上海深井項(xiàng)目形變觀測(cè)資料分析

趙文舟 溫燕林 陳 婧

上海市地震局，上海 200062

引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，地震測(cè)技術(shù)呈現(xiàn)出由平臺(tái)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)向大規(guī)模的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，即由單一方法向?qū)掝l帶綜合觀測(cè)發(fā)展，由地表觀測(cè)向空間與井下觀測(cè)發(fā)展，由陸地觀測(cè)向海洋觀測(cè)發(fā)展[1]。綜合深井觀測(cè)項(xiàng)目集成的儀器包括應(yīng)變儀、傾斜儀、地震計(jì)、空隙壓、地磁儀、地溫儀、水溫儀。地殼形變觀測(cè)的目的是為了測(cè)定地殼表面點(diǎn)位之間的相對(duì)位置或重力場(chǎng)的變化，以獲取地殼形變的幾何和物理信息，其觀測(cè)量為位移、應(yīng)變和重力的相對(duì)變化值，反映地殼形變的幾個(gè)方面：潮汐形變、構(gòu)造形變、荷載形變以及突發(fā)性形變。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)儀器探頭一般安裝于鉆孔下數(shù)十米的基巖中（或土層中），通過(guò)對(duì)地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)依時(shí)間連續(xù)變化的精細(xì)觀測(cè)，是發(fā)現(xiàn)和掌握地震應(yīng)變前兆的（長(zhǎng)）中短臨以及震后調(diào)整的時(shí)空分布發(fā)展變化規(guī)律，構(gòu)成重要的地震前兆觀測(cè)手段，為地震學(xué)研究、防震減災(zāi)工程提供基礎(chǔ)性背景資料[2]。

1 臺(tái)站基本情況

2011年上海市地震局建成了兩個(gè)綜合深井地震觀測(cè)站，分別為崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)和浦東張江臺(tái)。崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)位于崇明島中部，浦東張江臺(tái)位于張江高科技園區(qū)內(nèi)。

崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)位于上海市崇明島中部，地理位置為東經(jīng)121.53°，北緯31.66°，臺(tái)站臺(tái)基巖性為燕山晚期花崗巖，臺(tái)址周?chē)鷺?gòu)造較為穩(wěn)定。崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)綜合深井觀測(cè)井井深463.6m°。浦東張江臺(tái)位于上海市張江高科技園區(qū)內(nèi)，地理位置為東經(jīng)121.6°，北緯31.18°，浦東張江綜合深井觀測(cè)井井深407m。

2 水泥固化與應(yīng)變儀曲線變化情況

浦東張江臺(tái)四分量應(yīng)變儀安裝于井下405米處，崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)四分量應(yīng)變儀安裝于井下460米，詳細(xì)的地下情況請(qǐng)參看表1。由于要防止坍塌，均采取了鋼管護(hù)壁的辦法，儀器下井安放后利用膨脹水泥進(jìn)行固化。此次固化工作使用的是標(biāo)號(hào)為425#的水泥，理論上該標(biāo)號(hào)的膨脹水泥初凝時(shí)間在1h左右，終凝時(shí)間在25h小時(shí)左右，但是曲線中顯示膨脹水泥的終凝時(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該理論時(shí)間。影響水泥硬化的因素很多，除了礦物本身的結(jié)構(gòu)，還與外界條件如溫度、加水量有密切的關(guān)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(tài)),按照稠度達(dá)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(yīng)變儀曲線變化情況

浦東張江臺(tái)四分量應(yīng)變儀安裝于井下405米處，巖性以中風(fēng)化粉砂巖為主，崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)四分量應(yīng)變儀安裝于井下460米，巖性以微風(fēng)化花崗巖為主。由于要防止坍塌，均采取了鋼管護(hù)壁的辦法，儀器下井安放后利用膨脹水泥進(jìn)行固化。此次固化工作使用的是標(biāo)號(hào)為425#的水泥，理論上該標(biāo)號(hào)的膨脹水泥初凝時(shí)間在1h左右，終凝時(shí)間在25h小時(shí)左右，但是曲線中顯示膨脹水泥的終凝時(shí)間卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該理論時(shí)間。影響水泥硬化的因素很多，除了礦物本身的結(jié)構(gòu)，還與外界條件如溫度、加水量有密切的關(guān)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(tài)),按照稠度達(dá)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(tái)

