)測(cè)量方式。測(cè)量信號(hào)送到地表部分的主機(jī)箱中的數(shù)據(jù)采集器里進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,將模擬電壓信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào),進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,又經(jīng)微型計(jì)算機(jī)接收處理,分別送至顯示器進(jìn)行顯示和電子盤存儲(chǔ),并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地經(jīng)由無線或有線方式的 Internet網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。

2.1 重力測(cè)項(xiàng)[2-4]

重力測(cè)量原理結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 重力測(cè)量原理結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of gravitymeasurement principle

為減小體積,重力儀彈性系統(tǒng)采用了質(zhì)量平移式線性結(jié)構(gòu)(屬彈簧類重力儀),其基本原理是利用彈性力來平衡重力。當(dāng)重力場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),掛在彈簧下質(zhì)量擺的引力發(fā)生變化,彈簧的長度也相應(yīng)發(fā)生變化。彈簧的平衡方程為M g=fx,式中M為質(zhì)量擺的質(zhì)量,f為彈性強(qiáng)度,x為測(cè)量彈簧拉伸長度。由彈簧的平衡方程可導(dǎo)出重力儀變化時(shí)彈簧的相對(duì)伸長量:dx/x=dg/g。由于重力加速度的變化很小,彈簧的相對(duì)伸長量也很小,但質(zhì)量平移式線性結(jié)構(gòu)沒有機(jī)械放大作用,因此須有一個(gè)高精度的測(cè)量微位移系統(tǒng),測(cè)量擺的位置變化。若重力儀觀測(cè)精度為 1×10-8ms-2,當(dāng)彈簧的工作長度為 x=100 mm時(shí),位移變化量為 dx=100×(dg/g)=100×10-9mm=0.000 1μm。所以測(cè)微器的精度必須優(yōu)于0.000 1μm。

重力儀采用三片式差動(dòng)電容位移傳感器,上下兩定極板與支架連接固定,但相互保持絕緣。動(dòng)極板的上端與測(cè)量彈簧連接,下端與質(zhì)量擺連接,當(dāng)重力場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),引力作用到質(zhì)量擺上,使得動(dòng)極板與定極板間的距離發(fā)生微小變化。由數(shù)字振蕩器給上下兩定極板加穩(wěn)幅和穩(wěn)頻 10 kHz左右的正弦基準(zhǔn)信號(hào),傳感器構(gòu)成交流電橋,將位移的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,再又轉(zhuǎn)換為交流電壓的變化,經(jīng)前置放大、選頻主放大器、移相器、鎖相放大器的放大變?yōu)橹绷餍盘?hào),靜電反饋電路將這一擺位偏移信號(hào)再積分放大加到上下兩定極板上,迫使動(dòng)極板回到中心位置,這時(shí)靜電反饋力等于重力的變化值,另一路則經(jīng)濾波為重力輸出信號(hào)。采用靜電反饋閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)[5],消除彈性系統(tǒng)滯后影響,提高了系統(tǒng)的觀測(cè)精度及其格值穩(wěn)定度。彈簧重力儀測(cè)定重力變化的前提是彈簧的彈性必須高度穩(wěn)定,為了滿足萬分之一微米測(cè)量精度,彈性系統(tǒng)的彈簧穩(wěn)定度必須達(dá)10-9,因此需要一個(gè)高精度的恒溫系統(tǒng)來保證彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對(duì)恒溫精度提出須達(dá) 0.000 1℃要求。彈性系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和恒溫控制系統(tǒng)構(gòu)成了重力儀的 3個(gè)主要部分,3部分的性能指標(biāo)決定著重力儀的性能。

井下重力測(cè)量時(shí),還需設(shè)計(jì)一套自動(dòng)置平裝置,以保證彈性擺系工作時(shí)始終保持鉛垂。如將重力儀直接疊加在傾斜儀上,靠傾斜儀的機(jī)械調(diào)零可以實(shí)現(xiàn)重力儀的置平目的,但為了避免相互影響,我們?cè)O(shè)計(jì)了獨(dú)立的置平機(jī)構(gòu)。自動(dòng)置平裝置采用自動(dòng)閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu),傳感器為二維電子水泡或超小型垂直擺,由伺服電機(jī)、渦輪蝸桿驅(qū)動(dòng),滿足了重力儀自動(dòng)置平要求。

