張曉剛，孫貴成，任 佳，陳立強(qiáng)，王震洲

（1. 河北省地震局，石家莊 050021；2. 河北省地震局承德中心臺(tái)，河北 承德 067000；3. 河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺(tái)，河北邢臺(tái) 054000；4. 河北省地震局秦皇島中心臺(tái)，河北 秦皇島 066100；5. 河北科技大學(xué)，石家莊 050021）

0 引言

應(yīng)變觀測在地球物理觀測中占有重要的位置，國內(nèi)的應(yīng)變觀測均為測量水平方向的變化，如體應(yīng)變儀、洞體應(yīng)變儀、四分向應(yīng)變儀。近30多年來，國內(nèi)一直無人涉及垂直應(yīng)變觀測領(lǐng)域。根據(jù)彈性力學(xué)理論研究證明，在現(xiàn)有水平應(yīng)變觀測的基礎(chǔ)上只有增加垂直應(yīng)變觀測才能監(jiān)測到地塊的漲縮信息。垂直向應(yīng)變的研究對(duì)于取得與研究地殼三維應(yīng)變狀態(tài)，以及用于地震監(jiān)測具有科學(xué)和實(shí)踐意義[1]。

1 垂直應(yīng)變觀測現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)的應(yīng)變儀器測量主要有洞體應(yīng)變測量地殼巖體兩點(diǎn)間水平距離的相對(duì)變化、體積式鉆孔應(yīng)變儀測量地層內(nèi)部應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)變化、分量應(yīng)變地層內(nèi)部水平應(yīng)力應(yīng)變。這些儀器均沒有垂直量觀測。自20世紀(jì)80年代曾研究過一段時(shí)間垂直應(yīng)變儀后，近30多年來垂直應(yīng)變領(lǐng)域一直無人涉及。

在20世紀(jì)80年代，比利時(shí)布魯塞爾皇家天文臺(tái)安裝了一臺(tái)垂直向伸縮儀，日本在靠近京都逢板山臺(tái)站的山洞安裝了有垂直分量的六方向應(yīng)變儀，這兩處的垂直向先后停測。1985年由國家地震局下達(dá)伸縮儀技術(shù)在垂直方向上應(yīng)用的研究與儀器研制課題，其研制樣機(jī)分別于1986、1987年安裝在中國黃石固體潮實(shí)驗(yàn)室和盧森堡大公國的Walferdange地球動(dòng)力學(xué)地下實(shí)驗(yàn)室，長期進(jìn)行對(duì)比觀測[2]。中國于1986年開始垂直應(yīng)變觀測并在江蘇和湖北的2個(gè)臺(tái)站安裝了中國和比利時(shí)合作研制的ORBES-84型石英伸縮儀。到20世紀(jì)90年代，ORBES-84型垂直伸縮儀未見有后續(xù)的研究和報(bào)告。

為了填補(bǔ)國內(nèi)垂直應(yīng)變觀測的空白，補(bǔ)充和完善線應(yīng)變觀測，本文設(shè)計(jì)了一種利用新材料、新傳感器技術(shù)的垂直應(yīng)變觀測裝置，并于河北省地震局豐寧地震臺(tái)安裝、進(jìn)行連續(xù)觀測，獲取了一些觀測數(shù)據(jù)。

2 垂直應(yīng)變的結(jié)構(gòu)

從ORBES-84型垂直伸縮儀研制和初步試驗(yàn)結(jié)果[2]分析得出，該儀器工作不穩(wěn)定可能有以下幾個(gè)原因：①該垂直應(yīng)變固定端和測量端分別安裝在洞穴的頂部和底部，洞體空腔效應(yīng)對(duì)這種安裝方式的垂直應(yīng)變測量影響較大；②山洞頂部固定端的耦合方式為環(huán)氧樹脂和機(jī)械鉚釘，溫度對(duì)不同膨脹系數(shù)的多種材質(zhì)耦合穩(wěn)定性影響較大；③固定端與石英基線使用尼龍和金屬套圈拉接，這種方式雖然短時(shí)間內(nèi)端面連接緊密，但是隨著時(shí)間的推移由于重力、溫度等效應(yīng)會(huì)影響兩種材質(zhì)的連接緊密性；④20世紀(jì)80年代末的傳感器水平比較落后，傳感器性能較差，工作不穩(wěn)定。

吸取ORBES-84型垂直伸縮儀的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合楊江老師的分析[1]，本文設(shè)計(jì)的垂直應(yīng)變儀由觀測孔、基線、基線底部耦合裝置、基線頂部調(diào)零裝置、位移轉(zhuǎn)換裝置和數(shù)據(jù)采集器組成。

2.1 觀測孔

由于試驗(yàn)觀測的環(huán)境需要在山洞中打觀測孔，工程車輛需要進(jìn)駐到山洞內(nèi)，建成后的觀測山洞無法進(jìn)駐工程車輛。利用豐寧地震臺(tái)建設(shè)新山洞的機(jī)會(huì)，在其備用洞室鉆取觀測孔。觀測孔成孔后直徑100 mm、深度為10.5 m，確保了整個(gè)觀測基線位于巖層內(nèi)部，并且山洞的日溫差和年溫差比較小有利于長基線的觀測。

2.2 基線

目前，SS-Y伸縮儀使用含鈮特種銦瓦管作為基線。這種材質(zhì)膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高，但是自身重量大，不適合做垂直應(yīng)變的材質(zhì)。為了廣泛選取材料，將含鈮特種銦瓦管和鈦合金管、碳纖維管的主要性能做了一下對(duì)比(表1)?？梢灾庇^地看出，銦瓦管和碳纖維管的線膨脹系數(shù)較低，而碳纖維管的密度不到銦瓦管的四分之一。

