中国分量钻孔地应力-应变观测发展重要事件回顾＊

邱泽华

(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

中国分量钻孔地应力-应变观测发展重要事件回顾＊

邱泽华

(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)

中国的钻孔应力相对观测是在李四光的倡导下开始的,目的是探索地震预报的途径。早期的钻孔应力观测(电感法)试图直接观测应力变化,在与弹性力学理论的结合上存在矛盾,即理论上需要观测的是位移,实际上用的压磁传感器是观测力的。1977年,在理论和实践方面发生的变革,为后来四分量应变观测的进一步发展奠定了基础。在人们努力协调传感器与观测原理的矛盾的过程中,应力仪和应变仪的概念发生了混淆。地应力不能测量的观点是没有根据的。

钻孔应变观测;电感法地应力观测;四分量钻孔应变观测;自检;芜湖会议

1 引言

中国的钻孔地应力-应变观测发展到现在,正面临关键的机遇。对一些破坏性地震(包括1976年唐山地震[1],1985年乌恰地震[2]和 2008年汶川地震[3,4])前异常的比较研究,使人们对地震的应力-应变前兆的认识有了重要的进步,从而对用这种观测开展地震预报的前景有了新的期待。在这种形势下,重新回顾钻孔应力-应变的发展历程,梳理其中的科学思路,对今后的发展是一种重要的准备。

对地应力的测量或观测分为两种：一种是对地应力的测量,整体考察地应力,称为绝对地应力测量;另一种是对地应力随时间变化的观测,关心的是应力的变化量,称为相对应力观测。

现在还没有一种方法可以同时比较准确地测量地应力和观测地应力变化。一方面,对地应力的测量,例如一般使用的套芯解除、水压致裂、孔壁崩落等方法,误差通常都太大,在此噪声水平上不可能观测到以日、小时、甚至分钟为间隔的地应力的真实变化;另一方面,针对地应力变化的钻孔观测又不能说明整体的应力状态。

这里我们只讨论对分量地应力-应变变化的观测,限于中国的分量钻孔应力-应变观测的历史,重点是基本的科学思路。

2 中国最早将钻孔应力观测用于地震预报

1962年 3月 19日,广东新丰江水库的东江附近发生M6.1地震 (又称河源地震),在坝区附近出现了一些长达数十米的地裂缝。这是当时全世界记录到的最大的水库诱发地震,引起了地质部部长李四光的注意,他开始考虑对地震进行预报的问题。李四光认为,地应力如何变化是“根本性的问题”。1968年在与尧山地应力站观测人员谈话时李四光说：“从 1962年东江地震发生以后,就有这个想法。地应力应该是存在的,而且地应力变化到一定程度才产生地震。…我们解决地震预报问题,关键在于观测地应力的变化。…我们最先用的方法是形变电阻率法,…后来发现坡莫合金对压力反应灵敏度高,于是就采用了电感法。”[5]

实际上,瑞典人 Hast[6]早已经开始在采矿行业中用电感传感器搞 (绝对)应力测量。李四光看到了 Hast写的有关地应力测量的文章,才决定用压磁(电感)传感器来观测地应力变化。据李方全回忆,当时国内没有制作压磁传感器的坡莫合金(铁镍合金),但是炼钢厂专门为此用小炉按照要求炼制了一炉。

1963年,李方全等人开始在室内研制,1964年开始在广东新丰江和湖北大冶进行野外实验。邢台地震后,1966年 3月,正式用电感元件在钻孔中观测地应力变化进行地震预报研究[7]。第一个地应力观测站就是隆尧的尧山站。当时实际从事这种仪器研制和观测的单位有地质力学所和新组建的地震地质大队。

在尧山站使用的电感法钻孔应力仪,已经有 3个元件(传感器),对 3个方向进行连续 (相对)观测。不能否认,这种观测当时并不成熟,甚至在设计原理上有缺陷,“邢台地震后要求很急,匆忙上马。”[8]但是,将对应力变化的观测用于地震预报,确实是世界首创。

美国人 Sacks和 Evertson 1968年 8月才在华盛顿 Carnegie研究所安装了第一套没有方向信息的钻孔体应变仪[9,10]。后来又有坂田正治[11]、Gladwin[12]以及石井紘[13,14]研制了其他种类的钻孔应力-应变仪。