圖1 2011年10月18日～2011年10月26日浦東張江臺(tái)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(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)曲線Fig 2 curve of Chongming Changjiang Farm station from October 18,2011 to October26,2011

浦東張江臺(tái)四分量應(yīng)變儀北西分量及北南分量自10月18日開(kāi)始出現(xiàn)急速下降，同時(shí)曲線斜率減小，直至10月26日17時(shí)左右由于儀器校測(cè)調(diào)整，出現(xiàn)臺(tái)階；四分量應(yīng)變儀東西分量及北東分量自10月18日開(kāi)始出現(xiàn)急速上升，同時(shí)曲線斜率逐漸減小，直至10月26日17時(shí)后出現(xiàn)臺(tái)階。對(duì)于此次應(yīng)變儀出現(xiàn)臺(tái)階的情況，我們之前認(rèn)為是儀器故障或膨脹水泥能力突出釋放所引起的，但是經(jīng)過(guò)調(diào)閱浦東張江臺(tái)綜合深井觀測(cè)組所有儀器，發(fā)現(xiàn)10月26日當(dāng)天17時(shí)以后均出現(xiàn)臺(tái)階，所以我們認(rèn)為本次臺(tái)階是由于儀器調(diào)整造成的，消除這些階躍后整個(gè)曲線基本處于正常水平。

從上述圖形中可以發(fā)現(xiàn)北西、北南受到的應(yīng)力降低，說(shuō)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(yīng)力增加，說(shuō)明東西和北東方向受到擠壓作用力的影響，對(duì)此可以認(rèn)為此次應(yīng)變儀四分量的急速變化，是由于膨脹水泥在硬化過(guò)程中體積出現(xiàn)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(shuō)明水泥在在固化過(guò)程中膨脹中出現(xiàn)了非均勻膨脹過(guò)程。這個(gè)過(guò)程在10月27日儀器調(diào)整后消失，體應(yīng)變的變化過(guò)程趨于一致。

3.2 崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)

崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)四分量應(yīng)變儀從2011年10月27日起正式產(chǎn)出觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)曲線已經(jīng)能顯現(xiàn)出固體潮的趨勢(shì)，同時(shí)數(shù)據(jù)曲線并未顯現(xiàn)出大幅的應(yīng)力應(yīng)變變化，這是因?yàn)槌缑鏖L(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)在數(shù)據(jù)產(chǎn)出之前井下的水泥膨脹過(guò)程已經(jīng)完成并持續(xù)了一段時(shí)間，因此數(shù)據(jù)產(chǎn)出時(shí)已經(jīng)能夠在一定程度上反應(yīng)崇明地區(qū)的應(yīng)力變化過(guò)程。

4 水泥固化穩(wěn)定后四分量應(yīng)變儀耦合情況分析

根據(jù)邱澤華等人[3][4]的研究，任意選擇一個(gè)元件的孔徑相對(duì)變化測(cè)值，記為s1，一次順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，有元件測(cè)值s2、s3和s4。當(dāng)探頭與圍巖的耦合處于理想狀況時(shí)，應(yīng)該有

但是這四組測(cè)值往往并不完全符合這個(gè)關(guān)系，而是有一定的誤差。這個(gè)誤差可能反映了探頭與圍巖的耦合狀況。死分量鉆孔應(yīng)變儀以45°為間隔在4個(gè)方向上安裝元件，構(gòu)成兩組互相正交的孔徑相對(duì)變化觀測(cè)，就是為了根據(jù)式（1）檢驗(yàn)檢驗(yàn)它們是否相等。這種“自檢”對(duì)于說(shuō)明探頭與圍巖的耦合狀況具有關(guān)鍵的作用。

