上海深井項目形變觀測資料分析

趙文舟 溫燕林 陳 婧

上海市地震局，上海 200062

引言

進入新世紀以來，地震測技術呈現出由平臺觀測臺網向大規模的立體監測網發展的趨勢，即由單一方法向寬頻帶綜合觀測發展，由地表觀測向空間與井下觀測發展，由陸地觀測向海洋觀測發展[1]。綜合深井觀測項目集成的儀器包括應變儀、傾斜儀、地震計、空隙壓、地磁儀、地溫儀、水溫儀。地殼形變觀測的目的是為了測定地殼表面點位之間的相對位置或重力場的變化，以獲取地殼形變的幾何和物理信息，其觀測量為位移、應變和重力的相對變化值，反映地殼形變的幾個方面：潮汐形變、構造形變、荷載形變以及突發性形變。鉆孔應變觀測儀器探頭一般安裝于鉆孔下數十米的基巖中（或土層中），通過對地層內部應變狀態依時間連續變化的精細觀測，是發現和掌握地震應變前兆的（長）中短臨以及震后調整的時空分布發展變化規律，構成重要的地震前兆觀測手段，為地震學研究、防震減災工程提供基礎性背景資料[2]。

1 臺站基本情況

2011年上海市地震局建成了兩個綜合深井地震觀測站，分別為崇明長江農場臺和浦東張江臺。崇明長江農場臺位于崇明島中部，浦東張江臺位于張江高科技園區內。

崇明長江農場臺位于上海市崇明島中部，地理位置為東經121.53°，北緯31.66°，臺站臺基巖性為燕山晚期花崗巖，臺址周圍構造較為穩定。崇明長江農場綜合深井觀測井井深463.6m°。浦東張江臺位于上海市張江高科技園區內，地理位置為東經121.6°，北緯31.18°，浦東張江綜合深井觀測井井深407m。

2 水泥固化與應變儀曲線變化情況

浦東張江臺四分量應變儀安裝于井下405米處，崇明長江農場臺四分量應變儀安裝于井下460米，詳細的地下情況請參看表1。由于要防止坍塌，均采取了鋼管護壁的辦法，儀器下井安放后利用膨脹水泥進行固化。此次固化工作使用的是標號為425#的水泥，理論上該標號的膨脹水泥初凝時間在1h左右，終凝時間在25h小時左右，但是曲線中顯示膨脹水泥的終凝時間卻遠遠超出該理論時間。影響水泥硬化的因素很多，除了礦物本身的結構，還與外界條件如溫度、加水量有密切的關系。此次深井固化所用的微膨脹水泥的密度是：1.2kg/L～1.3kg/L(松散狀態),按照稠度達到不掛手的要求，微膨脹水泥與水的重量配比是：1.8～2.0:1。

3 水泥固化與應變儀曲線變化情況

浦東張江臺四分量應變儀安裝于井下405米處，巖性以中風化粉砂巖為主，崇明長江農場臺四分量應變儀安裝于井下460米，巖性以微風化花崗巖為主。由于要防止坍塌，均采取了鋼管護壁的辦法，儀器下井安放后利用膨脹水泥進行固化。此次固化工作使用的是標號為425#的水泥，理論上該標號的膨脹水泥初凝時間在1h左右，終凝時間在25h小時左右，但是曲線中顯示膨脹水泥的終凝時間卻遠遠超出該理論時間。影響水泥硬化的因素很多，除了礦物本身的結構，還與外界條件如溫度、加水量有密切的關系。此次深井固化所用的微膨脹水泥的密度是：1.2kg/L～1.3kg/L(松散狀態),按照稠度達到不掛手的要求，微膨脹水泥與水的重量配比是：1.8～2.0:1。

3.1 浦東張江臺

圖1 2011年10月18日～2011年10月26日浦東張江臺曲線Fig 2 curve of Pudong Zhangjiang station from October 18，2011 to October26，2011

圖2 2011年10月27日～10月30日崇明長江農場臺曲線Fig 2 curve of Chongming Changjiang Farm station from October 18,2011 to October26,2011

浦東張江臺四分量應變儀北西分量及北南分量自10月18日開始出現急速下降，同時曲線斜率減小，直至10月26日17時左右由于儀器校測調整，出現臺階；四分量應變儀東西分量及北東分量自10月18日開始出現急速上升，同時曲線斜率逐漸減小，直至10月26日17時后出現臺階。對于此次應變儀出現臺階的情況，我們之前認為是儀器故障或膨脹水泥能力突出釋放所引起的，但是經過調閱浦東張江臺綜合深井觀測組所有儀器，發現10月26日當天17時以后均出現臺階，所以我們認為本次臺階是由于儀器調整造成的，消除這些階躍后整個曲線基本處于正常水平。