2.2 傾斜測(cè)項(xiàng)[6-8]

為減小相互干擾,傾斜測(cè)項(xiàng)采用兩個(gè)相同的獨(dú)立的垂直擺結(jié)構(gòu),方向相差 90°,上下層疊加結(jié)構(gòu)(圖 3)。

圖3 傾斜測(cè)量原理結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of tiltmeasurement principle

垂直擺傾斜儀的垂直擺由支架、吊絲和擺錘 3部分組成。垂直擺在沒有振動(dòng)的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài),當(dāng)發(fā)生傾斜變化時(shí),擺平衡位置發(fā)生變化,擺和支架之間的相對(duì)位置發(fā)生變化,擺錘本身構(gòu)成電容式位移傳感器的動(dòng)極板,兩定極板與支架的底座連接,相互之間保持絕緣,擺系將傾斜的角度變化轉(zhuǎn)換為位移變化,因此電容位移傳感器的動(dòng)極板與之間的兩定極板間距也相應(yīng)的發(fā)生變化,其關(guān)系有：Δ ψ =206 265×(Δd/l),式中Δ ψ為傾斜角度,單位為角秒(″),l為擺長,它是由懸掛點(diǎn)上固定板到擺錘 (動(dòng)極板)重心的距離,Δd為擺垂的相對(duì)位移量。通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大,就可將擺的微小位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于地傾斜的相對(duì)變化量很小,擺的相對(duì)偏移量也很小,因此也必須有高精度測(cè)微系統(tǒng)測(cè)量擺的位置的變化。高精度的測(cè)微系統(tǒng)與重力儀類似,分辨力優(yōu)于 0.000 1μm,采用相關(guān)接收技術(shù)的鎖定放大器,或靜電反饋電路,經(jīng)濾波輸出傾斜信號(hào),使得傾斜測(cè)量分辯力優(yōu)于 0.000 2″。

伺服系統(tǒng)為伺服電機(jī)推動(dòng)二維移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械調(diào)零裝置。該裝置的檢測(cè)信號(hào)取自傾斜儀檢波輸出,調(diào)零為自動(dòng)方式,可采用兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行,一次完成自動(dòng)調(diào)零,避免了相互影響所致的反復(fù)調(diào)擺運(yùn)動(dòng)。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)

精密測(cè)量系統(tǒng)采用鎖相放大開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)[3]和靜電反饋閉環(huán)測(cè)量系統(tǒng)[5]。

靜電反饋測(cè)量電路原理是：當(dāng)重力或傾斜發(fā)生變化時(shí),電容傳感器產(chǎn)生位移偏移信號(hào)輸出,經(jīng)檢波放大,再積分,一路又送回到電容傳感器的兩定極板上,并產(chǎn)生靜電力,推動(dòng)電容傳感器的動(dòng)極板,使動(dòng)極板回到兩定極板中心位置 (對(duì)稱設(shè)計(jì)時(shí),機(jī)械零位與電零位基本重合);另一路經(jīng)低通濾波,輸出則為物理量信號(hào)。

靜電反饋測(cè)量特點(diǎn)是：測(cè)量時(shí)始終使電容傳感器處于零位,這樣其靈敏度高、線性范圍寬、測(cè)量精度高、格值穩(wěn)定度也高,對(duì)傳感器本身的信號(hào)放大電路要求不高,用于重力測(cè)量時(shí)能消除彈性系統(tǒng)滯后影響等,不過它不適用于剛性傳遞信號(hào)的測(cè)量場(chǎng)合,如應(yīng)變儀等。

靜電反饋測(cè)量電路原理圖如圖 4。由圖 4可知,數(shù)字振蕩器的一路依次連接電容傳感器、前置放大器、選頻主放大器、相敏檢波器;另一路依次連接移相器、方波發(fā)生器、相敏檢波器,由相敏檢波器經(jīng)積分器 pi到靜電反饋器,靜電反饋器一路再回到電容傳感器,另一路連接低通濾波器輸出,形成閉環(huán)測(cè)量電路。若靜電反饋器不接入,將相敏檢波器直接接至低通濾波器,而形成開環(huán)同步檢波放大器。

圖4 靜電反饋測(cè)量電路原理圖Fig.4 Schematics diagram of electrostatic feedback measurement circuit

3 主要技術(shù)指標(biāo)

1)重力分量

分辨力：≤0.1×10-8ms-2;