3 传感器与观测原理的矛盾

地应力观测,人们(包括 Hast)早期的想法比较简单,以为只要将压磁传感器 (观测元件)沿某个方向放在地下钻孔中,然后观测其电感值 (实际观测的一般是电压值)的变化就行了。根据压磁效应,当应力变化时,元件电感值跟着变化,这在实验室中已经实现。在实际观测中,人们直接将观测值当作应力值用于主应力和主方向的换算(至今仍然有人会这样做)。这种想法与实际情况是有偏离的,它没有考虑到安装传感器的钻孔会造成局部的应力场变化(应力集中)。

应力观测仪器研制出来投入使用以后,从事理论分析的研究人员就用弹性力学的圆孔问题的解(图 1)来作为地应力观测的基础。这个解早在1898年就有了[15]。虽然推导起来有点麻烦,但结果相当简单：

其中 a是圆孔半径,E是周围岩石的杨氏模量,u是圆孔半径的改变量,σ1、σ2、φ和θ分别表示最大、最小主应力、主方向和 u的方位角。

图1 空孔应力观测示意图Fig.1 Sketch of strain observation in an empty borehole

利用应力-应变关系,改写成 u与主应变ε1、ε2、φ的关系:

其中ε1、ε2和 v分别表示最大、最小主应变和泊松比。

对比一下,应变公式为

由此可见式(2)与式 (3)的不同。这就是圆孔应力集中的效果。特别需要强调的是,用 u/a来代替εθ是不对的。

当时的仪器,观测元件直接接触钻孔的孔壁。对于这种观测方法而言,这个公式是正确的。根据公式(1)可知,由圆孔半径改变量的观测值可以换算得到应力变化。因为平面应力只有 3个独立分量,所以只要测量 3个方向的圆孔半径改变量,就可以确定整个平面应力的变化。

但是,这里出现了一个矛盾:仪器的压磁传感器是用于观测压力变化的,而理论的要求是观测位移的变化。

4 1977年芜湖会议

电感法地应力观测一度全国盛行,最多时建立了一百多个台站。但是,在后来的实践中遇到大量的问题,其中包括标定、干扰、接触、密封等。具体表现就是观测的物理量无法验证,多种变化的原因说不清楚,仪器故障频发。

于是,其他类型的钻孔应力观测方法应运而生。

1977年,当时的国家地震局组织有关单位,在安徽省芜湖市召开了全国地应力专业会议。这是一次重要的会议。当时,正值唐山地震发生后不久,地震预报再次受到重视。芜湖会议既对以往地应力测量和观测进行了全面总结,又推出了新一代的钻孔应力观测仪器。

回顾历史,芜湖会议的重要意义是多方面的,其中对后来的分量钻孔应变观测影响比较大的事件是:

1)潘立宙对钻孔地应力观测原理进行了全面阐述,明确了这种观测的理论基础[16];

3)欧阳祖熙研制出使用电容传感器的四分量钻孔应力观测仪器[18];

4)池顺良研制出使用电容传感器的差应力仪[19]分辨力达 10-9。

在芜湖会议上,大家讨论了消除各种干扰的方法,还提到固体潮,这些都为后来钻孔应力观测的发展指引了方向。

5 从钻孔地应力观测到钻孔地应变观测

1978年在长沙召开的地震观测仪器工作会议(地震前兆观测技术部分),正式确认未来的地应力-应变观测“应以首先能够明显观测到地球固体潮为发展目标。”[20]

之后,钻孔应力观测逐渐消亡,灵敏度不够高的电感法应力观测台站减少到屈指可数。取而代之的是现在的所谓钻孔应变观测,包括钻孔体应变观测和钻孔分量应变观测。

实际上,从原理上讲,现在的所谓钻孔分量应变仪,才是真正的钻孔应力仪。

追根溯源,从钻孔应力观测到钻孔应变观测的变更,就起源于将压磁传感器用于钻孔应力观测,并且将这种方法奉为正统。根据前面的讨论,我们已经知道,要在钻孔中进行应力观测,就要观测孔径的变化,而不是孔壁对元件压力的变化。也就是说,用压磁传感器进行这种观测是一个相对而言缺乏理论根据的选择。

人们要观测应力变化,压磁传感器可以观测压力变化。二者的直观联系,使人们难以割舍对电感法地应力测量的先入为主的偏爱。于是,一些研究人员努力尝试在电感法应力观测与弹性力学的圆孔问题的解之间建立联系[21]。途径是将压力 (或电感)观测值又“折算”为位移值。实际上,这种努力非但没有达到预期目的,反而最终将钻孔应力观测引入了歧途。

