RZB 型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)的垂向應(yīng)變測(cè)量單元1

陳 征 歐陽(yáng)祖熙 李 宏 李 濤吳立恒 范國(guó)勝 張 鈞

（中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所， 北京 100085）

引言

地殼在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下將發(fā)生差異運(yùn)動(dòng)與受力變形，同時(shí)積累能量，最終導(dǎo)致局部地殼的破壞，即發(fā)生地震。地殼形變場(chǎng)，在地震震前、震中、震后有著不同的形式，通過(guò)對(duì)地殼形變的測(cè)量，有利于更好地認(rèn)識(shí)和分析地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律和地震孕育過(guò)程，對(duì)于建立地殼動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型、研究地震機(jī)理和捕捉震前的構(gòu)造應(yīng)變信息有重要的科學(xué)意義，也是研究地殼應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的重要手段（李濤等，2011；唐磊等，2011）。

自上世紀(jì) 70年代，我國(guó)就進(jìn)行了鉆孔應(yīng)變觀測(cè)研究，至今已經(jīng)積累了大量的鉆孔應(yīng)變臺(tái)站數(shù)據(jù)和實(shí)際觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，但由于技術(shù)所限，只局限于水平應(yīng)變的測(cè)量，無(wú)法進(jìn)行三維應(yīng)力反演。而在國(guó)際上，日本學(xué)者近年來(lái)嘗試了在水平應(yīng)變測(cè)量的基礎(chǔ)上增加垂向應(yīng)變測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)三維應(yīng)變觀測(cè)。但是由于其采用的是磁位移傳感器，因此動(dòng)態(tài)范圍不大，靈敏度較低，并存在較大磁漂。

RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)（圖1）集成了水平應(yīng)變、傾斜、應(yīng)變地震波等測(cè)項(xiàng)，并在國(guó)內(nèi)首次提出了垂向應(yīng)變測(cè)量單元的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)各測(cè)項(xiàng)均使用電容傳感器作為傳感元件，因此克服了磁傳感器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了大動(dòng)態(tài)范圍（2×10-3）和高靈敏度測(cè)量（10-10），且年漂移量?jī)?yōu)于10-7應(yīng)變量級(jí)。

圖1 RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 RZB deep wideband deformation integrated observing system

1 RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)的三維應(yīng)變測(cè)量探頭結(jié)構(gòu)

RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量探頭由多個(gè)獨(dú)立的測(cè)量段聯(lián)接而成，集成了水平應(yīng)變、垂向應(yīng)變、鉆孔傾斜、應(yīng)變地震波等多種測(cè)項(xiàng)，在探頭主體上端裝有扶正器，下端裝有配重。探頭安裝在內(nèi)徑130mm的鉆孔中，安裝深度為0—400m。在觀測(cè)中井下探頭使用特種水泥灌封，這樣探頭就與孔壁達(dá)到完全耦合，可以如實(shí)反應(yīng)鉆孔的各種變形，并進(jìn)行精確的測(cè)量。

1.1 垂向應(yīng)變探頭結(jié)構(gòu)

垂向應(yīng)變測(cè)量的難點(diǎn)在于如何能使垂向應(yīng)變測(cè)量探頭（圖2）很好的反應(yīng)鉆孔垂向變形。由于觀測(cè)用鉆孔均為豎井，應(yīng)變探頭只能豎直安裝。鋼筒的圓柱形結(jié)構(gòu)使其垂向的等效彈性模量遠(yuǎn)高于水平向和耦合水泥，即應(yīng)變探頭垂向硬度極高，遠(yuǎn)超過(guò)耦合介質(zhì)，耦合水泥無(wú)法將鉆孔的垂向形變完全的、無(wú)損耗的傳遞到探頭內(nèi)傳感元件上，不適用于形變觀測(cè)（唐磊等，2010；2008a）。

為解決上述問(wèn)題，RZB深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)的垂向應(yīng)變探頭外鋼筒為波紋管結(jié)構(gòu)，并通過(guò)螺旋刻絲、熱處理等技術(shù)，其垂向等效彈性模量在103MPa量級(jí)，硬度比耦合水泥低一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)垂向應(yīng)變鋼筒的水平向等效彈性模量在104MPa以上，高于垂向彈性模量一個(gè)數(shù)量級(jí)。采用上述工藝后，垂向應(yīng)變探頭可以被形象地看成是一個(gè)螺旋柱形彈簧，其軸向極易產(chǎn)生彈性形變，而水平向的硬度卻得到了極大的加強(qiáng)。

在探頭內(nèi)，電容式微位移傳感器垂直安裝在探頭中，傳感器兩端固定在探頭兩頭的端部，當(dāng)探頭在外力作用下產(chǎn)生軸向變形時(shí)，傳感器就能對(duì)其進(jìn)行精確的測(cè)量。

圖2 垂向應(yīng)變探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure of vertical strain probe

1.2 垂向應(yīng)變探頭等效模量測(cè)試

對(duì)于垂向應(yīng)變探頭，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難得出力學(xué)模型的解析解，因此其大部分力學(xué)特性，都要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得。由靜水壓力試驗(yàn)和單軸壓力實(shí)驗(yàn)可知，在圍壓狀態(tài)下，垂向應(yīng)變探頭的軸向等效彈性模量在4×103MPa左右；在單軸壓力條件下，垂向應(yīng)變探頭的軸向等效彈性模量在3×103MPa左右。圍壓試驗(yàn)與單軸壓力條件下測(cè)得的垂向等效模量存在一定差異。作者及課題組成員認(rèn)為，這一差異是由于圍壓狀態(tài)下，垂向應(yīng)變探頭的波紋表面為力約束邊界條件，而在單軸壓力條件下，應(yīng)變探頭的波紋表面為自由面，沒(méi)有外圍圍壓約束條件引起的。由于探頭安裝所使用的特種水泥的彈性模量為2.5—4×104MPa，因此，上述垂向應(yīng)變探頭的垂向等效彈性模量測(cè)值均比耦合介質(zhì)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，符合鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的需要，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2 三維鉆孔應(yīng)變觀測(cè)力學(xué)模型