從上述圖形中可以發現北西、北南受到的應力降低，說明北西和北南方向受到拉張作用力的影響；東西、北東方向受到的應力增加，說明東西和北東方向受到擠壓作用力的影響，對此可以認為此次應變儀四分量的急速變化，是由于膨脹水泥在硬化過程中體積出現膨脹引起。北西、北南方向和東西、北東方向受到相反方向的作用力，說明水泥在在固化過程中膨脹中出現了非均勻膨脹過程。這個過程在10月27日儀器調整后消失，體應變的變化過程趨于一致。

3.2 崇明長江農場臺

崇明長江農場臺四分量應變儀從2011年10月27日起正式產出觀測數據，觀測曲線已經能顯現出固體潮的趨勢，同時數據曲線并未顯現出大幅的應力應變變化，這是因為崇明長江農場臺在數據產出之前井下的水泥膨脹過程已經完成并持續了一段時間，因此數據產出時已經能夠在一定程度上反應崇明地區的應力變化過程。

4 水泥固化穩定后四分量應變儀耦合情況分析

根據邱澤華等人[3][4]的研究，任意選擇一個元件的孔徑相對變化測值，記為s1，一次順時針轉動45°，有元件測值s2、s3和s4。當探頭與圍巖的耦合處于理想狀況時，應該有

但是這四組測值往往并不完全符合這個關系，而是有一定的誤差。這個誤差可能反映了探頭與圍巖的耦合狀況。死分量鉆孔應變儀以45°為間隔在4個方向上安裝元件，構成兩組互相正交的孔徑相對變化觀測，就是為了根據式（1）檢驗檢驗它們是否相等。這種“自檢”對于說明探頭與圍巖的耦合狀況具有關鍵的作用。

實際上我們可以進一步根據一定的假設來對元件測值進行校正。令Si=kisi（i=1,2,3,4），假設

將大量實際測值帶入式（2），給定任意一個ki為1，可以反演得到其他ki。分別給定所有ki為1，可以得到4組ki（i=1,2,3,4,）。對這4組值取ki的平均值作為最終的反演結果。這樣的ki都是在1附近取值。特別當耦合處于理想狀況時，所有ki都等于1。我們稱對ki的反演為實地相對標定，稱ki為相對校正系數。

表1 四分量鉆孔應變儀相對校正系數Table 1 Relative calibration factors of four-component borehole strain observation

現利用上海深井觀測校正數據進行相對校正系數的計算，可以得出兩個深井觀測站四分量鉆孔應變儀的相對校正系數。上海深井觀測校正數據有四分量應變儀、二分量鉆孔傾斜儀、地磁儀，據負責此項目的人介紹，校正數據主要是對存在方向分量的數據進行方向校正，進而使得數據更為精確。

對于四分量鉆孔應變儀，可以利用其特有的自檢功能對資料的穩定性、可靠性進行檢驗[5]。利用校正數據計算出的結果表明，上海深井觀測臺網的四分量應變儀耦合情況良好，可以提供有價值的應變變化觀測數據。

5 結語與討論

（1）通過分析浦東張江臺綜合深井觀測及崇明長江農場綜合深井觀測的四分量鉆孔應變儀數據，認為上述兩個臺站的四分量鉆孔應變儀數據能夠運用于日常分析預報任務中，并且能夠較好的體現地下應力應變變化情況。

（2）浦東張江臺四分量鉆孔應變儀2011年10月18日～26日的數據能夠真實的反映膨脹水泥固化的過程，能夠為今后的綜合深井水泥固化提供一定的參考依據；由于對崇明長江農場臺四分量鉆孔應變儀進行過調整，崇明長江臺水泥固化過程缺失，對今后類似地質結構下的水泥固化過程的認識存在一定的影響，但是整體觀測曲線正常，固體潮正常，該次調整對于崇明長江農場臺并無影響。

（3）綜合深井四分量應變儀觀測是能夠顯著減弱地表、人類活動等干擾所帶來的影響，切實反映深部地下巖層應力應變的變化情況。

[1]歐陽祖熙，張鈞，陳征,等.地殼形變深井綜合觀測技術的新進展.國際地震動態，2009，11(371)：1-13

[2]李海亮，李宏.鉆孔應變觀測現狀與展望.地質學報，2010，84(6)：895-900

[3]邱澤華，闞寶祥，唐磊.四分量鉆孔應變觀測資料的換算和使用.地震，2009，29(4)：83-89

[4]邱澤華，唐磊，周龍壽，等.四分量鉆孔應變臺網汶川地震前的觀測應變變化.大地測量與地球動力學，2009，29(1)：1-5

[5]劉琦，張晶，池順良.四分量鉆孔應變資料的質量評價及擬合分析.地震，2011，31(2)：87-96