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1、RZB型钻孔应变仪在青藏高原东缘地应力监测中的应用 1国家深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-06和中央级公益性科研院所基本科研业务专项基金ZDJ2007-02, ZDJ2010-31-01资助 收稿日期: 2010-08-25; 修回日期: 2010-12-27; 网络出版时间:网络出版地址:北京大学学报 自然科学版 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis PekinensisRZB型钻孔应变仪在青藏高原东缘 地应力监测中的应用 李涛1,2 陈群策3 欧阳祖熙2,宁杰远1 陈征2 吴立恒2 1. 北京大学地球与空间科学学院地球物理学系 ,
2、 北京 100871; 2. 中国地震局地壳应力研究所 , 北京 100085;3. 中国地质科学院地质力学研究所 , 北京 100081;通信作者 , E-mail: oyzx2855sina 摘要 介绍新一代 RZB-3 型钻孔应变仪, 及其用于地壳应力应变连续观测的特点。对四川江油地应力监测站RZB-3A 型分量式钻孔应变仪观测数据进行了初步分析, 结果表明: 安装于江油地应力监测站的 RZB-3A 型分量式钻孔应变仪有着较高的分辨率。系统参考元件的数据表明, 观测系统分辨率优于 10?9 应变量级, 不仅记录到清晰的固体潮汐, 还记录到宽频带应变地震波。特别地, 由于四分量钻孔应变观测
3、的优越性, 已经获得的数据表明, 该观测系统对台站邻区地壳水平应变场的面应变测量精度较高。因此, 将新型分量式钻孔应变仪应用于青藏高原东缘地应力连续观测, 对于揭示该区域应力场活动与地震的关系有重要意义。关键词 地应力测量; 钻孔应变仪; 青藏高原; 电容传感器 中图分类号 P315 Application of the RZB Borehole Strainmeter in Crustal StressObservation at the Eastern Margin of the Tibet Plateau LI Tao1,2, CHEN Qunce3, OUYANG Zuxi2,?, N
4、ING Jieyuan1, CHEN Zheng2, WU Liheng2 1. Department of Geophysics, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of CrustalDynamics, China Seismological Bureau, Beijing 100085; 3. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of GeologicalSciences, Beijing 100081;C
5、orresponding author, E-mail: oyzx2855sina Abstract The authors introduce a new generation RZB borehole strainmeter and its application in crustal stress observation. The preliminary analysis of the monitoring data from the RZB-3A borehole strainmeter installed in crustal stress station of Jiangyou i
6、n Sichuan show that the resolution of the observing system is better than 10?9 strain megnitude. The borehole strainmeter not only recorded strain tide, also recorded broadband strain seismic wave. Especially, because of the superiority of the 4-component borehole strain observation, the obtained da
7、ta show that RZB-3A borehole strainmeter has high measurement accuracy of plane strain in crustal horizontal strain field of the area around the observation station. Therefore, it is significant to reveal the relationship between the activity of stress field and earthquake to use the new multi-compo
8、nent borehole strainmeter to develop crustal stress continuous observation in the eastern margin of the Tibet PlateauKey words in situ stress measurement; borehole strainmeter; Tibet Plateau; capacitance senser 青藏高原东缘处于中国巨型南北向构造带中段, 主要包括岷山断块和龙门山构造带。汶川“5?12”特大地震发生后, 根据地表地质调查以及余震分布特征分析, 认为龙门山断裂带的北段有被重
9、新激活的现象。由于大范围内区域应力场的调整, 川青地块, 包括龙门山断裂带的北段又重新被纳入一个整体。因此, 利用应力应变连续监测技术, 对龙门山 断裂带北段的地应力动态变化实施连续监测, 从而2011-6-27 11:18/0.北京大学学报 自然科学版 2获得这一重要构造部位地应力的时空分布规律, 对揭示该区域内主要活动断裂带与现今地应力之间的相互作用关系及其耦合机制具有重要意义。 江油地应力监测站 31.819?N, 104.749?E位于四川省江油市, 地处青藏高原东缘。2009 年 11 月 8日完成 RZB-3A 型分量式钻孔应变探头的下井安装, 探头安装至井下 49 m, 系统采样
10、频率为 1 Hz。 整个测量系统于 2009 年 12 月份开始连续观测。 1 RZB型分量式钻孔应变仪简介 1.1 仪器构成与特点 RZB 型分量式钻孔应变仪是一种记录地壳应力、应变场动态变化的仪器, 安装在岩石钻孔中, 使用特种水泥作为耦合介质, 通过测量岩石钻孔孔径的变化来测量应变变化, 具有很高的观测精度和稳定性, 可以记录到清晰的固体潮汐和地震孕育过程中地壳的受力变形。 RZB-1 型电容式多分量钻孔应变仪的研制始于1975 年, 1981 年投入试验观测, 几经改进, 逐步投入到中国西部钻孔应变仪实验台网与地震活动区地震台站使用 1?5。之后 , 面对美国 PBO 计划的实施 6?
