钻孔耦合对体应变观测的影响分析-论文.pdf

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1、地震地磁观测与研究第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钻孔耦合对体应变观测的影响分析田韬王俊菲王维郝永亮(中国南京210014江苏省地震局)摘要利用三层厚壁筒组合模型，给出不同类型体应变的相互转换关系，分析模型参数变化对3类体应变仪观测的影响。通过对全国60多个台站的体应变观测资料分析，发现钻孔的气压系数与潮汐因子无简单对应关系。利用固体潮标定不同台站的体应变到

2、统一系统的体应变，结果表明，多数台站存在体应变潮汐因子观测值比理论值明显偏小现象，推测可能与钻孑L存在非完全耦合有关关键词体应变；厚壁筒；固体潮；标定；耦合0引言在区域应力场作用下地壳会发生变形，钻孔应变观测是研究地壳变形和区域应力场变化的一种重要手段。相对其他测量地壳形变的仪器，体积式钻孔应变仪由于其力学原理与力学结构相对比较简单，对钻孔环境及安装条件要求相对较低，更易获取长期可靠的观测资料。美国生产的Sacks-Evertson型体应变仪因其具有良好的稳定性，在过去很多年内一直占据主导地位(邱泽华等，2004；苏恺之等，2003)。我国研制的TJ系列体应变仪，经过3o多年的

3、发展，目前在网运行的TJ-2C新型体应变仪有60多套，成为地震前兆观测台网的一个重要组成部分。在钻孔应变观测中，由于探头所在围岩介质力学性能存在差异，即使2个钻孔距离很近，所观测的应变变化也可能各不相同(高龙生，1973；欧阳祖熙，2011)。地震监测能力研究受限于对观测条件以及地震前兆认识的不足(牛安福等，2011)，当前对前兆的分析仍处于单点经验预报阶段，这就需要为各测点建立一个标准，采用潮汐标定方法可以将不同台站体应变标定到统一系统的体应变(骆鸣津等，1989，2004；易志刚等，2007)，该方法利用观测固体潮与理论固体潮的关系反演体应变耦合系数，不必知道耦合介质的力学

4、性能。本文利用三层厚壁筒组合模型，给出不同类型体应变的相互转换关系，利用固体潮理论值将不同台站的体应变观测标定到统一系统体应变，定量分析弹性模量、泊松比及钻孔半径等参数变化对不同类型体应变观测的影响，并对全国多套体应变观测资料进行分析。1钻孔体应变的数学模型及潮汐因子计算在均匀各向同性介质地层中，对于单层钻孔模型[图1(a)]，地层应力可分为与方位角无关的面应力项和与方位角有关的偏应力项。面应变不受偏应力项影响，且应力大小与距离无作者简介：田韬(1978一)，男，硕士，工程师，主要从事地壳形变与地震前兆研究工作基金项目：江苏省地震局青年科学基金项目(Z01302)本文收到日期：

5、2O13—12—21166地震地磁观测与研究关，r—b处应力和，一一a处应力一样依据弹性力学局部影响原理(圣维南原理)，当6》n时，地层中直径为2。的钻孔不影响r—b处的原有应力，可作r—b处的外边界条件。假设地层的弹性模量E，泊松比v，受均匀径向应力P的作用，在钻孔中填入均匀各向同性的介质实心弹性体，改变弹性体圆柱体直径的大小来改变对孑L壁加力P。大小。该模型可以看作在平面应力状态厚壁筒受均匀径向力模型(骆鸣津等，2008)，在孔径上r处的径向位移“和垂向z处位移“在柱坐标下的表达式如下f，，一——二1垒而：±±_垒：p一——二而：±±_垒!堡!P，【一Pz+P对于实际的钻孔

6、体应变观测，安装体应变仪的钻孔完全不同于裸孔，需同时考虑钢筒和水泥环的影响。钻孔体应变可以看成是“钢筒、水泥环和地层”3个厚壁筒组合系统[图1(b)]，各厚壁筒为均匀各向同性弹性体。假设体应变观测钢筒、水泥环和地层的弹性模量分别为E、E、E，泊松比分别为、、，钢筒的内、外半径分别为r、r。，地层环的内、外半径分别为r。和，其中r》，钻孑L在钢筒和水泥图1钻孑L模型结构示意层、水泥层和地层接触面处的半径分别(a)厚壁筒受力模型；(b)“钢筒、水泥环和地层”模型为r、。该“钢筒、水泥环和地层”组合Fig．1Schematicofboreholemodelstructure系统在无限

7、远处受均匀径向应力P的作用，测重钢同刚网J主刀刀／-一U。仕水况利同、水巴布u地J云仕拔用里回上，分别以2利3衣示r、处的应力，在边界面上满足应力连续的边界条件。将以上各参数分别代入式(1)，则在孔径径向r处的位移，和垂向z处的位移分别表示为一——1一塑P一——]二二_一P(r2≥r≥rn1)1一一——1一P。一——1万一P。≥rl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、处，同时满足位移连续边