表 1 銦瓦管、鈦合金管、碳纖維管膨脹系數(shù)、密度

有專家對(duì)質(zhì)量輕高剛性的材料進(jìn)行了力學(xué)性能對(duì)比 (表 2)。

表 2 纖維材料及金屬力學(xué)性能數(shù)據(jù)參照表

比模量的大小反映了質(zhì)量和剛性的關(guān)系[3]。垂直應(yīng)變基線這種大長徑比的桿件需要質(zhì)量輕、剛性強(qiáng)的材質(zhì)，所以無論從溫度系數(shù)還是剛性的要求，本設(shè)計(jì)基線材質(zhì)都應(yīng)選取碳纖維管。

2.3 傳感器

固體潮汐造成地面升降最大幅度大于0.5 m，地球半徑為370 km。經(jīng)計(jì)算，垂直應(yīng)變量每米的最大變化量約為80 nm，10 m 的基線變化量約為800 nm，這是將地球視為密度平均的介質(zhì)進(jìn)行估算的結(jié)果。但是地球密度從地殼巖石的2.7 g/cm3到內(nèi)地核的13 g/cm3，差距比較大，受到同樣作用力時(shí)發(fā)生形變的程度也會(huì)不一樣，可以分析得出地表巖石的形變量要大于地球內(nèi)部的形變量。另外，潮汐引力在地球這個(gè)大密度的介質(zhì)中不易傳導(dǎo)，引起的形變預(yù)計(jì)僅在地球表層。綜上分析認(rèn)為，10 m 基線理論上獲得的變化量應(yīng)該預(yù)計(jì)為800 nm 的幾倍，使用與伸縮儀相同的高精度差動(dòng)變壓器位移傳感器即可達(dá)到觀測要求。

2.4 基線底端固定及垂直

由于基線底部使用膨脹水泥與觀測孔耦合，為了不使水泥膨脹過程中破壞基線結(jié)構(gòu)，基線底部使用不銹鋼材質(zhì)套管予以保護(hù)。安裝時(shí)，先將未凝固的膨脹水泥灌入觀測孔底部，然后將安裝不銹鋼套管的基線下放至觀測孔底部，利用碳纖維管的剛性保持基線的豎直和自由度。

2.5 測量端固定

為了提高穩(wěn)定性，在觀測孔頂部放置厚度為10 cm中間有過孔的大理石平臺(tái)。平臺(tái)上放置不銹鋼的測量端，測量端加裝調(diào)零裝置。

2.6 數(shù)據(jù)采集、傳輸

為了提高數(shù)據(jù)采集精度，利用五位半的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行分鐘值采樣。儀器按地球物理臺(tái)網(wǎng)的通訊規(guī)范，觀測數(shù)據(jù)每天自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫。

3 安裝與觀測

觀測孔于2017年7月在豐寧新山洞離洞口約70 m的洞室施工完成，成孔深度為10.5 m、孔徑為10 cm、5 m深處有裂隙、6 m以下有水。垂直應(yīng)變儀于2018年8月安裝（圖1），由于底部有膨脹水泥和不銹鋼套管，最終基線長度為約9 m。儀器安裝后受水泥膨脹影響有明顯漂移，無法產(chǎn)出正常數(shù)據(jù)。經(jīng)過一段時(shí)間后，記錄逐漸開始平穩(wěn)。圖2為2019年10月12日至2020年1月31日的數(shù)據(jù)，可以看出儀器運(yùn)行情況整體良好。

圖 1 垂直應(yīng)變儀測量裝置示意圖

圖 2 垂直應(yīng)變儀2019年觀測曲線

對(duì)比離豐寧180 km的寬城地震臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)大潮時(shí)固體潮半日波非常清晰，并且相位非常一致(圖3)。將2020年1月15日至2月14日1個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)去趨勢后，可以發(fā)現(xiàn)在月尺度內(nèi)跟寬城體應(yīng)變也有同步的大小潮變化(圖4)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)垂直固體潮的觀測。垂直應(yīng)變儀記錄到了2020年1月29日03時(shí)10分發(fā)生在古巴的7.7級(jí)地震的同震響應(yīng)(圖5)，在一定程度上反映了垂直應(yīng)變儀的微應(yīng)變觀測能力。

由于垂直應(yīng)變儀需要將探頭拆下放置到標(biāo)定平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)期間為了便于監(jiān)控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并未進(jìn)行標(biāo)定啟用物理量，產(chǎn)出為電壓量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)制作的垂直應(yīng)變儀具備設(shè)計(jì)科學(xué)、安裝操作性強(qiáng)、觀測穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以觀測出清晰的固體潮和同震響應(yīng)。垂直應(yīng)變儀仍需優(yōu)化完善，如在觀測系統(tǒng)中增加標(biāo)定裝置、鉆取無裂隙和存水的觀測孔等。完善后的垂直應(yīng)變能夠填補(bǔ)國內(nèi)垂直應(yīng)變觀測的空白，補(bǔ)充和完善線應(yīng)變觀測，對(duì)于研究地殼三維應(yīng)變狀態(tài)以及用于地震監(jiān)測具有科學(xué)和實(shí)踐意義。

圖 3 固體潮大潮時(shí)與寬城臺(tái)體應(yīng)變?nèi)沼^測曲線對(duì)比圖

圖 4 2020年1月15日至2月14日垂直應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)去趨勢后與寬城體應(yīng)變對(duì)比圖

圖 5 垂直應(yīng)變記錄到2020年1月29日古巴7.7級(jí)地震的同震響應(yīng)