11、7, 日本新型深井地壳活动综合观测装置开始推广运用 8的形势 , 特别是近年来 , 在我国国家防震 减 灾 规 划 实 施 的 推 动 下 , 现 已 发 展 到 新 一 代RZB-3 型地壳变形深井宽频带综合观测系统9。该系统可实现在一个深钻井中开展分量式地壳水平应变、地壳垂向应变、钻孔倾斜、宽频带应变地震波观测, 以及水位、井温与气压等三分量辅助观测。RZB-3型电容式多分量钻孔应变仪具有精度高、频带宽、总量程和一次性调节量程动态范围大、深井安装可靠等特点。RZB 型钻孔应变仪由井下探头与地面主机、数据采集器和直流隔离电源等设备组成图 1。 1.2 电容位移传感器 井下钻孔应变探头内安装有
12、 4 个电容式位移传感器。传感元件采用三极板差动式结构, 3 块平行 金属极板构成了两个差动变化的电容器。传感器安装在直径为 102 mm 探头弹性钢筒壁上, 随着探头在地应力作用下发生变形, 极板间距会发生相应的变化, 其电容量便随之改变。通过测量电容量的差动变化就可以精确地感知钻孔的形变情况。安装在弹性钢筒上的电容式位移传感器的结构示意图见图2, 图 2 中 d1 和 d2 分别表示相邻两个电容极板间的距离, u 表示电容极板 2 相对于电容极板 1 和 3 的位移。电容极板 1 和 3 通过传递杆固定在钢筒 A 端, 电容极板 2 通过传递杆固定在 B 端, 当钢筒受到挤压或者拉张变形时
13、, 极板间的距离 d1 和 d2 将会随之变化, 形成极板间的相对位移 u。 图 3 给出了传感器极板间的相对位移标定曲线, 从图3可看出, 在钻孔应变达 10?4 量级的动态范围上, 传感器的输出线性仍非常好。 1.3 四分量观测与系统自检 分量式钻孔应变仪给出的是孔径相对变化。根据简化的物理模型, 当地壳无穷远处作用有均匀水平主应力 P1 和 P2 时, 钻孔方向的孔径变化10?11为 1 2 1 2 cos 2 u A P P B P P ? + +? , 1 为 P1 的方向角, 系数 A 和 B 与弹性钢筒内径、钢筒壁厚、钢筒材料的杨氏模量和泊松比, 以及耦合介质和围岩的杨氏模量和泊
14、松比有比较复杂的关系。在钻孔应变观测中, 采用四分量的探头结构, 即各个位移传感器之间的夹角均取做 45, 有明显的优越性。若以1 表示第 1 号传感器测得的应变, 从式1可求得两组互相垂直方向上的应变分量之和相等, 并且等于邻区地壳的面应变A: 图 2 传感器结构示意图 Fig. 2 Sensor structure diagram 图 1 RZB-3型分量式钻孔应变仪原理框图 Fig. 1 Principle diagram of the RZB-3 multi-component borehole strainmeter 李涛等 : RZB 型钻孔应变仪在青藏高原东缘地应力监测中的应用
15、31 3 2 4 A + + 。 2 我们可运用该原理来检验观测数据的质量, 有利于分析、排除干扰因素, 获得可靠的面应变观测结果。 钻孔应变观测的标定可分为两类: 一是通过室内标定, 获得传感器输出-位移灵敏度系数; 二是通过应变固体潮汐信号进行现场标定, 解决由钻孔应变测量结果求取周围地壳应变变化的问题。一般地, 地层岩石不够完整连续、钻孔偏斜和探头安装不良等因素, 都会导致耦合系数 A 和 B 因方向与场地的不同而变化, 这一问题可以通过现场标定进行综合校正。测量系统采用四分量结构, 可以利用理论应变固体潮汐对式1中的耦合系数 A 和 B 进行标定, 以获得的准确可靠的观测结果12?13
16、。根据弹性力学原理以及公式1, 只要在同一个平面测出 3 个方向的线应变, 即可得到 3 个方程式, 解算出 P1, P2 以及P1 的方向角?。由于该观测系统记录的是应变的相对变化, 所以解算出的 P1, P2 和?分别为附加应力的最大主应力、最小主应力及最大主应力方向。当在同一个平面测出更多方向的线应变时, 可以用最小二乘法提高解算平面附加应力状态主应力大小和方向的精确度。 1.4 国内外相关仪器概况 20 世纪 80 年代, 我国成功研制出的 RZB-1 型电容式多分量钻孔应变仪, 该观测系统处于当时国内外该类仪器的领先水平5。随着地壳形变观测的不断深入, 特别是近十几年来, 国际地球科
