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TY系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用.pdf
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1、引用格式:孙尧,彭华,姜景捷,等,2023.TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用 J.地质力学学报,29(3):324338.DOI:10.12090/j.issn.1006-6616.20232903Citation:SUNY,PENGH,JIANGJJ,etal.,2023.DevelopmentofTY-serieshigh-precisionvolumetricstraingauge:AnalysisandapplicationofitsseismicreflectioncapabilityJ.JournalofGeomechanics,29(3):324338.DOI:1
2、0.12090/j.issn.1006-6616.20232903TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用孙尧1,2,3,彭华1,2,3,姜景捷1,2,3,马秀敏1,2,3,4,郝飞1,2,5,张斌1,2,3SUNYao1,2,3,PENGHua1,2,3,JIANGJingjie1,2,3,MAXiumin1,2,3,4,HAOFei1,2,5,ZHANGBin1,2,31.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081;2.自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站,北京100081;3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,北京100081;4.北京科技大学土木与资源工程学院
3、,北京100083;5.中国地质大学(武汉)地质调查研究院,湖北武汉4300741.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Observation and Research Station of Crustal Stress and Strain in Beijing,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;3.Key Laboratory of In-situ Stress Measurement
4、 and Monitoring,China Geological Survey,Beijing 100081,China;4.School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;5.Institute of Geological Survey,China University of Geosciences,Wuhan 430074,Hubei,ChinaDevelopment of TY-series high-precision
5、volumetric strain gauge:Analysis and application of itsseismic reflection capabilityAbstract:The article reviews the development of the volumetric borehole strain gauge.In response to the currentproblemsofinsufficientstabilityandbandwidthandlowcalibrationaccuracyofthevolumetricstraingauge,aTY-2B-typ
6、esmallvolumetricboreholestraingaugewasdevelopedwithinnovativeimprovementsinthehydraulicsensor,controlcircuit,and calibration method.The improved hydraulic sensor improves the accuracy and reduces the instrumentsvolume;theimprovedcontrolcircuitincreasesthesamplingrate,bandwidth,andtheinstrumentsstabi
7、lity;theinnovativepiezoelectricceramiccalibrationtechnologyraisesthereliabilityofthemonitoringdata.ThetestresultsshowthattheimprovedTY-2Bvolumetricstraingaugehasalowpowerconsumptionoflessthan3W,goodlong-termstability,highsensitivitywitharesolutionof10-11,andsuitablehigh-frequencyandlow-frequency.Ith
8、asasamplingrateof100Hzandcanacquirecompleteseismicstrainwaveformswithpreciseandstablesolidtidewaveforms.Itissmallandlight,withareducedouterdiameterof89mmfor100mmdrilling,alengthof1300mm,andaweightof45kgforeasytransportandinstallation.After15yearsoflaboratoryandfieldstationtesting,itobtainedgoodmonit