研究人员假设,当有传感器 (元件)存在时,在应力作用下,孔径不能自由变化,而是变为两部分变形:其一是元件长度的变化,其二是受元件端部压迫的孔壁的局部变形。这本来没有问题。

人们在讨论两部分变形的相对大小时,提出了如何将元件划分为应力计与应变计的问题。结果,对于元件刚度远大于孔壁刚度的情况,元件长度变化可以忽略,就称之为应力计;而当孔壁刚度相对很大,其局部变形可以忽略时,就称元件为应变计[22]。这种划分本来没有什么重要的实际意义。无论元件称为什么,其观测地应力的原理是一样的,都遵从公式(1),都是应力仪。

但是,人们由此把仪器的传感器 (元件)和仪器本身混为了一谈,以为传感器是应力计,仪器就是应力仪;传感器是应变计,仪器就是应变仪。由此生发了这样一种错觉:电感法应力观测之所以称为应力观测,是因为其元件刚度大,而后来使用电容传感器的仪器,元件刚度小,才称为应变仪。

后果是,当电感法地应力观测被抛弃时,“地应力观测”这个名词也被抛弃了。

再后来,对孔径变化的直接测量变为在套筒中的测量,用特殊水泥将套筒与围岩耦合起来(图 2)。可以证明用钻孔法观测地应力的一般公式为

其中 A和 B是两个待定参数[23,24]。利用应力-应变关系,可以将它改写为观测地应变的公式

图2 钻孔应力观测的双环模型Fig.2 Two-ringmodel of borehole strain observation

一般地,要从观测值换算出应力值,必须确定参数A和B。目前还没有办法用已知的应力变化来确定这两个参数。与此不同的是,因为理论应变固体潮是能计算得到的,所以能由此确定 A′和 B′[25-27]。这样,由观测值换算应变值成为更现实的选择。因此,把这种仪器称为应变仪终于又变得有理了。

6 关于钻孔应力观测的一些讨论

如前所述,用压磁传感器进行钻孔应力观测是一种缺乏理论依据的选择。还在电感法地应力观测相当兴旺的时期,就有一些研究人员对这种观测的理论基础提出过异议。这些研究人员从 Leeman[28]那里借用了一句话：应力不能直接测量,实际上它是假想的量。

电感法地应力观测后来被抛弃,并且由于错误的分类命名,地应力观测的概念一起被抛弃,Leeman的话被误用,起了釜底抽薪的作用。一些人从此误以为地应力根本是不能观测的,并且至今仍然持有这种看法。

其实,Leeman说得很清楚：地应力不能直接观测。这里重要的是“直接”这个词。应力并非不能观测,而是不能“直接”观测。张超[21]对此进行过论述：就像温度等物理量不能直接观测但是能间接观测,地应力也是能间接观测的。实际上 Leeman说这句话的文章,就是专门讨论地应力测量和观测方法的。

电感法地应力观测的出发点,就是试图对地应力进行直接观测。

Leeman所谓应力是“假想的量”,说法未必很恰当。重要的是,我们完全可以自己判断应力是否能观测,而不必纠缠在他的这个说法上。我们通过测弹簧的长度变化测力,通过测钻孔形状的变化测应力,道理完全类似。

显然,对于现在的所谓钻孔应变观测而言,只要知道钻孔中观测探头所在深度岩石的杨氏模量和泊松比,就能很容易地再从观测应变换算出应力。岩石的杨氏模量和泊松比可以在钻孔时取样,然后测量得到。那样,我们仍然可以称现在的钻孔分量应变仪为钻孔应力仪。

7 结语

近年来,国外钻孔应变观测发展迅速。例如,他们在一个钻孔中进行多种观测 (应变、倾斜、测震等)的技术,是我们需要迎头赶上的。又如,他们的钻孔观测深度已经在海底达到千米以下,也是我们望尘莫及的。还有,他们的仪器研制已经有完备的实验基地,更是我们梦寐以求的。但是,我们的钻孔应变观测也有亮点。这就是我们的四分量钻孔应变观测。这种设计堪称巧妙,正在引领潮流。

近年来,受到美国“板块观测计划”(PBO)的激励,中国的钻孔应变观测重振旗鼓。“十五”期间,在全国范围安装了 40套 YRY型四分量钻孔应变仪。经过两年的运行,大部分观测点工作稳定,在自检方面取得突破性的进步,S1+S3与 S2+S4的相关系数甚至超过 0.99,基本达到理想要求。