17、学界对深井综合观测十分重视。日本开发了地壳活动综合观测装置, 美国亦开展了井下综合观测 9。我国于2004 年年底开展了深井地壳形变宽频带综合观测系统研制, 并于 2008 年研制出 RZB-3 型深井地壳形变宽频带观测系统。从表 1 和 2 可以看出, RZB-3A型分量式钻孔应变仪观测精度在达到国际同类仪器水平的同时, 具有很宽的动态范围, 无须调节即可连续、完整的记录探头安装水泥固结的全过程。而且, 新仪器中的数字化传感器抗干扰性能力强、便于组网、可远程调零、可深井安装等特点是旧仪器不可比拟的。 1.5 仪器与钻孔岩石的耦合 钻孔应变仪安装在岩石钻孔中, 用以直接测量地壳应力场的动态变化
18、, 为此要注意以下 4 个重要问题: 1 地应力观测站应选择建在重要的活动构造部位 ; 2 注意选择完整和连续的厚层岩石安装仪器 , 在可能的条件下 , 在深井安装进行观测 , 所获数据的代表性会更好一些 ; 3 探头要使用特种水泥,与岩孔可靠耦合成一个整体, 以保证地壳的变形能够可靠地传递到测量探头上; 4 钻孔施工结束后 , 应开展必要的地球物理测井 , 如: 井温梯度测量、岩石裂隙测量和井下电视测量等, 以了解钻井的地质及水文性状, 选择适合安装地应力测量仪器的目标井段。 江油地应力观测站的钻孔完成后, 井口有往外涌水的现象, 涌水速度大约为 400500 mL/min, 说明该钻井有地
19、下水流动。为查出钻井地下水流动段, 我们对钻井做了温度梯度测量。图 4 是江油钻井温度梯度测井曲线图 4 中纵坐标测量电压值每变化 1 V 对应温度变化 2。当钻井某段有地下水流出时, 必然要改变井温的温度梯度。从图 4 可见, 35 m 处温度梯度有一个突变, 井下 1035 m 之间水温变化不大, 曲线平滑, 可判断井下 35 m 左右深处有地下黑点表示标定测量结果, 直线表示线性拟合结果, 方框中为拟合函数及误差。根据线应变的定义, 对于直径 102 mm的弹性钢筒, 传感器极板间的相对位移变化 1 m 时, 对应的线应变约为 9.810-6图 3 传感器位移标定曲线 Fig. 3 Se
20、nsor calibration curve 表 1 RZB系列分量式钻孔应变仪主要性能比较 Table 1 Performance comparison of RZB seriesmulti-component borehole 性能 RZB-1 型3 RZB-3A 型 工作原理 钻孔径向位移 钻孔径向位移 测量分量 4 4 传感器原理 电容传感器 电容传感器 精度应变 1.510?10 优于 10?9 传感器信号模式 模拟信号 数字信号 一次性调节量程 10?6 应变 410?4 应变 远程调节 不能 能 投入观测时间 1981 年 2008 年 北京大学学报 自然科学版 4水流出。为防止
21、流动地下水干扰应变测量, 应该将观测探头尽量安装在接近钻井底部, 而且从井底一直到约 30 m 处要用水泥砂浆固井封闭。探头安装 完毕, 我们将井底至井下 24 m 处全部用特制水泥砂浇铸后, 钻井中涌水现象消失, 井水水位稳定。 由于 RZB 型电容式四分量钻孔应变仪具有前述的优异性能, 加上中国地震局地壳应力研究所深井观测技术研究组独特的下井安装工艺, 使得该测量系统具备极强的野外地质环境适应能力, 既可以在数十米深的浅孔中固结, 也可以在数百米深的深井下安装工作, 确保选择到最佳的测量井段, 使地应力动态观测结果具有更好的代表性。 2 江油地应力监测站观测数据的初步分析 2.1 数据的基
22、本特点 江油台安装的是比较简单的 RZB-3A 型分量式钻孔应变仪, 测量探头包括 4 个水平应变测量单元、1 个系统参考元件以及电子罗盘。系统参考元件和水平应变传感器具有相同的结构, 但是它不与井下探头的弹性钢筒接触, 所以不受地应力变化的影响, 其输出可以反映系统的长期稳定性与所受的各种电气干扰。4 个水平应变测量元件的测量方位如图 5所示。图 6 给出 2009 年 12 月到 2010 年 4 月的水平应变原始数据, 为应变。从图 6 看出, 在系统安图 4 钻孔温度梯度曲线 Fig. 4 Temperature gradient graph of the borehole at Ji
23、angyou station图 5 水平应变测量元件方位 Fig. 5 Orientation of strain measuring sensors 表 2 开展深井综合观测的主要国家及其代表仪器性能比较9 Table 2 Performance comparison of the main observation instrument in deep borehole9 国家 机构 代表仪器 综合测项 精度集成方式 启用时间 美国 澳大利亚 PBO 计划 华盛顿卡耐基研究所 昆士兰先进技术中心 井下综合观测 应变3 倾斜2 地震3 地温1 10?10 钻孔内集成 2002 年 日本 东浓地
