李家明 姚植桂 溫興衛(wèi) 彭宏偉

(1)中國地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運動與地球觀測實驗室,武漢 430071 3)防災科技學院,河北 065201)

井下全方位潮汐觀測技術研究＊

李家明1,2)姚植桂1,2)溫興衛(wèi)1,2)彭宏偉3)

(1)中國地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運動與地球觀測實驗室,武漢 430071 3)防災科技學院,河北 065201)

井下重力與傾斜全方位觀測系統(tǒng)的試驗結果表明,其測量分辨力為：重力 0.1×10-8ms-2,傾斜0.000 2″,達到了設計指標要求,能夠滿足固體潮觀測研究和地震監(jiān)測等的需要。

井下觀測;固體潮;重力;傾斜;靜電反饋測量

1 引言

當前,地震前兆形變、應變和重力等觀測儀器基本上是以洞體觀測儀為主,但由于山洞分布不均,相當多需要監(jiān)測的地區(qū)由于沒有開鑿山洞條件,形成地震前兆監(jiān)測空白區(qū)。為解決監(jiān)測儀器分布不均問題,只有開發(fā)井下觀測儀器,實行井下觀測。儀器安裝在井下,還具有能有效地克服地表環(huán)境因素的干擾,溫度穩(wěn)定,背景噪聲小,易提高觀測精度,儀器占地面積小,對地質(zhì)條件限制小,布設周期短和易管理等特點,因此發(fā)展井下綜合觀測技術是地震前兆監(jiān)測的必由之路[1]。

重力與傾斜資料在地球科學兩個主要領域——大地測量和地球物理中有很多種用途。利用全球分布的精密固體潮和非潮汐變化資料研究地球動力學問題,是地學重要組成部分,也為地震監(jiān)測提供依據(jù)。目前,國內(nèi)外大多數(shù)情況是某一觀測點只有傾斜儀或只有重力儀分別觀測固體潮的 3個分量,這或多或少地只觀測了起潮力的垂直分量卻忽略了觀測起潮力的水平分量,或者情況相反。我們研制放置于井下的重力與傾斜潮汐一體化觀測系統(tǒng),旨在為開展地球深部運動研究和地震監(jiān)測開發(fā)一種新的觀測設備,并為深部地球物理研究和地震監(jiān)測預報提供可靠、高精度與連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設計與原理

井下全方位潮汐觀測系統(tǒng),由井下儀器本體、電纜傳輸線和地表部分的電源、數(shù)據(jù)采集控制通信主機箱所組成。

井下儀器本體直徑為 150 mm,長 1 500 mm,主要由傳輸電纜、吊環(huán)、壓力彈簧、支撐爪、傾斜儀、萬向調(diào)節(jié)環(huán)、傾斜儀調(diào)零裝置、重力儀、重力置平裝置、定向裝置、靜電標定裝置、控溫裝置和測量電路單元等部分所組成(圖 1)。

圖1 井下儀器本體示意圖Fig.1 Schematic diagram of the borehole instrument

井下儀器本體中的重力儀和傾斜儀將垂直向的重力及水平兩個方向傾斜變化量轉(zhuǎn)換成位移變化量,經(jīng)電容位移傳感器及交流電橋轉(zhuǎn)換為交變電壓信號,再經(jīng)過交流放大器放大到鎖相檢波放大器變?yōu)橹绷餍盘?經(jīng)積分后,一路信號送人靜電反饋電路將靜電電壓信號加到重力儀和傾斜儀電容位移傳感器兩定極板上,使動極板回到中心位置 (即擺位回零);另一路則經(jīng)低通濾波器輸出送至傳輸電纜線。測量系統(tǒng)可采用閉環(huán)的靜電反饋或開環(huán)測量方式。測量信號送到地表部分的主機箱中的數(shù)據(jù)采集器里進行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,將模擬電壓信號變換為數(shù)字信號,進行實時數(shù)據(jù)采集,又經(jīng)微型計算機接收處理,分別送至顯示器進行顯示和電子盤存儲,并將數(shù)據(jù)實時地經(jīng)由無線或有線方式的 Internet網(wǎng)絡傳送至遠方的數(shù)據(jù)中心進行存儲、分析和處理。

