邱澤華

(中國地震局地殼應力研究所,北京 100085)

中國分量鉆孔地應力-應變觀測發(fā)展重要事件回顧＊

邱澤華

(中國地震局地殼應力研究所,北京 100085)

中國的鉆孔應力相對觀測是在李四光的倡導下開始的,目的是探索地震預報的途徑。早期的鉆孔應力觀測(電感法)試圖直接觀測應力變化,在與彈性力學理論的結合上存在矛盾,即理論上需要觀測的是位移,實際上用的壓磁傳感器是觀測力的。1977年,在理論和實踐方面發(fā)生的變革,為后來四分量應變觀測的進一步發(fā)展奠定了基礎。在人們努力協(xié)調傳感器與觀測原理的矛盾的過程中,應力儀和應變儀的概念發(fā)生了混淆。地應力不能測量的觀點是沒有根據(jù)的。

鉆孔應變觀測;電感法地應力觀測;四分量鉆孔應變觀測;自檢;蕪湖會議

1 引言

中國的鉆孔地應力-應變觀測發(fā)展到現(xiàn)在,正面臨關鍵的機遇。對一些破壞性地震(包括1976年唐山地震[1],1985年烏恰地震[2]和 2008年汶川地震[3,4])前異常的比較研究,使人們對地震的應力-應變前兆的認識有了重要的進步,從而對用這種觀測開展地震預報的前景有了新的期待。在這種形勢下,重新回顧鉆孔應力-應變的發(fā)展歷程,梳理其中的科學思路,對今后的發(fā)展是一種重要的準備。

對地應力的測量或觀測分為兩種：一種是對地應力的測量,整體考察地應力,稱為絕對地應力測量;另一種是對地應力隨時間變化的觀測,關心的是應力的變化量,稱為相對應力觀測。

現(xiàn)在還沒有一種方法可以同時比較準確地測量地應力和觀測地應力變化。一方面,對地應力的測量,例如一般使用的套芯解除、水壓致裂、孔壁崩落等方法,誤差通常都太大,在此噪聲水平上不可能觀測到以日、小時、甚至分鐘為間隔的地應力的真實變化;另一方面,針對地應力變化的鉆孔觀測又不能說明整體的應力狀態(tài)。

這里我們只討論對分量地應力-應變變化的觀測,限于中國的分量鉆孔應力-應變觀測的歷史,重點是基本的科學思路。

2 中國最早將鉆孔應力觀測用于地震預報

1962年 3月 19日,廣東新豐江水庫的東江附近發(fā)生M6.1地震 (又稱河源地震),在壩區(qū)附近出現(xiàn)了一些長達數(shù)十米的地裂縫。這是當時全世界記錄到的最大的水庫誘發(fā)地震,引起了地質部部長李四光的注意,他開始考慮對地震進行預報的問題。李四光認為,地應力如何變化是“根本性的問題”。1968年在與堯山地應力站觀測人員談話時李四光說：“從 1962年東江地震發(fā)生以后,就有這個想法。地應力應該是存在的,而且地應力變化到一定程度才產(chǎn)生地震。…我們解決地震預報問題,關鍵在于觀測地應力的變化?！覀冏钕扔玫姆椒ㄊ切巫冸娮杪史?…后來發(fā)現(xiàn)坡莫合金對壓力反應靈敏度高,于是就采用了電感法?！盵5]

實際上,瑞典人 Hast[6]早已經(jīng)開始在采礦行業(yè)中用電感傳感器搞 (絕對)應力測量。李四光看到了 Hast寫的有關地應力測量的文章,才決定用壓磁(電感)傳感器來觀測地應力變化。據(jù)李方全回憶,當時國內(nèi)沒有制作壓磁傳感器的坡莫合金(鐵鎳合金),但是煉鋼廠專門為此用小爐按照要求煉制了一爐。