24、震科学研究所 名古屋大学环境研究所 东京大学地震研究所 地壳活动综合观测装置 应变6 倾斜2 地温1 地震3 地磁 10?9 探头内集成 2001 年 中国 地壳应力研究所 地壳形变宽屏带综合观测系统 应变6 倾斜2 地温1 地震3 电子罗盘 10?10 探头内集成 2008 年 说明: 钻孔内集成, 是在一个钻孔内分别安装多个测量探头, 以实现综合观测; 探头内集成, 是在一个井下观测探头内实现多项观测, 该方案比较可靠且便于安装。括号内数字表示分量个数。李涛等 : RZB 型钻孔应变仪在青藏高原东缘地应力监测中的应用 5装初期, 耦合水泥处于逐渐固结阶段, 探头受到明显的挤压作用, 总的变
25、化接近 10?4 应变。观测系统完整、连续地记录了耦合水泥固结的全过程, 表明该观测系统有很大的一次性调节量程。图 7 是系统参考元件 1 Hz 的采样数据原始记录, 表明观测系统分辨率优于 10?9 应变量级。测量探头安装到井底后, 环境温度有较大的改变, 整个系统机械结构要经历一个调整过程。参考元件的输出会从较大的变化速率逐渐衰减, 一般需要 612 个月达到稳定状态。元件初期的漂移变化从图 8 可以看到。 2.2 潮汐分析 截取江油地应力观测站 RZB-3A 型分量式钻孔应变仪 2010 年 1 月的小时值数据进行固体潮汐调和分析, 并给出 2010 年 1 月图 8a和 6 月图 8b
26、的部分原始数据。线应变和组合应变固体潮汐调和分 析 M2 波结果见表 3 和 4。计算方法参见文献14。图 6 江油地应力观测站四分量应变记录曲线 Fig. 6 4-component strain data plots for the crustal stress station of Jiangyou in Sichuan图 8 江油地应力观测站应变固体潮汐记录曲线示例 Fig. 8 Borehole strain tides recorded at Jiangyou station 表 3 江油地应力观测站线应变 Venedikov调和分析 M2 波结果2010年 1月 Table 3
27、M2 results of Venedikov harmonic analysis of line strain from Jiangyou station Jan. 2010 通道 方向/ 潮汐因子 误差 相对 误差 相位滞后 / 1 328 0.2209 0.0009 0.0041 ?6.7224 2 13 0.2249 0.0008 0.0036 10.4946 3 58 0.0919 0.0014 0.0154 40.4557 4 103 0.3635 0.0030 0.0082 28.4460表 4 江油地应力观测站面应变 Venedikov调和分析 M2 波结果2010年 1月 T
28、able 4 M2 results of Venedikov harmonic analysis of area strain from Jiangyou station Jan. 2010 通道 面应变 潮汐因子 误差 相对误差 相位滞后/1 和 3 0.1736 0.0008 0.0048 10.4949 2 和 4 0.2443 0.0011 0.0046 10.9742图 7 江油地应力观测站四分量应变仪参考元件输出曲线 Fig. 7 Observed data with the reference components of 4-components borehole strainm
29、eter in Jiangyou i北京大学学报 自然科学版 6从表 3 和 4 的固体潮汐调和分析 M2 波分析结果来看, 相对误差大多1%, 有着较高的观测精度。特别是面应变的调和分析结果显示两组计算结果不但相对误差小, 而且相位滞后也比较小, 从一个方面说明了该四分量钻孔应变仪对面应变观测的精度较高。但是潮汐因子比较小, 相位滞后也稍大, 这 可能与整个测量系统还在水泥固结的稳定过程中有关。从图 8 给出的固体潮汐原始曲线可以看出, 6 月份较 1 月份的固体潮汐曲线更为平滑、清晰。说明观测系统已逐步达到稳定状态。 2.3 面应变观测 根据弹性力学理论, 平面内正交的两个线应变之和即是面