2.1 重力測項[2-4]

重力測量原理結構如圖 2所示。

圖2 重力測量原理結構圖Fig.2 Diagram of gravitymeasurement principle

為減小體積,重力儀彈性系統(tǒng)采用了質(zhì)量平移式線性結構(屬彈簧類重力儀),其基本原理是利用彈性力來平衡重力。當重力場發(fā)生變化時,掛在彈簧下質(zhì)量擺的引力發(fā)生變化,彈簧的長度也相應發(fā)生變化。彈簧的平衡方程為M g=fx,式中M為質(zhì)量擺的質(zhì)量,f為彈性強度,x為測量彈簧拉伸長度。由彈簧的平衡方程可導出重力儀變化時彈簧的相對伸長量:dx/x=dg/g。由于重力加速度的變化很小,彈簧的相對伸長量也很小,但質(zhì)量平移式線性結構沒有機械放大作用,因此須有一個高精度的測量微位移系統(tǒng),測量擺的位置變化。若重力儀觀測精度為 1×10-8ms-2,當彈簧的工作長度為 x=100 mm時,位移變化量為 dx=100×(dg/g)=100×10-9mm=0.000 1μm。所以測微器的精度必須優(yōu)于0.000 1μm。

重力儀采用三片式差動電容位移傳感器,上下兩定極板與支架連接固定,但相互保持絕緣。動極板的上端與測量彈簧連接,下端與質(zhì)量擺連接,當重力場發(fā)生變化時,引力作用到質(zhì)量擺上,使得動極板與定極板間的距離發(fā)生微小變化。由數(shù)字振蕩器給上下兩定極板加穩(wěn)幅和穩(wěn)頻 10 kHz左右的正弦基準信號,傳感器構成交流電橋,將位移的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化,再又轉(zhuǎn)換為交流電壓的變化,經(jīng)前置放大、選頻主放大器、移相器、鎖相放大器的放大變?yōu)橹绷餍盘?靜電反饋電路將這一擺位偏移信號再積分放大加到上下兩定極板上,迫使動極板回到中心位置,這時靜電反饋力等于重力的變化值,另一路則經(jīng)濾波為重力輸出信號。采用靜電反饋閉環(huán)測量系統(tǒng)[5],消除彈性系統(tǒng)滯后影響,提高了系統(tǒng)的觀測精度及其格值穩(wěn)定度。彈簧重力儀測定重力變化的前提是彈簧的彈性必須高度穩(wěn)定,為了滿足萬分之一微米測量精度,彈性系統(tǒng)的彈簧穩(wěn)定度必須達10-9,因此需要一個高精度的恒溫系統(tǒng)來保證彈性系統(tǒng)的穩(wěn)定性,對恒溫精度提出須達 0.000 1℃要求。彈性系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和恒溫控制系統(tǒng)構成了重力儀的 3個主要部分,3部分的性能指標決定著重力儀的性能。

井下重力測量時,還需設計一套自動置平裝置,以保證彈性擺系工作時始終保持鉛垂。如將重力儀直接疊加在傾斜儀上,靠傾斜儀的機械調(diào)零可以實現(xiàn)重力儀的置平目的,但為了避免相互影響,我們設計了獨立的置平機構。自動置平裝置采用自動閉環(huán)負反饋結構,傳感器為二維電子水泡或超小型垂直擺,由伺服電機、渦輪蝸桿驅(qū)動,滿足了重力儀自動置平要求。

2.2 傾斜測項[6-8]