1963年,李方全等人開始在室內(nèi)研制,1964年開始在廣東新豐江和湖北大冶進行野外實驗。邢臺地震后,1966年 3月,正式用電感元件在鉆孔中觀測地應力變化進行地震預報研究[7]。第一個地應力觀測站就是隆堯的堯山站。當時實際從事這種儀器研制和觀測的單位有地質力學所和新組建的地震地質大隊。

在堯山站使用的電感法鉆孔應力儀,已經(jīng)有 3個元件(傳感器),對 3個方向進行連續(xù) (相對)觀測。不能否認,這種觀測當時并不成熟,甚至在設計原理上有缺陷,“邢臺地震后要求很急,匆忙上馬?！盵8]但是,將對應力變化的觀測用于地震預報,確實是世界首創(chuàng)。

美國人 Sacks和 Evertson 1968年 8月才在華盛頓 Carnegie研究所安裝了第一套沒有方向信息的鉆孔體應變儀[9,10]。后來又有坂田正治[11]、Gladwin[12]以及石井紘[13,14]研制了其他種類的鉆孔應力-應變儀。

3 傳感器與觀測原理的矛盾

地應力觀測,人們(包括 Hast)早期的想法比較簡單,以為只要將壓磁傳感器 (觀測元件)沿某個方向放在地下鉆孔中,然后觀測其電感值 (實際觀測的一般是電壓值)的變化就行了。根據(jù)壓磁效應,當應力變化時,元件電感值跟著變化,這在實驗室中已經(jīng)實現(xiàn)。在實際觀測中,人們直接將觀測值當作應力值用于主應力和主方向的換算(至今仍然有人會這樣做)。這種想法與實際情況是有偏離的,它沒有考慮到安裝傳感器的鉆孔會造成局部的應力場變化(應力集中)。

應力觀測儀器研制出來投入使用以后,從事理論分析的研究人員就用彈性力學的圓孔問題的解(圖 1)來作為地應力觀測的基礎。這個解早在1898年就有了[15]。雖然推導起來有點麻煩,但結果相當簡單：

其中 a是圓孔半徑,E是周圍巖石的楊氏模量,u是圓孔半徑的改變量,σ1、σ2、φ和θ分別表示最大、最小主應力、主方向和 u的方位角。

圖1 空孔應力觀測示意圖Fig.1 Sketch of strain observation in an empty borehole

利用應力-應變關系,改寫成 u與主應變ε1、ε2、φ的關系:

其中ε1、ε2和 v分別表示最大、最小主應變和泊松比。

對比一下,應變公式為

由此可見式(2)與式 (3)的不同。這就是圓孔應力集中的效果。特別需要強調的是,用 u/a來代替εθ是不對的。

當時的儀器,觀測元件直接接觸鉆孔的孔壁。對于這種觀測方法而言,這個公式是正確的。根據(jù)公式(1)可知,由圓孔半徑改變量的觀測值可以換算得到應力變化。因為平面應力只有 3個獨立分量,所以只要測量 3個方向的圓孔半徑改變量,就可以確定整個平面應力的變化。

但是,這里出現(xiàn)了一個矛盾:儀器的壓磁傳感器是用于觀測壓力變化的,而理論的要求是觀測位移的變化。

4 1977年蕪湖會議

電感法地應力觀測一度全國盛行,最多時建立了一百多個臺站。但是,在后來的實踐中遇到大量的問題,其中包括標定、干擾、接觸、密封等。具體表現(xiàn)就是觀測的物理量無法驗證,多種變化的原因說不清楚,儀器故障頻發(fā)。

于是,其他類型的鉆孔應力觀測方法應運而生。

1977年,當時的國家地震局組織有關單位,在安徽省蕪湖市召開了全國地應力專業(yè)會議。這是一次重要的會議。當時,正值唐山地震發(fā)生后不久,地震預報再次受到重視。蕪湖會議既對以往地應力測量和觀測進行了全面總結,又推出了新一代的鉆孔應力觀測儀器。

回顧歷史,蕪湖會議的重要意義是多方面的,其中對后來的分量鉆孔應變觀測影響比較大的事件是:

1)潘立宙對鉆孔地應力觀測原理進行了全面闡述,明確了這種觀測的理論基礎[16];