30、应变。RZB-3A 型分量式钻孔应变仪 4个应变观测元件依次相间 45排列, 1#和 3#元件相互垂直, 2#和 4#元件相互垂直, 则 1#和 3#元件计算的面应变应该与 2#和 4#元件计算的面应变相等, 利用这一原理可对观测数据的质量进行检验。图 9 给出 2010 年 6 月的面应变固体潮汐曲线, 可以看出, 运用 1#和 3#, 2#和 4#元件的数据分别计算的两组面应变结果相似度很高, 说明该系统 4 个分量观测数据的质量高。表 5 给出 2010 年 5 个月连续记录的两组面应变曲线的 Pearson 相关性系数, 其中 5 月份因电源故障一段时间缺数 , 故未给出相关计算结果。
31、从 2010 年上半年 5 个月中, 两组面应变数据长期保持高度的一致性, 进一步表明了 RZB-3A 型分量式钻孔应变仪四分量观测数据的质量高, 面应变的观测结果比较可靠, 这对于研究该地区构造应力场的活动提供了很好的基础。 2.4 应变地震波观测 RZB-3A 型分量式钻孔应变仪应变传感器是通过测量钻孔孔径变化引起电容极板间的相对位移来观测地壳应变变化的, 具有很宽的频响特性, 观测系统除了能够记录清晰的应变固体潮汐信号外, 还可以记录到应变地震波。图 10 给出江油地应力观测站 RZB-3A 型分量式钻孔应变仪记录的发生在四川遂宁市与潼南县交界处 5.1 级地震的应变地震波波形震中位置:
32、 30.3N,105.7E, 发震时刻: 2010-01-31 05:36。RZB 型系统采用电容式位移传感器及其井下水泥固结安装方式, 使得该仪器具有较宽的频带, 给开展宽频带应变地震波观测奠定了很好的基础。 3 结论 随着电子技术的不断革新, RZB 型分量式钻孔应变仪已经由只进行四分量水平应变测量, 发展到可进行深井多分量宽频带综合观测。从本文的初步分析可知, RZB-3A 型分量式钻孔应变仪在青藏高图 9 两组面应变固体潮汐曲线比较 Fig. 9 Comparison chart between two groups of area-strain tide 表 5 江油地应力观测站两组
33、面应变相关系数 Table 5 Correlation coefficient between two groups of area-strain data recorded at Jiangyou station 时间 两组面应变相关系数 2010 年 1 月 0.9997 2010 年 2 月 0.9999 2010 年 3 月 0.9998 2010 年 4 月 0.9980 2010 年 6 月 0.9998 图 10 江油地应力观测站记录到的四川遂宁市与潼南县交界处 5.1级地震的 4个水平方向的地震应变波 Fig. 10 4-component horizontal seismic
34、 strain wave plots of the Ms 5.1 earthquake happened at the border of Suining in Suchuan and Tongnan in Chongqing, recorded at Jiangyou station 李涛等 : RZB 型钻孔应变仪在青藏高原东缘地应力监测中的应用 7原东缘的第一个地应力连续观测站安装是成功的。系统参考元件的数据表明 , 观测系统分辨率优于10?9 应变量级, 不仅记录到清晰的固体潮汐, 还记录到应变地震波, 体现了 RZB 型分量式钻孔应变仪的宽频带特性。特别是, 由于四分量钻孔应变观测的
35、优越性, 已经获得的数据表明, 该观测系统对台站邻区地壳水平应变场的面应变测量精度较高。因此, 将新型分量式钻孔应变仪应用于青藏高原东缘地应力连续观测, 对于了解该区域应力场的时空变化规律, 揭示该区域应力场活动与地震的关系有重要意义。 致谢 华中科技大学蒋骏教授在应变固体潮汐分析方面给予了很大帮助, 谨致谢意。 参考文献 1 蒋靖祥 , 尹光华 , 哈斯高娃钻孔应变仪在地震前的记录及地震预测. 地震研究, 2000, 234: 410?417 2 蒋靖祥 , 尹光华 , 王在华 , 等新疆分量式钻孔应变阶变异常的统计特征及其在地震预测中的应用研究. 岩石力学与工程学报, 2004, 2323
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