钻孔地应变 (应力)仪观测的是平面应力状态的变化。根据弹性力学,平面应力状态可用 3个互相独立的量完全描述。也就是说,用三分量应变仪进行观测就能完全说明实际地应变变化。四分量钻孔应变仪多一个分量,可以自行检验观测的正确性[29]。

钻孔应变观测要将探头放置在钻孔中至少数十米以下,其环境条件与实验室不同。究竟各分量元件(传感器)在钻孔中观测灵敏度如何,目前无法进行准确的标定。这是这种观测的一个主要缺陷。四分量钻孔应变仪的自检功能,为了解各元件的工作状态提供了可靠手段。这就是这种设计的重要性所在。当自检结果良好时,说明井下所有元件的灵敏度与实验室结果基本一致。这虽然不能说明元件灵敏度的大小,但是已经可以说明观测数据的性质是应力(应变),而不是其他什么东西。

中国“十五”期间安装的大量 YRY型钻孔应变仪的自检结果良好,使我们的数据分析有了坚实的基础。我们发现的汶川地震前的异常变化,也因此显得非常可靠[3-4]。

地震学界公认地应力变化是地震发生的原因。这说明了观测地应力变化有多么重要,也说明了对这种观测的自检有多么重要。

致谢 感谢李方全研究员、苏恺之研究员和欧阳祖熙研究员的帮助!

1 Qiu Z H,et al.On the cause of ground stress tensile pulses observed before the 1976 Tangshan earthquake[J],Bull. Seis m.Soc.Am.,1998,88,989-994.

2 李茂玮.乌恰 7.4级地震的土层应力前兆[J].内陆地震, 1987,1(1)：77-83.(LiMouwei.Soil stress precursors of the Wuqia M7.4 earthquake[J]. Inland Earthquakes, 1987,1(1)：77-83)

3 邱泽华,周龙寿,池顺良.用超限率分析法研究汶川地震的前兆应变变化 [J].大地测量与地球动力学,2009, (4)：1-4,9.(Qiu Zhehua,Tang Lei and Zhou Longshou. Observed strain changes from 4-component borehole strainmeter net work before 2008 Wenchuan earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(4)：1-4,9)

4 邱泽华,张宝红,池顺良.汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化[J].中国科学：地球科学,2010,40(8)：1 031-1 039.(Qiu Zehua,Zhang Baohong and Chi Shunliang.Abnor mal strain changesobserved at Guza before theWenchuan earthquake[J].Science in China,2010,,40(8)：1 031-1 039.doi：10.1007/s11430-010-0049-4.)

5 国家地震局地震地质大队编.有关地应力测量仪器试制等问题的谈话(1968年 1月12日)[A].李四光同志有关地震工作谈话选辑[C].1976,23-25.(Brigade of Seis mogeology,State SeismologicalBureau.About fabricating instruments for ground stressmonitoring(on Jan,.12,1968)[A]. Selected talks ofLi Siguang on earthquake-related work[C]. 1976,23-25)

6 Hast N.The measurement of rock pressure in mines[M]. Stockhol m,1958.

7 国家地震局地震地质大队编.与中国科学院兰州地球所的几位同志谈地震预报 (1966年 10月)[A].李四光同志有关地震工作谈话选辑 [C].1976,5-6.(Brigade of Seis mo-geology,State Seismological Bureau.Talk with colleagues of Lanzhou earthquake institute about earthquake prediction(in Oct.1966)[A].Selected talks of Li Siguang on earthquake-related work[C].1976,5-6)

8 国家地震局地震地质大队编.谈地震地质大队的方向和任务(1968年 1月 8日)[A].李四光同志有关地震工作谈话选辑[C].1976,21-23.(Brigade of Seismo-geology, State Seis mologicalBureau.About direction and takes ofBrigade of Seismo-geology(on Jan.8,1968)[A].Selected talks ofLi siguang earthquake-related work[C].1976,21-23)

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10 Sacks I S,et al.Sacks-Evertson strainmeter,its installation in Japan and some preliminary results concerning strain steps[J].Pap Met Geophys.,1971,22：195-207.

11 Sakata S.On the concept of some newly-invented borehole three-component strainmeters[J](in Japanese with English abstract),Rep Nat Res CenterDisaster Pre,1981,25：95 -126.

