陳 征 歐陽祖熙 李 宏 李 濤吳立恒 范國勝 張 鈞

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

陳 征 歐陽祖熙 李 宏 李 濤吳立恒 范國勝 張 鈞

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085）

目前鉆孔應(yīng)變觀測一般為水平應(yīng)變，使用無限巖石平板中的鉆孔應(yīng)力集中模型，可反演出水平應(yīng)力場分布及變化。如果在此基礎(chǔ)上加上垂向應(yīng)力測量，就可反演出三維應(yīng)力場分布。本文介紹的RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統(tǒng)的垂向應(yīng)變測量單元，外鋼筒為波紋管結(jié)構(gòu)，并通過螺旋刻絲、熱處理等技術(shù)，其垂向等效彈性模量比耦合水泥低一個數(shù)量級，同時垂向應(yīng)變鋼筒的水平向等效彈性模量高于垂向彈性模量一個數(shù)量級。垂向應(yīng)變探頭的力學結(jié)構(gòu)可以被形象地看成是一個螺旋柱形彈簧，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，因此可在豎井中較為準確地測量軸向應(yīng)變。

垂向應(yīng)變 鉆孔應(yīng)變 三維應(yīng)力 深井寬頻帶地形變綜合觀測

引言

地殼在構(gòu)造應(yīng)力場作用下將發(fā)生差異運動與受力變形，同時積累能量，最終導(dǎo)致局部地殼的破壞，即發(fā)生地震。地殼形變場，在地震震前、震中、震后有著不同的形式，通過對地殼形變的測量，有利于更好地認識和分析地殼運動規(guī)律和地震孕育過程，對于建立地殼動力學數(shù)值模型、研究地震機理和捕捉震前的構(gòu)造應(yīng)變信息有重要的科學意義，也是研究地殼應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力場的重要手段（李濤等，2011；唐磊等，2011）。

自上世紀70年代，我國就進行了鉆孔應(yīng)變觀測研究，至今已經(jīng)積累了大量的鉆孔應(yīng)變臺站數(shù)據(jù)和實際觀測經(jīng)驗，但由于技術(shù)所限，只局限于水平應(yīng)變的測量，無法進行三維應(yīng)力反演。而在國際上，日本學者近年來嘗試了在水平應(yīng)變測量的基礎(chǔ)上增加垂向應(yīng)變測量，以實現(xiàn)三維應(yīng)變觀測。但是由于其采用的是磁位移傳感器，因此動態(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系統(tǒng)（圖1）集成了水平應(yīng)變、傾斜、應(yīng)變地震波等測項，并在國內(nèi)首次提出了垂向應(yīng)變測量單元的設(shè)計。該系統(tǒng)各測項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，實現(xiàn)了大動態(tài)范圍（2×10）和高靈敏度測量（10-），且年漂移量優(yōu)于10應(yīng)變量級。

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

RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統(tǒng)測量探頭由多個獨立的測量段聯(lián)接而成，集成了水平應(yīng)變、垂向應(yīng)變、鉆孔傾斜、應(yīng)變地震波等多種測項，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。在觀測中井下探頭使用特種水泥灌封，這樣探頭就與孔壁達到完全耦合，可以如實反應(yīng)鉆孔的各種變形，并進行精確的測量。

1.1 垂向應(yīng)變探頭結(jié)構(gòu)

垂向應(yīng)變測量的難點在于如何能使垂向應(yīng)變測量探頭（圖2）很好的反應(yīng)鉆孔垂向變形。由于觀測用鉆孔均為豎井，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高于水平向和耦合水泥，即應(yīng)變探頭垂向硬度極高，遠超過耦合介質(zhì)，耦合水泥無法將鉆孔的垂向形變完全的、無損耗的傳遞到探頭內(nèi)傳感元件上，不適用于形變觀測（唐磊等，2010；2008a）。

為解決上述問題，RZB深井寬頻帶地形變綜合觀測系統(tǒng)的垂向應(yīng)變探頭外鋼筒為波紋管結(jié)構(gòu)，并通過螺旋刻絲、熱處理等技術(shù)，其垂向等效彈性模量在10MPa量級，硬度比耦合水泥低一個數(shù)量級。同時垂向應(yīng)變鋼筒的水平向等效彈性模量在10MPa以上，高于垂向彈性模量一個數(shù)量級。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。

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，當探頭在外力作用下產(chǎn)生軸向變形時，傳感器就能對其進行精確的測量。

