上海深井项目形变观测资料分析

赵文舟 温燕林 陈 婧

上海市地震局，上海 200062

引言

进入新世纪以来，地震测技术呈现出由平台观测台网向大规模的立体监测网发展的趋势，即由单一方法向宽频带综合观测发展，由地表观测向空间与井下观测发展，由陆地观测向海洋观测发展[1]。综合深井观测项目集成的仪器包括应变仪、倾斜仪、地震计、空隙压、地磁仪、地温仪、水温仪。地壳形变观测的目的是为了测定地壳表面点位之间的相对位置或重力场的变化，以获取地壳形变的几何和物理信息，其观测量为位移、应变和重力的相对变化值，反映地壳形变的几个方面：潮汐形变、构造形变、荷载形变以及突发性形变。钻孔应变观测仪器探头一般安装于钻孔下数十米的基岩中（或土层中），通过对地层内部应变状态依时间连续变化的精细观测，是发现和掌握地震应变前兆的（长）中短临以及震后调整的时空分布发展变化规律，构成重要的地震前兆观测手段，为地震学研究、防震减灾工程提供基础性背景资料[2]。

1 台站基本情况

2011年上海市地震局建成了两个综合深井地震观测站，分别为崇明长江农场台和浦东张江台。崇明长江农场台位于崇明岛中部，浦东张江台位于张江高科技园区内。

崇明长江农场台位于上海市崇明岛中部，地理位置为东经121.53°，北纬31.66°，台站台基岩性为燕山晚期花岗岩，台址周围构造较为稳定。崇明长江农场综合深井观测井井深463.6m°。浦东张江台位于上海市张江高科技园区内，地理位置为东经121.6°，北纬31.18°，浦东张江综合深井观测井井深407m。

2 水泥固化与应变仪曲线变化情况

浦东张江台四分量应变仪安装于井下405米处，崇明长江农场台四分量应变仪安装于井下460米，详细的地下情况请参看表1。由于要防止坍塌，均采取了钢管护壁的办法，仪器下井安放后利用膨胀水泥进行固化。此次固化工作使用的是标号为425#的水泥，理论上该标号的膨胀水泥初凝时间在1h左右，终凝时间在25h小时左右，但是曲线中显示膨胀水泥的终凝时间却远远超出该理论时间。影响水泥硬化的因素很多，除了矿物本身的结构，还与外界条件如温度、加水量有密切的关系。此次深井固化所用的微膨胀水泥的密度是：1.2kg/L～1.3kg/L(松散状态),按照稠度达到不挂手的要求，微膨胀水泥与水的重量配比是：1.8～2.0:1。

3 水泥固化与应变仪曲线变化情况

浦东张江台四分量应变仪安装于井下405米处，岩性以中风化粉砂岩为主，崇明长江农场台四分量应变仪安装于井下460米，岩性以微风化花岗岩为主。由于要防止坍塌，均采取了钢管护壁的办法，仪器下井安放后利用膨胀水泥进行固化。此次固化工作使用的是标号为425#的水泥，理论上该标号的膨胀水泥初凝时间在1h左右，终凝时间在25h小时左右，但是曲线中显示膨胀水泥的终凝时间却远远超出该理论时间。影响水泥硬化的因素很多，除了矿物本身的结构，还与外界条件如温度、加水量有密切的关系。此次深井固化所用的微膨胀水泥的密度是：1.2kg/L～1.3kg/L(松散状态),按照稠度达到不挂手的要求，微膨胀水泥与水的重量配比是：1.8～2.0:1。

3.1 浦东张江台

图1 2011年10月18日～2011年10月26日浦东张江台曲线Fig 2 curve of Pudong Zhangjiang station from October 18，2011 to October26，2011

图2 2011年10月27日～10月30日崇明长江农场台曲线Fig 2 curve of Chongming Changjiang Farm station from October 18,2011 to October26,2011

浦东张江台四分量应变仪北西分量及北南分量自10月18日开始出现急速下降，同时曲线斜率减小，直至10月26日17时左右由于仪器校测调整，出现台阶；四分量应变仪东西分量及北东分量自10月18日开始出现急速上升，同时曲线斜率逐渐减小，直至10月26日17时后出现台阶。对于此次应变仪出现台阶的情况，我们之前认为是仪器故障或膨胀水泥能力突出释放所引起的，但是经过调阅浦东张江台综合深井观测组所有仪器，发现10月26日当天17时以后均出现台阶，所以我们认为本次台阶是由于仪器调整造成的，消除这些阶跃后整个曲线基本处于正常水平。