3)歐陽祖熙研制出使用電容傳感器的四分量鉆孔應力觀測儀器[18];

4)池順良研制出使用電容傳感器的差應力儀[19]分辨力達 10-9。

在蕪湖會議上,大家討論了消除各種干擾的方法,還提到固體潮,這些都為后來鉆孔應力觀測的發(fā)展指引了方向。

5 從鉆孔地應力觀測到鉆孔地應變觀測

1978年在長沙召開的地震觀測儀器工作會議(地震前兆觀測技術部分),正式確認未來的地應力-應變觀測“應以首先能夠明顯觀測到地球固體潮為發(fā)展目標?！盵20]

之后,鉆孔應力觀測逐漸消亡,靈敏度不夠高的電感法應力觀測臺站減少到屈指可數(shù)。取而代之的是現(xiàn)在的所謂鉆孔應變觀測,包括鉆孔體應變觀測和鉆孔分量應變觀測。

實際上,從原理上講,現(xiàn)在的所謂鉆孔分量應變儀,才是真正的鉆孔應力儀。

追根溯源,從鉆孔應力觀測到鉆孔應變觀測的變更,就起源于將壓磁傳感器用于鉆孔應力觀測,并且將這種方法奉為正統(tǒng)。根據(jù)前面的討論,我們已經(jīng)知道,要在鉆孔中進行應力觀測,就要觀測孔徑的變化,而不是孔壁對元件壓力的變化。也就是說,用壓磁傳感器進行這種觀測是一個相對而言缺乏理論根據(jù)的選擇。

人們要觀測應力變化,壓磁傳感器可以觀測壓力變化。二者的直觀聯(lián)系,使人們難以割舍對電感法地應力測量的先入為主的偏愛。于是,一些研究人員努力嘗試在電感法應力觀測與彈性力學的圓孔問題的解之間建立聯(lián)系[21]。途徑是將壓力 (或電感)觀測值又“折算”為位移值。實際上,這種努力非但沒有達到預期目的,反而最終將鉆孔應力觀測引入了歧途。

研究人員假設,當有傳感器 (元件)存在時,在應力作用下,孔徑不能自由變化,而是變?yōu)閮刹糠肿冃?其一是元件長度的變化,其二是受元件端部壓迫的孔壁的局部變形。這本來沒有問題。

人們在討論兩部分變形的相對大小時,提出了如何將元件劃分為應力計與應變計的問題。結果,對于元件剛度遠大于孔壁剛度的情況,元件長度變化可以忽略,就稱之為應力計;而當孔壁剛度相對很大,其局部變形可以忽略時,就稱元件為應變計[22]。這種劃分本來沒有什么重要的實際意義。無論元件稱為什么,其觀測地應力的原理是一樣的,都遵從公式(1),都是應力儀。

但是,人們由此把儀器的傳感器 (元件)和儀器本身混為了一談,以為傳感器是應力計,儀器就是應力儀;傳感器是應變計,儀器就是應變儀。由此生發(fā)了這樣一種錯覺:電感法應力觀測之所以稱為應力觀測,是因為其元件剛度大,而后來使用電容傳感器的儀器,元件剛度小,才稱為應變儀。

后果是,當電感法地應力觀測被拋棄時,“地應力觀測”這個名詞也被拋棄了。

再后來,對孔徑變化的直接測量變?yōu)樵谔淄仓械臏y量,用特殊水泥將套筒與圍巖耦合起來(圖 2)?？梢宰C明用鉆孔法觀測地應力的一般公式為

其中 A和 B是兩個待定參數(shù)[23,24]。利用應力-應變關系,可以將它改寫為觀測地應變的公式

圖2 鉆孔應力觀測的雙環(huán)模型Fig.2 Two-ringmodel of borehole strain observation

一般地,要從觀測值換算出應力值,必須確定參數(shù)A和B。目前還沒有辦法用已知的應力變化來確定這兩個參數(shù)。與此不同的是,因為理論應變固體潮是能計算得到的,所以能由此確定 A′和 B′[25-27]。這樣,由觀測值換算應變值成為更現(xiàn)實的選擇。因此,把這種儀器稱為應變儀終于又變得有理了。