12 GladwinM T.High precision multi-component borehole deformation monitoring[J].Rev Sci Instru.1984,55：2011 -2016.

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14 石井纮.新钻孔地壳活动综合观测装置的开发和观测[R].东浓地震科学研究所,2001.(Ishii H.Development of new multi-component borehole instrument[R].Tono Research Institute of Earthquake Science(in Japanese), 2001,6：5-10)

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17 苏恺之.地应力相对测量方法[A].全国地应力专业会议论文选编 (上)[C].1977,42-61.(Su Kaizhi.Methods of relative measurement of ground stress[A].Selected papers of the national conference on stress measurement (Part 1)[C].1977,42-61)

18 欧阳祖熙.RDB-1型电容式地应变计[A].全国地应力专业会议论文选编 (下)[C].1977,337-348.(Ouyang Zuxi.RDB-1 type electric capacity strainmeter[A].Selected papers of the national conference on stressmeasurement (Part 2)[C].1977,337-348)

19 池顺良.连续自记压容地应力仪[A].全国地应力专业会议论文选编 (下)[C].1977,369-373.(Chi S L.E-lectric capacity stressmeter of automatic continuous recording[A]. Selected papers of the national conference on stressmeasurement(Part 2)[C].1977,369-373)

20 陈鑫连,张奕麟,蔡惟鑫.地壳变动连续观测技术[M].北京：地震出版社,1989.(Chen X L,Zhang Y L and Cai W X.Techniques of continuous observation of crustal defor mation[M].Beijing：Seis mological Press,1989)

21 潘立宙.测量地应力的钻孔变形法[A].地应力测量的原理和应用[C].北京：地质出版社,1981,1-47.(Pan L Z.Some remarks on the borehole defor mation method in measuring ground stress[A].in：Principles and applications of ground stress measurements[C].Beijing：Publishing House of Geology,1981,1-47)

22 Savin GN.Stress concentration around holes[M].Pergamon Press,1961.

23 Gladwin M T and R Hart.Design parameters for borehole strain instrumentation[J].Pageoph,1985,123：59-80.

24 骆鸣津,等.用引潮力进行钻孔应变-应力的原地标定[J].地壳形变与地震,1989,(4)：8-62.(Luo Mingjin, et al.In-situ calibration of borehole strain-stress with tidal force[J].Crustal Deformation and Earthquake,1989, (4)：8-62)

25 Hart R H G,et al.Tidal calibration of borehole strainmetrics：Removing the effects of s mall-scale inhomogeneity [J].JGR,1996,101(B11)：25 553-25 571.

26 邱泽华,石耀霖,欧阳祖熙.四分量钻孔应变观测的实地绝对标定[J].地震,2005,25(3)：27-34.(Qiu Z H,Shi Y L and Ouyang Z X.Absolute in-situ calibration of 4-component borehole strain observation[J]. Earthquake, 2005,25(3)：27-34)

27 Leeman E R.The measurement of stress in rocks[J]. Journal of the South African Institute ofMining and Metallurgy,1964,65(2)：45-112.

28 邱泽华,石耀霖,欧阳祖熙.四分量钻孔应变观测的实地相对标定[J].大地测量与地球动力学,2005,(1)：118-122.(Qiu Zehua,Shi Yaolin and Ouyang Zuxi.Relative insitu calibration of 4-component borehole strainmeters[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(1)：118-122)

A REVIEW OF COM PONENT BOREHOLE OBSERVATION OF STRESS-STRA IN IN CHINA

Qiu Zehua
(Institute of Crustal Dynam ics,CEA,B eijing 100085)

The practice of continuously monitoring ground stress with the purpose to forecast earthquakes in China was initially led byLi Siguang.The early observation using piezomagnetic sensors attempted tomeasure stress directly.It had a basic disagreement in design from the viewpoint of elastic theory：piezomagnetic sensorsmeasure force but displacement.Revolution took place both in theory and practice in 1977,which had paved theway for the so-called 4-component borehole strainmeter to take over.However,mistakes have happened from ti me to time about this type of observation during the whole progress.The saying that stress can not be measured is groundless.

borehole strain observation;piezomagnetic borehole stressobservation;4-component borehole strainmeter;self-check function;Wuhu meeting

1671-5942(2010)05-0042-06

2010-04-08

质检公益性行业科研专项(10-215)

邱泽华,男,1959年生,博士,研究员,主要从事地震、钻孔应变观测研究.E-mail：qzhbh@163.com

TH762

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