由于垂向應(yīng)變探頭的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無(wú)法得出解析解，為驗(yàn)證其合理性，使用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。由數(shù)值模擬可知，在軸向承載力作用下垂向應(yīng)變探頭的波紋結(jié)構(gòu)為主要變形區(qū)，其兩端的密封頭由于為整塊金屬棒材制成，因此彈性模量較高，變形較小，其位移表現(xiàn)為整體位移。探頭垂向等效彈性模量為3.7×103MPa，這一結(jié)果與單軸壓力機(jī)測(cè)得的探頭垂向等效模量（單軸壓力機(jī)測(cè)得的垂向應(yīng)變探頭的等效彈性模量為3.316×103MPa）基本相符。

在垂向應(yīng)變探頭建模完成后，應(yīng)建立鉆孔、基巖和耦合水泥有限元模型。圖3為巖石層在水平及垂向承載力作用下垂直向應(yīng)變分布圖。由于我們只分析巖層的應(yīng)力分布情況，因此面中去除了水泥和應(yīng)變探頭部分。從圖3可以看到，由于在完整巖石上開(kāi)孔，鉆孔上表面無(wú)法加向下的承載力，因此靠近鉆孔的巖石變形分布不均勻性較強(qiáng)，且應(yīng)變值較小，而遠(yuǎn)離鉆孔的巖石應(yīng)變值趨于一致。

圖4為耦合水泥在測(cè)量段垂向的應(yīng)變分布圖。由于探頭結(jié)構(gòu)的原因，探頭上下端部水平向的彈性模量較高，因此探頭端部應(yīng)變較小。而由于水泥層和探頭在測(cè)量段中部，其彈性模量較為穩(wěn)定，因此水泥層在測(cè)量段中部分布較為一致。

圖5為垂向應(yīng)變探頭在垂直向的位移分布圖。從圖中可以看到，由于探頭的特殊結(jié)構(gòu)，其垂向的位移分布均勻。將探頭整體變形量除以測(cè)量基線（探頭長(zhǎng)度）可以得出，傳感器測(cè)出的等效應(yīng)變?yōu)?.514×10-7。同時(shí)由圖5可知，靠近鉆孔的巖石層應(yīng)變?yōu)?.51×10-7，而整體應(yīng)變?yōu)?.39×10-7。傳感器測(cè)出的等效應(yīng)變對(duì)于巖體整體應(yīng)變相差在8%以內(nèi)，而對(duì)于鉆孔周邊巖體的應(yīng)變相差則在 1%以內(nèi)。這一差異是由于完整的巖體被打孔破壞，巖體形成了中空結(jié)構(gòu)造成的。

圖3 鉆孔垂直向應(yīng)變分布圖Fig. 3 Vertical displacement distribution of the rock

圖4 耦合水泥垂直向應(yīng)變分布圖Fig. 4 Vertical displacement distribution of the cement

圖5 垂向應(yīng)變探頭的垂直向位移分布圖Fig. 5 Vertical displacement distribution of the vertical strain probe

3 垂向應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6和圖7給出的是山東泰安地震臺(tái)和北京溫泉地震臺(tái)RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)的垂向應(yīng)變探頭記錄的垂向應(yīng)變觀測(cè)曲線。從圖中可以看出，固體潮汐清晰，大潮小潮變化明顯，應(yīng)變觀測(cè)靈敏度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 泰安臺(tái)垂向應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig. 6 Plot of vertical strain vs. time recorded at Taian observation station

圖7 北京溫泉臺(tái)垂向應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)Fig. 7 Plot of vertical strain vs. time recorded at Wenquan observation station of Beijing

4 結(jié)語(yǔ)

由以上有限元數(shù)值模擬和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測(cè)系統(tǒng)的垂向應(yīng)變測(cè)量單元符合垂向應(yīng)變測(cè)量要求，可以較為精確的觀測(cè)鉆孔垂向附加應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)于進(jìn)行區(qū)域形變場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)反演，進(jìn)行地殼構(gòu)造及活動(dòng)研究具有重要意義（唐磊等，2008b；2007）。

李濤，陳群策，歐陽(yáng)祖熙，寧杰遠(yuǎn)，陳征，吳立恒，2011. RZB型鉆孔應(yīng)變儀在青藏高原東緣地應(yīng)力監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），47（4）：677—683.

唐磊，邱澤華，郭燕平，趙斌，2011. 日本 9.0級(jí)地震引起的應(yīng)變階分析. 地震地磁觀測(cè)與研究，32（6）：13—16.

唐磊，邱澤華，宋茉，2010. 鉆孔四分量應(yīng)變觀測(cè)自檢內(nèi)精度分析. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，30（Supp.II）36—39.

唐磊，邱澤華，闞寶祥，2008a. 對(duì)兩次印尼地震環(huán)型振蕩剪應(yīng)變方向的分析. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，28（2）：56—60.

唐磊，邱澤華，2008b. 用鉆孔體應(yīng)變資料檢測(cè)地球球型振蕩的數(shù)據(jù)處理方法. 地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集，20：27—34.

唐磊，邱澤華，闞寶祥，2007. 中國(guó)鉆孔體應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)到的地球球型振蕩. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，27（6）：37—44.