6 關于鉆孔應力觀測的一些討論

如前所述,用壓磁傳感器進行鉆孔應力觀測是一種缺乏理論依據(jù)的選擇。還在電感法地應力觀測相當興旺的時期,就有一些研究人員對這種觀測的理論基礎提出過異議。這些研究人員從 Leeman[28]那里借用了一句話：應力不能直接測量,實際上它是假想的量。

電感法地應力觀測后來被拋棄,并且由于錯誤的分類命名,地應力觀測的概念一起被拋棄,Leeman的話被誤用,起了釜底抽薪的作用。一些人從此誤以為地應力根本是不能觀測的,并且至今仍然持有這種看法。

其實,Leeman說得很清楚：地應力不能直接觀測。這里重要的是“直接”這個詞。應力并非不能觀測,而是不能“直接”觀測。張超[21]對此進行過論述：就像溫度等物理量不能直接觀測但是能間接觀測,地應力也是能間接觀測的。實際上 Leeman說這句話的文章,就是專門討論地應力測量和觀測方法的。

電感法地應力觀測的出發(fā)點,就是試圖對地應力進行直接觀測。

Leeman所謂應力是“假想的量”,說法未必很恰當。重要的是,我們完全可以自己判斷應力是否能觀測,而不必糾纏在他的這個說法上。我們通過測彈簧的長度變化測力,通過測鉆孔形狀的變化測應力,道理完全類似。

顯然,對于現(xiàn)在的所謂鉆孔應變觀測而言,只要知道鉆孔中觀測探頭所在深度巖石的楊氏模量和泊松比,就能很容易地再從觀測應變換算出應力。巖石的楊氏模量和泊松比可以在鉆孔時取樣,然后測量得到。那樣,我們?nèi)匀豢梢苑Q現(xiàn)在的鉆孔分量應變儀為鉆孔應力儀。

7 結語

近年來,國外鉆孔應變觀測發(fā)展迅速。例如,他們在一個鉆孔中進行多種觀測 (應變、傾斜、測震等)的技術,是我們需要迎頭趕上的。又如,他們的鉆孔觀測深度已經(jīng)在海底達到千米以下,也是我們望塵莫及的。還有,他們的儀器研制已經(jīng)有完備的實驗基地,更是我們夢寐以求的。但是,我們的鉆孔應變觀測也有亮點。這就是我們的四分量鉆孔應變觀測。這種設計堪稱巧妙,正在引領潮流。

近年來,受到美國“板塊觀測計劃”(PBO)的激勵,中國的鉆孔應變觀測重振旗鼓。“十五”期間,在全國范圍安裝了 40套 YRY型四分量鉆孔應變儀。經(jīng)過兩年的運行,大部分觀測點工作穩(wěn)定,在自檢方面取得突破性的進步,S1+S3與 S2+S4的相關系數(shù)甚至超過 0.99,基本達到理想要求。

鉆孔地應變 (應力)儀觀測的是平面應力狀態(tài)的變化。根據(jù)彈性力學,平面應力狀態(tài)可用 3個互相獨立的量完全描述。也就是說,用三分量應變儀進行觀測就能完全說明實際地應變變化。四分量鉆孔應變儀多一個分量,可以自行檢驗觀測的正確性[29]。

鉆孔應變觀測要將探頭放置在鉆孔中至少數(shù)十米以下,其環(huán)境條件與實驗室不同。究竟各分量元件(傳感器)在鉆孔中觀測靈敏度如何,目前無法進行準確的標定。這是這種觀測的一個主要缺陷。四分量鉆孔應變儀的自檢功能,為了解各元件的工作狀態(tài)提供了可靠手段。這就是這種設計的重要性所在。當自檢結果良好時,說明井下所有元件的靈敏度與實驗室結果基本一致。這雖然不能說明元件靈敏度的大小,但是已經(jīng)可以說明觀測數(shù)據(jù)的性質是應力(應變),而不是其他什么東西。