从上述图形中可以发现北西、北南受到的应力降低，说明北西和北南方向受到拉张作用力的影响；东西、北东方向受到的应力增加，说明东西和北东方向受到挤压作用力的影响，对此可以认为此次应变仪四分量的急速变化，是由于膨胀水泥在硬化过程中体积出现膨胀引起。北西、北南方向和东西、北东方向受到相反方向的作用力，说明水泥在在固化过程中膨胀中出现了非均匀膨胀过程。这个过程在10月27日仪器调整后消失，体应变的变化过程趋于一致。

3.2 崇明长江农场台

崇明长江农场台四分量应变仪从2011年10月27日起正式产出观测数据，观测曲线已经能显现出固体潮的趋势，同时数据曲线并未显现出大幅的应力应变变化，这是因为崇明长江农场台在数据产出之前井下的水泥膨胀过程已经完成并持续了一段时间，因此数据产出时已经能够在一定程度上反应崇明地区的应力变化过程。

4 水泥固化稳定后四分量应变仪耦合情况分析

根据邱泽华等人[3][4]的研究，任意选择一个元件的孔径相对变化测值，记为s1，一次顺时针转动45°，有元件测值s2、s3和s4。当探头与围岩的耦合处于理想状况时，应该有

但是这四组测值往往并不完全符合这个关系，而是有一定的误差。这个误差可能反映了探头与围岩的耦合状况。死分量钻孔应变仪以45°为间隔在4个方向上安装元件，构成两组互相正交的孔径相对变化观测，就是为了根据式（1）检验检验它们是否相等。这种“自检”对于说明探头与围岩的耦合状况具有关键的作用。

实际上我们可以进一步根据一定的假设来对元件测值进行校正。令Si=kisi（i=1,2,3,4），假设

将大量实际测值带入式（2），给定任意一个ki为1，可以反演得到其他ki。分别给定所有ki为1，可以得到4组ki（i=1,2,3,4,）。对这4组值取ki的平均值作为最终的反演结果。这样的ki都是在1附近取值。特别当耦合处于理想状况时，所有ki都等于1。我们称对ki的反演为实地相对标定，称ki为相对校正系数。

表1 四分量钻孔应变仪相对校正系数Table 1 Relative calibration factors of four-component borehole strain observation

现利用上海深井观测校正数据进行相对校正系数的计算，可以得出两个深井观测站四分量钻孔应变仪的相对校正系数。上海深井观测校正数据有四分量应变仪、二分量钻孔倾斜仪、地磁仪，据负责此项目的人介绍，校正数据主要是对存在方向分量的数据进行方向校正，进而使得数据更为精确。

对于四分量钻孔应变仪，可以利用其特有的自检功能对资料的稳定性、可靠性进行检验[5]。利用校正数据计算出的结果表明，上海深井观测台网的四分量应变仪耦合情况良好，可以提供有价值的应变变化观测数据。

5 结语与讨论

（1）通过分析浦东张江台综合深井观测及崇明长江农场综合深井观测的四分量钻孔应变仪数据，认为上述两个台站的四分量钻孔应变仪数据能够运用于日常分析预报任务中，并且能够较好的体现地下应力应变变化情况。

（2）浦东张江台四分量钻孔应变仪2011年10月18日～26日的数据能够真实的反映膨胀水泥固化的过程，能够为今后的综合深井水泥固化提供一定的参考依据；由于对崇明长江农场台四分量钻孔应变仪进行过调整，崇明长江台水泥固化过程缺失，对今后类似地质结构下的水泥固化过程的认识存在一定的影响，但是整体观测曲线正常，固体潮正常，该次调整对于崇明长江农场台并无影响。

（3）综合深井四分量应变仪观测是能够显著减弱地表、人类活动等干扰所带来的影响，切实反映深部地下岩层应力应变的变化情况。

[1]欧阳祖熙，张钧，陈征,等.地壳形变深井综合观测技术的新进展.国际地震动态，2009，11(371)：1-13

[2]李海亮，李宏.钻孔应变观测现状与展望.地质学报，2010，84(6)：895-900

[3]邱泽华，阚宝祥，唐磊.四分量钻孔应变观测资料的换算和使用.地震，2009，29(4)：83-89

[4]邱泽华，唐磊，周龙寿，等.四分量钻孔应变台网汶川地震前的观测应变变化.大地测量与地球动力学，2009，29(1)：1-5

[5]刘琦，张晶，池顺良.四分量钻孔应变资料的质量评价及拟合分析.地震，2011，31(2)：87-96