鉆孔耦合對體應(yīng)變觀測的影響分析-論文.pdf

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1、地震地磁觀測與研究第35卷第3／4期SEISM0L0GICALANDGEOMAGNETICVo1．35No．3／42014年8月0BSERVAT10NANDRESEARCHAug．2014doi：10．3969／j．issn．1003—3246．2014．03／04．027鉆孔耦合對體應(yīng)變觀測的影響分析田韜王俊菲王維郝永亮(中國南京210014江蘇省地震局)摘要利用三層厚壁筒組合模型，給出不同類型體應(yīng)變的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，分析模型參數(shù)變化對3類體應(yīng)變儀觀測的影響。通過對全國60多個臺站的體應(yīng)變觀測資料分析，發(fā)現(xiàn)鉆孔的氣壓系數(shù)與潮汐因子無簡單對應(yīng)關(guān)系。利用固體潮標(biāo)定不同臺站的體應(yīng)變到

2、統(tǒng)一系統(tǒng)的體應(yīng)變，結(jié)果表明，多數(shù)臺站存在體應(yīng)變潮汐因子觀測值比理論值明顯偏小現(xiàn)象，推測可能與鉆孑L存在非完全耦合有關(guān)關(guān)鍵詞體應(yīng)變；厚壁筒；固體潮；標(biāo)定；耦合0引言在區(qū)域應(yīng)力場作用下地殼會發(fā)生變形，鉆孔應(yīng)變觀測是研究地殼變形和區(qū)域應(yīng)力場變化的一種重要手段。相對其他測量地殼形變的儀器，體積式鉆孔應(yīng)變儀由于其力學(xué)原理與力學(xué)結(jié)構(gòu)相對比較簡單，對鉆孔環(huán)境及安裝條件要求相對較低，更易獲取長期可靠的觀測資料。美國生產(chǎn)的Sacks-Evertson型體應(yīng)變儀因其具有良好的穩(wěn)定性，在過去很多年內(nèi)一直占據(jù)主導(dǎo)地位(邱澤華等，2004；蘇愷之等，2003)。我國研制的TJ系列體應(yīng)變儀，經(jīng)過3o多年的

3、發(fā)展，目前在網(wǎng)運(yùn)行的TJ-2C新型體應(yīng)變儀有60多套，成為地震前兆觀測臺網(wǎng)的一個重要組成部分。在鉆孔應(yīng)變觀測中，由于探頭所在圍巖介質(zhì)力學(xué)性能存在差異，即使2個鉆孔距離很近，所觀測的應(yīng)變變化也可能各不相同(高龍生，1973；歐陽祖熙，2011)。地震監(jiān)測能力研究受限于對觀測條件以及地震前兆認(rèn)識的不足(牛安福等，2011)，當(dāng)前對前兆的分析仍處于單點(diǎn)經(jīng)驗預(yù)報階段，這就需要為各測點(diǎn)建立一個標(biāo)準(zhǔn)，采用潮汐標(biāo)定方法可以將不同臺站體應(yīng)變標(biāo)定到統(tǒng)一系統(tǒng)的體應(yīng)變(駱鳴津等，1989，2004；易志剛等，2007)，該方法利用觀測固體潮與理論固體潮的關(guān)系反演體應(yīng)變耦合系數(shù)，不必知道耦合介質(zhì)的力學(xué)

4、性能。本文利用三層厚壁筒組合模型，給出不同類型體應(yīng)變的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用固體潮理論值將不同臺站的體應(yīng)變觀測標(biāo)定到統(tǒng)一系統(tǒng)體應(yīng)變，定量分析彈性模量、泊松比及鉆孔半徑等參數(shù)變化對不同類型體應(yīng)變觀測的影響，并對全國多套體應(yīng)變觀測資料進(jìn)行分析。1鉆孔體應(yīng)變的數(shù)學(xué)模型及潮汐因子計算在均勻各向同性介質(zhì)地層中，對于單層鉆孔模型[圖1(a)]，地層應(yīng)力可分為與方位角無關(guān)的面應(yīng)力項和與方位角有關(guān)的偏應(yīng)力項。面應(yīng)變不受偏應(yīng)力項影響，且應(yīng)力大小與距離無作者簡介：田韜(1978一)，男，碩士，工程師，主要從事地殼形變與地震前兆研究工作基金項目：江蘇省地震局青年科學(xué)基金項目(Z01302)本文收到日期：

5、2O13—12—21166地震地磁觀測與研究關(guān)，r—b處應(yīng)力和，一一a處應(yīng)力一樣依據(jù)彈性力學(xué)局部影響原理(圣維南原理)，當(dāng)6》n時，地層中直徑為2。的鉆孔不影響r—b處的原有應(yīng)力，可作r—b處的外邊界條件。假設(shè)地層的彈性模量E，泊松比v，受均勻徑向應(yīng)力P的作用，在鉆孔中填入均勻各向同性的介質(zhì)實(shí)心彈性體，改變彈性體圓柱體直徑的大小來改變對孑L壁加力P。大小。該模型可以看作在平面應(yīng)力狀態(tài)厚壁筒受均勻徑向力模型(駱鳴津等，2008)，在孔徑上r處的徑向位移“和垂向z處位移“在柱坐標(biāo)下的表達(dá)式如下f，，一——二1壘而：±±_壘：p一——二而：±±_壘!堡!P，【一Pz+P對于實(shí)際的鉆孔

6、體應(yīng)變觀測，安裝體應(yīng)變儀的鉆孔完全不同于裸孔，需同時考慮鋼筒和水泥環(huán)的影響。鉆孔體應(yīng)變可以看成是“鋼筒、水泥環(huán)和地層”3個厚壁筒組合系統(tǒng)[圖1(b)]，各厚壁筒為均勻各向同性彈性體。假設(shè)體應(yīng)變觀測鋼筒、水泥環(huán)和地層的彈性模量分別為E、E、E，泊松比分別為、、，鋼筒的內(nèi)、外半徑分別為r、r。，地層環(huán)的內(nèi)、外半徑分別為r。和，其中r》，鉆孑L在鋼筒和水泥圖1鉆孑L模型結(jié)構(gòu)示意層、水泥層和地層接觸面處的半徑分別(a)厚壁筒受力模型；(b)“鋼筒、水泥環(huán)和地層”模型為r、。該“鋼筒、水泥環(huán)和地層”組合Fig．1Schematicofboreholemodelstructure系統(tǒng)在無限

7、遠(yuǎn)處受均勻徑向應(yīng)力P的作用，測重鋼同剛網(wǎng)J主刀刀／-一U。仕水況利同、水巴布u地J云仕拔用里回上，分別以2利3衣示r、處的應(yīng)力，在邊界面上滿足應(yīng)力連續(xù)的邊界條件。將以上各參數(shù)分別代入式(1)，則在孔徑徑向r處的位移，和垂向z處的位移分別表示為一——1一塑P一——]二二_一P(r2≥r≥rn1)1一一——1一P。一——1萬一P?！輗l一一——]箸=—P一——]二一P≥r≥r。一+(r2≥r≥r1)“===+(r3≥r≥r2)(3)“一蒿Pz+P。z(r4≥r≥r3)在r、處，同時滿足位移連續(xù)邊