為減小相互干擾,傾斜測項采用兩個相同的獨立的垂直擺結構,方向相差 90°,上下層疊加結構(圖 3)。

圖3 傾斜測量原理結構圖Fig.3 Diagram of tiltmeasurement principle

垂直擺傾斜儀的垂直擺由支架、吊絲和擺錘 3部分組成。垂直擺在沒有振動的條件下處于鉛垂狀態(tài),當發(fā)生傾斜變化時,擺平衡位置發(fā)生變化,擺和支架之間的相對位置發(fā)生變化,擺錘本身構成電容式位移傳感器的動極板,兩定極板與支架的底座連接,相互之間保持絕緣,擺系將傾斜的角度變化轉(zhuǎn)換為位移變化,因此電容位移傳感器的動極板與之間的兩定極板間距也相應的發(fā)生變化,其關系有：Δ ψ =206 265×(Δd/l),式中Δ ψ為傾斜角度,單位為角秒(″),l為擺長,它是由懸掛點上固定板到擺錘 (動極板)重心的距離,Δd為擺垂的相對位移量。通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并加以放大,就可將擺的微小位移轉(zhuǎn)換成電信號。由于地傾斜的相對變化量很小,擺的相對偏移量也很小,因此也必須有高精度測微系統(tǒng)測量擺的位置的變化。高精度的測微系統(tǒng)與重力儀類似,分辨力優(yōu)于 0.000 1μm,采用相關接收技術的鎖定放大器,或靜電反饋電路,經(jīng)濾波輸出傾斜信號,使得傾斜測量分辯力優(yōu)于 0.000 2″。

伺服系統(tǒng)為伺服電機推動二維移動平臺的機械調(diào)零裝置。該裝置的檢測信號取自傾斜儀檢波輸出,調(diào)零為自動方式,可采用兩個方向同時進行,一次完成自動調(diào)零,避免了相互影響所致的反復調(diào)擺運動。

2.3 測量系統(tǒng)

精密測量系統(tǒng)采用鎖相放大開環(huán)測量系統(tǒng)[3]和靜電反饋閉環(huán)測量系統(tǒng)[5]。

靜電反饋測量電路原理是：當重力或傾斜發(fā)生變化時,電容傳感器產(chǎn)生位移偏移信號輸出,經(jīng)檢波放大,再積分,一路又送回到電容傳感器的兩定極板上,并產(chǎn)生靜電力,推動電容傳感器的動極板,使動極板回到兩定極板中心位置 (對稱設計時,機械零位與電零位基本重合);另一路經(jīng)低通濾波,輸出則為物理量信號。

靜電反饋測量特點是：測量時始終使電容傳感器處于零位,這樣其靈敏度高、線性范圍寬、測量精度高、格值穩(wěn)定度也高,對傳感器本身的信號放大電路要求不高,用于重力測量時能消除彈性系統(tǒng)滯后影響等,不過它不適用于剛性傳遞信號的測量場合,如應變儀等。

靜電反饋測量電路原理圖如圖 4。由圖 4可知,數(shù)字振蕩器的一路依次連接電容傳感器、前置放大器、選頻主放大器、相敏檢波器;另一路依次連接移相器、方波發(fā)生器、相敏檢波器,由相敏檢波器經(jīng)積分器 pi到靜電反饋器,靜電反饋器一路再回到電容傳感器,另一路連接低通濾波器輸出,形成閉環(huán)測量電路。若靜電反饋器不接入,將相敏檢波器直接接至低通濾波器,而形成開環(huán)同步檢波放大器。

圖4 靜電反饋測量電路原理圖Fig.4 Schematics diagram of electrostatic feedback measurement circuit

3 主要技術指標

1)重力分量

分辨力：≤0.1×10-8ms-2;

準確度：10×10-8ms-2;

零點漂移：≤1 000×10-8ms-2/月;

可調(diào)測程范圍：≥7 000×10-5ms-2(全球范圍)。

2)傾斜分量

分辨力：≤0.000 2″;

零點漂移 ＜0.005″/天;

量程：±2″;

