RZB 型深井宽频带地形变综合观测系统的垂向应变测量单元1

陈 征 欧阳祖熙 李 宏 李 涛吴立恒 范国胜 张 钧

（中国地震局地壳应力研究所， 北京 100085）

引言

地壳在构造应力场作用下将发生差异运动与受力变形，同时积累能量，最终导致局部地壳的破坏，即发生地震。地壳形变场，在地震震前、震中、震后有着不同的形式，通过对地壳形变的测量，有利于更好地认识和分析地壳运动规律和地震孕育过程，对于建立地壳动力学数值模型、研究地震机理和捕捉震前的构造应变信息有重要的科学意义，也是研究地壳应力和构造应力场的重要手段（李涛等，2011；唐磊等，2011）。

自上世纪 70年代，我国就进行了钻孔应变观测研究，至今已经积累了大量的钻孔应变台站数据和实际观测经验，但由于技术所限，只局限于水平应变的测量，无法进行三维应力反演。而在国际上，日本学者近年来尝试了在水平应变测量的基础上增加垂向应变测量，以实现三维应变观测。但是由于其采用的是磁位移传感器，因此动态范围不大，灵敏度较低，并存在较大磁漂。

RZB型深井宽频带地形变综合观测系统（图1）集成了水平应变、倾斜、应变地震波等测项，并在国内首次提出了垂向应变测量单元的设计。该系统各测项均使用电容传感器作为传感元件，因此克服了磁传感器的缺点，实现了大动态范围（2×10-3）和高灵敏度测量（10-10），且年漂移量优于10-7应变量级。

图1 RZB型深井宽频带地形变综合观测系统示意图Fig. 1 RZB deep wideband deformation integrated observing system

1 RZB型深井宽频带地形变综合观测系统的三维应变测量探头结构

RZB型深井宽频带地形变综合观测系统测量探头由多个独立的测量段联接而成，集成了水平应变、垂向应变、钻孔倾斜、应变地震波等多种测项，在探头主体上端装有扶正器，下端装有配重。探头安装在内径130mm的钻孔中，安装深度为0—400m。在观测中井下探头使用特种水泥灌封，这样探头就与孔壁达到完全耦合，可以如实反应钻孔的各种变形，并进行精确的测量。

1.1 垂向应变探头结构

垂向应变测量的难点在于如何能使垂向应变测量探头（图2）很好的反应钻孔垂向变形。由于观测用钻孔均为竖井，应变探头只能竖直安装。钢筒的圆柱形结构使其垂向的等效弹性模量远高于水平向和耦合水泥，即应变探头垂向硬度极高，远超过耦合介质，耦合水泥无法将钻孔的垂向形变完全的、无损耗的传递到探头内传感元件上，不适用于形变观测（唐磊等，2010；2008a）。

为解决上述问题，RZB深井宽频带地形变综合观测系统的垂向应变探头外钢筒为波纹管结构，并通过螺旋刻丝、热处理等技术，其垂向等效弹性模量在103MPa量级，硬度比耦合水泥低一个数量级。同时垂向应变钢筒的水平向等效弹性模量在104MPa以上，高于垂向弹性模量一个数量级。采用上述工艺后，垂向应变探头可以被形象地看成是一个螺旋柱形弹簧，其轴向极易产生弹性形变，而水平向的硬度却得到了极大的加强。

在探头内，电容式微位移传感器垂直安装在探头中，传感器两端固定在探头两头的端部，当探头在外力作用下产生轴向变形时，传感器就能对其进行精确的测量。

图2 垂向应变探头结构示意图Fig. 2 Structure of vertical strain probe

1.2 垂向应变探头等效模量测试

对于垂向应变探头，由于其结构的复杂性，很难得出力学模型的解析解，因此其大部分力学特性，都要通过实验方法测得。由静水压力试验和单轴压力实验可知，在围压状态下，垂向应变探头的轴向等效弹性模量在4×103MPa左右；在单轴压力条件下，垂向应变探头的轴向等效弹性模量在3×103MPa左右。围压试验与单轴压力条件下测得的垂向等效模量存在一定差异。作者及课题组成员认为，这一差异是由于围压状态下，垂向应变探头的波纹表面为力约束边界条件，而在单轴压力条件下，应变探头的波纹表面为自由面，没有外围围压约束条件引起的。由于探头安装所使用的特种水泥的弹性模量为2.5—4×104MPa，因此，上述垂向应变探头的垂向等效弹性模量测值均比耦合介质低一个数量级，符合钻孔应变观测的需要，达到了设计要求。