中國“十五”期間安裝的大量 YRY型鉆孔應變儀的自檢結果良好,使我們的數(shù)據(jù)分析有了堅實的基礎。我們發(fā)現(xiàn)的汶川地震前的異常變化,也因此顯得非?？煽縖3-4]。

地震學界公認地應力變化是地震發(fā)生的原因。這說明了觀測地應力變化有多么重要,也說明了對這種觀測的自檢有多么重要。

致謝 感謝李方全研究員、蘇愷之研究員和歐陽祖熙研究員的幫助!

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 李茂瑋.烏恰 7.4級地震的土層應力前兆[J].內(nèi)陸地震, 1987,1(1)：77-83.(LiMouwei.Soil stress precursors of the Wuqia M7.4 earthquake[J]. Inland Earthquakes, 1987,1(1)：77-83)

3 邱澤華,周龍壽,池順良.用超限率分析法研究汶川地震的前兆應變變化 [J].大地測量與地球動力學,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 邱澤華,張寶紅,池順良.汶川地震前姑咱臺觀測的異常應變變化[J].中國科學：地球科學,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 國家地震局地震地質大隊編.有關地應力測量儀器試制等問題的談話(1968年 1月12日)[A].李四光同志有關地震工作談話選輯[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 國家地震局地震地質大隊編.與中國科學院蘭州地球所的幾位同志談地震預報 (1966年 10月)[A].李四光同志有關地震工作談話選輯 [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 國家地震局地震地質大隊編.談地震地質大隊的方向和任務(1968年 1月 8日)[A].李四光同志有關地震工作談話選輯[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)

9 Sacks I S and Evertson D W.Sensitive borehole strain-rate meter[J].Carnegie Inst,Washington Yearb,1971,68：448-453.

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.

13 Ishii H,et al.Development ofmulti-component borehole instrument for earthquake prediction study：some observed examples of precursory and co-seismic phenomena relating to earthquake swarms and application of the instrument for rock mechanics[A].Seismic process monitoring[C].edited by H.Ogasawara,et al,Rotterdam：Balkema,2002, 365-377.

14 石井纮.新鉆孔地殼活動綜合觀測裝置的開發(fā)和觀測[R].東濃地震科學研究所,2001.(Ishii H.Development of new multi-component borehole instrument[R].Tono Research Institute of Earthquake Science(in Japanese), 2001,6：5-10)

15 Jaeger J C and Cook N G W.Fundamentals of rock mechanics[M].Chapman and Hall(London).2nd ed., 1976.

16 潘立宙.關于地應力測量的幾個公式的推導及討論[A].全國地應力專業(yè)會議論文選編 (上)[C].1977,1 -41.(Pan Lizhou.On the for mulae of ground stress measurement[A].Selected papers of the national conference on stressmeasurement(Part 1)[C].1977,337-348)

17 蘇愷之.地應力相對測量方法[A].全國地應力專業(yè)會議論文選編 (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 歐陽祖熙.RDB-1型電容式地應變計[A].全國地應力專業(yè)會議論文選編 (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 池順良.連續(xù)自記壓容地應力儀[A].全國地應力專業(yè)會議論文選編 (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 陳鑫連,張奕麟,蔡惟鑫.地殼變動連續(xù)觀測技術[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.測量地應力的鉆孔變形法[A].地應力測量的原理和應用[C].北京：地質出版社,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 駱鳴津,等.用引潮力進行鉆孔應變-應力的原地標定[J].地殼形變與地震,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 邱澤華,石耀霖,歐陽祖熙.四分量鉆孔應變觀測的實地絕對標定[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 邱澤華,石耀霖,歐陽祖熙.四分量鉆孔應變觀測的實地相對標定[J].大地測量與地球動力學,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

質檢公益性行業(yè)科研專項(10-215)

邱澤華,男,1959年生,博士,研究員,主要從事地震、鉆孔應變觀測研究.E-mail：qzhbh@163.com

TH762

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