機械調(diào)零范圍：＞±3°(井斜小于 3°);

系統(tǒng)可自動或遙控實現(xiàn)擺位調(diào)零和標定。

4 試驗情況

2010年 4月,我們將井下全方位潮汐觀測樣機,放置于武漢市華中農(nóng)業(yè)大學地殼形變儀器觀測站的淺孔井中進行觀測試驗,經(jīng)過一段時間的調(diào)試和穩(wěn)定后,該樣機除了有些漂移外,已能清晰地記錄到重力固體潮、傾斜固體潮汐和地震波 (圖 5)。經(jīng)數(shù)據(jù)計算處理,該系統(tǒng)已達到了設計精度技術指標。

圖 5 原始數(shù)據(jù)曲線(2010-05-01)Fig.5 Curves recorded at Huanong seis mostation

5 結束語

從試驗結果來看,井下全方位潮汐觀測系統(tǒng)清晰觀測到了重力和傾斜固體潮汐,表明該系統(tǒng)已達到了設計指標要求。

致謝 衷心感謝蘇愷之、胡國慶、馬鴻鈞等研究員的指導和幫助!

1 蘇愷之,等.鉆孔地應變觀測新進展[M].地震出版社, 2003.(Su Kaizhi,et al.Borehole strain observations in progress[M].Bering：Seismological Press,2003)

2 Chapin D.Gravity instruments：Past,present,future[J].The Leading Edge,1998,17(1)：100-112.

3 李家明,等.DZ W-Ⅱ型微伽重力儀改進設計[J].大地測量與地球動力學,2005,(4)：127-132.(Li Jiaming,et al. Reforming design of micro-gal-gravimeter of type DZ W-Ⅱ[J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2005,(4)：127-132)

4 李家明,等.GS型重力儀智能化和網(wǎng)絡化的實現(xiàn)[J].大地測量與地球動力學,2008,(6)：127-131.(Li Jiaming, et al.Realization of intellectualization and net work of GS gravimeter[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008, (6)：127-131)

5 Harrison J C and Soto T.I mplementation of electro-static feedback with a Lacoste-Rombergmode G gravitymeter[J]. Geophyr.Res.,1983,89：7 957-7 962.

6 羅峰.VS型垂直擺傾斜儀的設計及其智能化研究[D].中國地震局地震研究所,1999.(Luo Feng.VS verticalpendulum of design and intelligent[D].Institute of Seis mology, CEA,1999)

7 肖俊.高精度垂直擺傾斜儀的設計及應用研究[D].中科院測量與地球物理研究所,2002.(Xiao Jun.High precision vertical pendulum tiltmeter and its appplication[D]. Institute of Geodesy and Geophysics,CAS,2002)

8 吳艷霞.VS新型垂直擺傾斜儀的研究[D].武漢理工大學,2005.(Wu Yanxia.Study of new vertical pendulum tilt meter[D].Wuhan University of Technology,2005)

STUDY ON ALL-D IRECTIONALLY BORE-HOLE OBSERVATION TECHNIQUE OF EARTH TIDE

Li Jiaming1,2),Yao Zhigui1,2),Wen Xingwei1,2)and Pen Hongwei3)

(1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071 3)College of D isaster Prevention Techniques,Hebei 065201)

The three-dimensional gravity and tiltmeasurement resultswith bore-hole system show that the resolution power of the system are 0.1×10-8ms-2for gravity and 0.000 2″for tilt which reaches the design requirements and can meet the need of the solid tide observation and earthquake monitoring.

bore-hole observation;earth tide;gravity;tilt;electro-static feedback measurement

1671-5942(2010)05-0149-04

2010-09-10

國家自然科學基金(40774025);地震科學聯(lián)合基金(106003);中國地震局地震研究所所長基金(IS200961367)

李家明,男,1957年生,高級工程師,主要從事地震觀測技術研究.E-mail：jiaming6161@sina.com

TH762

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