2 三维钻孔应变观测力学模型

由于垂向应变探头的结构较为复杂，无法得出解析解，为验证其合理性，使用有限元进行数值模拟实验。由数值模拟可知，在轴向承载力作用下垂向应变探头的波纹结构为主要变形区，其两端的密封头由于为整块金属棒材制成，因此弹性模量较高，变形较小，其位移表现为整体位移。探头垂向等效弹性模量为3.7×103MPa，这一结果与单轴压力机测得的探头垂向等效模量（单轴压力机测得的垂向应变探头的等效弹性模量为3.316×103MPa）基本相符。

在垂向应变探头建模完成后，应建立钻孔、基岩和耦合水泥有限元模型。图3为岩石层在水平及垂向承载力作用下垂直向应变分布图。由于我们只分析岩层的应力分布情况，因此面中去除了水泥和应变探头部分。从图3可以看到，由于在完整岩石上开孔，钻孔上表面无法加向下的承载力，因此靠近钻孔的岩石变形分布不均匀性较强，且应变值较小，而远离钻孔的岩石应变值趋于一致。

图4为耦合水泥在测量段垂向的应变分布图。由于探头结构的原因，探头上下端部水平向的弹性模量较高，因此探头端部应变较小。而由于水泥层和探头在测量段中部，其弹性模量较为稳定，因此水泥层在测量段中部分布较为一致。

图5为垂向应变探头在垂直向的位移分布图。从图中可以看到，由于探头的特殊结构，其垂向的位移分布均匀。将探头整体变形量除以测量基线（探头长度）可以得出，传感器测出的等效应变为1.514×10-7。同时由图5可知，靠近钻孔的岩石层应变为1.51×10-7，而整体应变为1.39×10-7。传感器测出的等效应变对于岩体整体应变相差在8%以内，而对于钻孔周边岩体的应变相差则在 1%以内。这一差异是由于完整的岩体被打孔破坏，岩体形成了中空结构造成的。

图3 钻孔垂直向应变分布图Fig. 3 Vertical displacement distribution of the rock

图4 耦合水泥垂直向应变分布图Fig. 4 Vertical displacement distribution of the cement

图5 垂向应变探头的垂直向位移分布图Fig. 5 Vertical displacement distribution of the vertical strain probe

3 垂向应变测量数据

图6和图7给出的是山东泰安地震台和北京温泉地震台RZB型深井宽频带地形变综合观测系统的垂向应变探头记录的垂向应变观测曲线。从图中可以看出，固体潮汐清晰，大潮小潮变化明显，应变观测灵敏度达到了设计要求。

图6 泰安台垂向应变数据Fig. 6 Plot of vertical strain vs. time recorded at Taian observation station

图7 北京温泉台垂向应变观测数据Fig. 7 Plot of vertical strain vs. time recorded at Wenquan observation station of Beijing

4 结语

由以上有限元数值模拟和实际观测数据可知，RZB型深井宽频带地形变综合观测系统的垂向应变测量单元符合垂向应变测量要求，可以较为精确的观测钻孔垂向附加应变场，对于进行区域形变场、位移场和应力场反演，进行地壳构造及活动研究具有重要意义（唐磊等，2008b；2007）。

李涛，陈群策，欧阳祖熙，宁杰远，陈征，吴立恒，2011. RZB型钻孔应变仪在青藏高原东缘地应力监测中的应用. 北京大学学报（自然科学版），47（4）：677—683.

唐磊，邱泽华，郭燕平，赵斌，2011. 日本 9.0级地震引起的应变阶分析. 地震地磁观测与研究，32（6）：13—16.

唐磊，邱泽华，宋茉，2010. 钻孔四分量应变观测自检内精度分析. 大地测量与地球动力学，30（Supp.II）36—39.

唐磊，邱泽华，阚宝祥，2008a. 对两次印尼地震环型振荡剪应变方向的分析. 大地测量与地球动力学，28（2）：56—60.

唐磊，邱泽华，2008b. 用钻孔体应变资料检测地球球型振荡的数据处理方法. 地壳构造与地壳应力文集，20：27—34.

唐磊，邱泽华，阚宝祥，2007. 中国钻孔体应变台网观测到的地球球型振荡. 大地测量与地球动力学，27（6）：37—44.