RZB 型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統的垂向應變測量單元1

陳 征 歐陽祖熙 李 宏 李 濤吳立恒 范國勝 張 鈞

（中國地震局地殼應力研究所， 北京 100085）

引言

地殼在構造應力場作用下將發生差異運動與受力變形，同時積累能量，最終導致局部地殼的破壞，即發生地震。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律和地震孕育過程，對于建立地殼動力學數值模型、研究地震機理和捕捉震前的構造應變信息有重要的科學意義，也是研究地殼應力和構造應力場的重要手段（李濤等，2011；唐磊等，2011）。

自上世紀 70年代，我國就進行了鉆孔應變觀測研究，至今已經積累了大量的鉆孔應變臺站數據和實際觀測經驗，但由于技術所限，只局限于水平應變的測量，無法進行三維應力反演。而在國際上，日本學者近年來嘗試了在水平應變測量的基礎上增加垂向應變測量，以實現三維應變觀測。但是由于其采用的是磁位移傳感器，因此動態范圍不大，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（圖1）集成了水平應變、傾斜、應變地震波等測項，并在國內首次提出了垂向應變測量單元的設計。該系統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，實現了大動態范圍（2×10-3）和高靈敏度測量（10-10），且年漂移量優于10-7應變量級。

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

1 RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統的三維應變測量探頭結構

RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統測量探頭由多個獨立的測量段聯接而成，集成了水平應變、垂向應變、鉆孔傾斜、應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，可以如實反應鉆孔的各種變形，并進行精確的測量。

1.1 垂向應變探頭結構

垂向應變測量的難點在于如何能使垂向應變測量探頭（圖2）很好的反應鉆孔垂向變形。由于觀測用鉆孔均為豎井，應變探頭只能豎直安裝。鋼筒的圓柱形結構使其垂向的等效彈性模量遠高于水平向和耦合水泥，即應變探頭垂向硬度極高，遠超過耦合介質，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的垂向應變探頭外鋼筒為波紋管結構，并通過螺旋刻絲、熱處理等技術，其垂向等效彈性模量在103MPa量級，硬度比耦合水泥低一個數量級。同時垂向應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數量級。采用上述工藝后，垂向應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，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生軸向變形時，傳感器就能對其進行精確的測量。

圖2 垂向應變探頭結構示意圖Fig. 2 Structure of vertical strain probe

1.2 垂向應變探頭等效模量測試

對于垂向應變探頭，由于其結構的復雜性，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，在圍壓狀態下，垂向應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，垂向應變探頭的軸向等效彈性模量在3×103MPa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下，垂向應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—4×104MPa，因此，上述垂向應變探頭的垂向等效彈性模量測值均比耦合介質低一個數量級，符合鉆孔應變觀測的需要，達到了設計要求。

2 三維鉆孔應變觀測力學模型

由于垂向應變探頭的結構較為復雜，無法得出解析解，為驗證其合理性，使用有限元進行數值模擬實驗。由數值模擬可知，在軸向承載力作用下垂向應變探頭的波紋結構為主要變形區，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，其位移表現為整體位移。探頭垂向等效彈性模量為3.7×103MPa，這一結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變探頭的等效彈性模量為3.316×103MPa）基本相符。

在垂向應變探頭建模完成后，應建立鉆孔、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變分布圖。由于我們只分析巖層的應力分布情況，因此面中去除了水泥和應變探頭部分。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，且應變值較小，而遠離鉆孔的巖石應變值趨于一致。

圖4為耦合水泥在測量段垂向的應變分布圖。由于探頭結構的原因，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，其彈性模量較為穩定，因此水泥層在測量段中部分布較為一致。

圖5為垂向應變探頭在垂直向的位移分布圖。從圖中可以看到，由于探頭的特殊結構，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變為1.514×10-7。同時由圖5可知，靠近鉆孔的巖石層應變為1.51×10-7，而整體應變為1.39×10-7。傳感器測出的等效應變對于巖體整體應變相差在8%以內，而對于鉆孔周邊巖體的應變相差則在 1%以內。這一差異是由于完整的巖體被打孔破壞，巖體形成了中空結構造成的。

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

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

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

3 垂向應變測量數據

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的垂向應變探頭記錄的垂向應變觀測曲線。從圖中可以看出，固體潮汐清晰，大潮小潮變化明顯，應變觀測靈敏度達到了設計要求。

圖6 泰安臺垂向應變數據Fig. 6 Plot of vertical strain vs. time recorded at Taian observation station

圖7 北京溫泉臺垂向應變觀測數據Fig. 7 Plot of vertical strain vs. time recorded at Wenquan observation station of Beijing

4 結語

由以上有限元數值模擬和實際觀測數據可知，RZB型深井寬頻帶地形變綜合觀測系統的垂向應變測量單元符合垂向應變測量要求，可以較為精確的觀測鉆孔垂向附加應變場，對于進行區域形變場、位移場和應力場反演，進行地殼構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型鉆孔應變儀在青藏高原東緣地應力監測中的應用. 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. 鉆孔四分量應變觀測自檢內精度分析. 大地測量與地球動力學，30（Supp.II）36—39.

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

唐磊，邱澤華，2008b. 用鉆孔體應變資料檢測地球球型振蕩的數據處理方法. 地殼構造與地殼應力文集，20：27—34.

唐磊，邱澤華，闞寶祥，2007. 中國鉆孔體應變臺網觀測到的地球球型振蕩. 大地測量與地球動力學，27（6）：37—44.