準(zhǔn)確度：10×10-8ms-2;

零點(diǎn)漂移：≤1 000×10-8ms-2/月;

可調(diào)測(cè)程范圍：≥7 000×10-5ms-2(全球范圍)。

2)傾斜分量

分辨力：≤0.000 2″;

零點(diǎn)漂移 ＜0.005″/天;

量程：±2″;

機(jī)械調(diào)零范圍：＞±3°(井斜小于 3°);

系統(tǒng)可自動(dòng)或遙控實(shí)現(xiàn)擺位調(diào)零和標(biāo)定。

4 試驗(yàn)情況

2010年 4月,我們將井下全方位潮汐觀測(cè)樣機(jī),放置于武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)地殼形變儀器觀測(cè)站的淺孔井中進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn),經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)試和穩(wěn)定后,該樣機(jī)除了有些漂移外,已能清晰地記錄到重力固體潮、傾斜固體潮汐和地震波 (圖 5)。經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算處理,該系統(tǒng)已達(dá)到了設(shè)計(jì)精度技術(shù)指標(biāo)。

圖 5 原始數(shù)據(jù)曲線(2010-05-01)Fig.5 Curves recorded at Huanong seis mostation

5 結(jié)束語

從試驗(yàn)結(jié)果來看,井下全方位潮汐觀測(cè)系統(tǒng)清晰觀測(cè)到了重力和傾斜固體潮汐,表明該系統(tǒng)已達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

致謝 衷心感謝蘇愷之、胡國慶、馬鴻鈞等研究員的指導(dǎo)和幫助!

1 蘇愷之,等.鉆孔地應(yīng)變觀測(cè)新進(jìn)展[M].地震出版社, 2003.(Su Kaizhi,et al.Borehole strain observations in progress[M].Bering：Seismological Press,2003)

2 Chapin D.Gravity instruments：Past,present,future[J].The Leading Edge,1998,17(1)：100-112.

3 李家明,等.DZ W-Ⅱ型微伽重力儀改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,(4)：127-132.(Li Jiaming,et al. Reforming design of micro-gal-gravimeter of type DZ W-Ⅱ[J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2005,(4)：127-132)

4 李家明,等.GS型重力儀智能化和網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2008,(6)：127-131.(Li Jiaming, et al.Realization of intellectualization and net work of GS gravimeter[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008, (6)：127-131)

5 Harrison J C and Soto T.I mplementation of electro-static feedback with a Lacoste-Rombergmode G gravitymeter[J]. Geophyr.Res.,1983,89：7 957-7 962.

6 羅峰.VS型垂直擺傾斜儀的設(shè)計(jì)及其智能化研究[D].中國地震局地震研究所,1999.(Luo Feng.VS verticalpendulum of design and intelligent[D].Institute of Seis mology, CEA,1999)

7 肖俊.高精度垂直擺傾斜儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[D].中科院測(cè)量與地球物理研究所,2002.(Xiao Jun.High precision vertical pendulum tiltmeter and its appplication[D]. Institute of Geodesy and Geophysics,CAS,2002)

8 吳艷霞.VS新型垂直擺傾斜儀的研究[D].武漢理工大學(xué),2005.(Wu Yanxia.Study of new vertical pendulum tilt meter[D].Wuhan University of Technology,2005)

STUDY ON ALL-D IRECTIONALLY BORE-HOLE OBSERVATION TECHNIQUE OF EARTH TIDE

Li Jiaming1,2),Yao Zhigui1,2),Wen Xingwei1,2)and Pen Hongwei3)

(1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071 3)College of D isaster Prevention Techniques,Hebei 065201)

The three-dimensional gravity and tiltmeasurement resultswith bore-hole system show that the resolution power of the system are 0.1×10-8ms-2for gravity and 0.000 2″for tilt which reaches the design requirements and can meet the need of the solid tide observation and earthquake monitoring.

bore-hole observation;earth tide;gravity;tilt;electro-static feedback measurement

1671-5942(2010)05-0149-04

2010-09-10

國家自然科學(xué)基金(40774025);地震科學(xué)聯(lián)合基金(106003);中國地震局地震研究所所長基金(IS200961367)

李家明,男,1957年生,高級(jí)工程師,主要從事地震觀測(cè)技術(shù)研究.E-mail：jiaming6161@sina.com

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