實(shí)際上我們可以進(jìn)一步根據(jù)一定的假設(shè)來(lái)對(duì)元件測(cè)值進(jìn)行校正。令Si=kisi（i=1,2,3,4），假設(shè)

將大量實(shí)際測(cè)值帶入式（2），給定任意一個(gè)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(duì)這4組值取ki的平均值作為最終的反演結(jié)果。這樣的ki都是在1附近取值。特別當(dāng)耦合處于理想狀況時(shí)，所有ki都等于1。我們稱(chēng)對(duì)ki的反演為實(shí)地相對(duì)標(biāo)定，稱(chēng)ki為相對(duì)校正系數(shù)。

表1 四分量鉆孔應(yīng)變儀相對(duì)校正系數(shù)Table 1 Relative calibration factors of four-component borehole strain observation

現(xiàn)利用上海深井觀測(cè)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)校正系數(shù)的計(jì)算，可以得出兩個(gè)深井觀測(cè)站四分量鉆孔應(yīng)變儀的相對(duì)校正系數(shù)。上海深井觀測(cè)校正數(shù)據(jù)有四分量應(yīng)變儀、二分量鉆孔傾斜儀、地磁儀，據(jù)負(fù)責(zé)此項(xiàng)目的人介紹，校正數(shù)據(jù)主要是對(duì)存在方向分量的數(shù)據(jù)進(jìn)行方向校正，進(jìn)而使得數(shù)據(jù)更為精確。

對(duì)于四分量鉆孔應(yīng)變儀，可以利用其特有的自檢功能對(duì)資料的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。利用校正數(shù)據(jù)計(jì)算出的結(jié)果表明，上海深井觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的四分量應(yīng)變儀耦合情況良好，可以提供有價(jià)值的應(yīng)變變化觀測(cè)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)與討論

（1）通過(guò)分析浦東張江臺(tái)綜合深井觀測(cè)及崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)綜合深井觀測(cè)的四分量鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)，認(rèn)為上述兩個(gè)臺(tái)站的四分量鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)能夠運(yùn)用于日常分析預(yù)報(bào)任務(wù)中，并且能夠較好的體現(xiàn)地下應(yīng)力應(yīng)變變化情況。

（2）浦東張江臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀2011年10月18日～26日的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映膨脹水泥固化的過(guò)程，能夠?yàn)榻窈蟮木C合深井水泥固化提供一定的參考依據(jù)；由于對(duì)崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行過(guò)調(diào)整，崇明長(zhǎng)江臺(tái)水泥固化過(guò)程缺失，對(duì)今后類(lèi)似地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的水泥固化過(guò)程的認(rèn)識(shí)存在一定的影響，但是整體觀測(cè)曲線正常，固體潮正常，該次調(diào)整對(duì)于崇明長(zhǎng)江農(nóng)場(chǎng)臺(tái)并無(wú)影響。

（3）綜合深井四分量應(yīng)變儀觀測(cè)是能夠顯著減弱地表、人類(lèi)活動(dòng)等干擾所帶來(lái)的影響，切實(shí)反映深部地下巖層應(yīng)力應(yīng)變的變化情況。

[1]歐陽(yáng)祖熙，張鈞，陳征,等.地殼形變深井綜合觀測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展.國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2009，11(371)：1-13

[2]李海亮，李宏.鉆孔應(yīng)變觀測(cè)現(xiàn)狀與展望.地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，84(6)：895-900

[3]邱澤華，闞寶祥，唐磊.四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)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(yīng)變臺(tái)網(wǎng)汶川地震前的觀測(cè)應(yīng)變變化.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，29(1)：1-5

[5]劉琦，張晶，池順良.四分量鉆孔應(yīng)變資料的質(zhì)量評(píng)價(jià)及擬合分析.地震，2011，31(2)：87-96