1.2 垂向應(yīng)變探頭等效模量測試

對于垂向應(yīng)變探頭，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難得出力學模型的解析解，因此其大部分力學特性，都要通過實驗方法測得。由靜水壓力試驗和單軸壓力實驗可知，在圍壓狀態(tài)下，垂向應(yīng)變探頭的軸向等效彈性模量在4×10MPa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3×10MPa左右。圍壓試驗與單軸壓力條件下測得的垂向等效模量存在一定差異。作者及課題組成員認為，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—4×10MPa，因此，上述垂向應(yīng)變探頭的垂向等效彈性模量測值均比耦合介質(zhì)低一個數(shù)量級，符合鉆孔應(yīng)變觀測的需要，達到了設(shè)計要求。

2 三維鉆孔應(yīng)變觀測力學模型

由于垂向應(yīng)變探頭的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無法得出解析解，為驗證其合理性，使用有限元進行數(shù)值模擬實驗。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3.7×10MPa，這一結(jié)果與單軸壓力機測得的探頭垂向等效模量（單軸壓力機測得的垂向應(yīng)變探頭的等效彈性模量為3.316×10MPa）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孔，鉆孔上表面無法加向下的承載力，因此靠近鉆孔的巖石變形分布不均勻性較強，且應(yīng)變值較小，而遠離鉆孔的巖石應(yīng)變值趨于一致。

圖4為耦合水泥在測量段垂向的應(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量段中部，其彈性模量較為穩(wěn)定，因此水泥層在測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量基線（探頭長度）可以得出，傳感器測出的等效應(yīng)變?yōu)?.514×10。同時由圖5可知，靠近鉆孔的巖石層應(yīng)變?yōu)?.51×10，而整體應(yīng)變?yōu)?.39×10。傳感器測出的等效應(yīng)變對于巖體整體應(yīng)變相差在8%以內(nèi)，而對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。

3 垂向應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

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

4 結(jié)語

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

李濤，陳群策，歐陽祖熙，寧杰遠，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)測中的應(yīng)用. 北京大學學報（自然科學版），47（4）：677—683.

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

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

唐磊，邱澤華，闞寶祥，2008a. 對兩次印尼地震環(huán)型振蕩剪應(yīng)變方向的分析. 大地測量與地球動力學，28（2）：56—60.

唐磊，邱澤華，2008b. 用鉆孔體應(yīng)變資料檢測地球球型振蕩的數(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. 中國鉆孔體應(yīng)變臺網(wǎng)觀測到的地球球型振蕩. 大地測量與地球動力學，27（6）：37—44.

The Vertical Strain Probe of RZB Deep-wideband Integrated Observing System

Chen Zheng, Ouyang Zhuxi, Li Hong, Li Tiao, Wu Liheng, Fan Guosheng and Zhang Jun

(Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China)

At present, borehole strain observation is generally conducted in horizontal strain. With the use of an infinite flat rock in the borehole stress concentration model can be performed against the horizontal stress distribution and changes. On this basis, coupled with the vertical stress measurement, we can obtain three- dimensional stress distribution. This article describes the horizontal and vertical strain measurement unit of RZB deep wideband deformation integrated observing system. The vertical strain probe of RZB deep broadband deformation integrated observing system use the spiral carved silk on the outer steel tube, heat treatment technology, to make the vertical equivalent elastic modulus of probe around 10MPa, lower than the coupling cement an order of magnitude. At the same time, the horizontal Equivalent elastic modulus of the steel tube above 10MPa, higher than the vertical elastic modulus one order of magnitude. Adopting the above process, vertical strain sensor can be imaged as a helical cylindrical spring-loaded, which is very likely to produce axial elastic deformation, while the horizontal stiffness has been greatly strengthened.

Vertical strain; Borehole strain; Three-dimensional stress; Topography of deep-wideband integrated observing changes

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK19B03）和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項基金資助項目（ZDJ2011-03，ZDJ2013-06，ZDJ2013-07）及地震行業(yè)專項（201408006）聯(lián)合資助

2013-09-29

陳征，男，生于1979年。碩士，副研究員。主要從事鉆孔形變觀測技術(shù)研究。E-mail: duduchen1979@sohu.com

陳征，歐陽祖熙，李宏，李濤，吳立恒，范國勝，張鈞，2014．RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統(tǒng)的垂向應(yīng)變測量單元. 震災(zāi)防御技術(shù)，9（1）：126—132.