9、oringdataanddemonstrateditshighlysensitiveseismicreflectioncapability.TheobservedresponseofthevolumetricstrainstationinthenorthernsectionofLongmenMountaintothe2010Yushuearthquakeandthe2023TurkeyearthquakeshowsthattheTY-serieshigh-precisionvolumetricstraingaugeisnotonlyastaticstraingaugebutalsoabroad
10、-frequencystrainseismographwithdynamic-staticcalibrationcapability.Ithasauniqueadvantageoverpendulumseismometersinthatitcanobserveboththelong-termslowdeformationandaccumulationofdeformationintheearthscrustandthetransientsubtlefeaturesofcrustal基金项目:中国地质调查局地质调查项目(DD20230249,DD20230014,DD2019290,DD2022
11、1644);中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目(DZLXJK202106)ThisresearchisfinanciallysupportedbytheChinaGeologicalSurveyProjects(GrantsDD20230249,DD20230014,DD2019290,DD20221644)andtheBasicResearchFundsoftheInstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences(GrantDZLXS202106).第一作者:孙尧(1983),男,博士,助理研究员,从事地震学、地应
12、力测量和监测等方面研究。E-mail:通讯作者:彭华(1964),男,博士,研究员,从事地应力、地应力测量和监测、地学仪器设备研制、岩石力学等方面研究。E-mail:收稿日期:20230228;修回日期:20230519;责任编辑:吴芳第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023rupture and deformation.The long-term trends of the monitoring curves obtained from the Qingchuan Hanzhongvolumetricstrains
13、tationssincetheWenchuanearthquakeandtheGuangzhoustationsince2021areconsistentwiththeregional geological characteristics reflected by the seismic and tectonic geological data,indicating that the TY-2Bvolumetricstraingaugecanmeettheneedsofgeologicalscientificresearchandgeologicalhazardobservation.Keyw
14、ords:broad-frequency strain seismograph;seismic refletion capability;borehole volumetric strain gauge;crustaldeformation;earthquake摘 要:文章综述了钻孔体应变仪的发展历程,针对体应变仪目前存在的稳定性和带宽不足、标定精度低等问题,创新与改进液压传感器、控制电路、标定方法等技术,研制出 TY-2B 型钻孔体积应变仪。改进的液压传感器提高了仪器精度,缩小了仪器体积;改善了控制电路,提高了仪器采样率、带宽及稳定性;创新的压电陶瓷标定技术提高了监测数据可靠性。测试结果表明
15、改进型的 TY-2B 型体应变仪功耗低,小于 3W;长期稳定性好;灵敏度高,分辨率达到 1011;高频特性和低频特性好,采样率 10100Hz,可采集完整地震应变波波形,固体潮波形清晰稳定;体积小重量轻,外径缩小至 89mm,适用于100mm 钻孔,长度 1300mm,重量 45kg,运输和安装方便。经室内检验、野外台站 15 年的测试,获取了良好的监测数据,体现了高灵敏的映震能力,龙门山北段体应变台站对 2010 年玉树地震及 2023 年土耳其地震的观测响应表明 TY 系列高精度体应变仪不仅是静态应变仪,还是宽频应变地震仪,具有动静态标定能力,且相对于摆式地震仪有着极宽响应频带的独特优势,
16、既可以观测地壳长期缓慢变形及其积累的特征,还可观测地壳破裂变形的瞬态细微特征。汶川地震以来青川汉中地区体应变台站及 2021 年以来广州台站获取的监测曲线长期变化趋势与地震、构造地质等资料所反映的区域地质特征相符,表明 TY-2B 型体应变仪可在地球动力学研究、地质灾害预测预警等领域推广使用。关键词:宽频应变地震仪;映震能力;钻孔体应变仪;地壳变形;地震中图分类号:P315.72+7;P716+.8文献标识码:A文章编号:10066616(2023)03032415DOI:10.12090/j.issn.1006-6616.202329030引言地应力是存在于地壳中的基本作用力,地壳表层和内部
17、发生的各种构造现象及其伴生的各种地质灾害都与地壳应力作用密切相关。对地壳应力及其相关地球物理现象的观测与研究已成为揭示板块驱动机制、块体相互作用、断裂活动、地震发生过程等内生地质作用的关键因素。地应力监测是探索内动力地质灾害预测预报的有效方法和途径。Sacksetal.(1978)认为,对内动力地质灾害(如地震)的成因有了充分的了解,并有足够灵敏和稳定的应变仪,就能够探测和诊断出地震前应力场的变化,实现预测或预报的可能。应变仪是研究地壳内部动力学过程及内生地质灾害监测的主要工具(Sacksetal.,1978;Lindeetal.,1996;Roeloffs,2006;张凌空和牛安福,2008
18、;邱泽华 等,2012;Takanamietal.,2013;Bonaccorsoetal.,2016;邱泽华,2017;BarbourandCrowell,2017;全建军 等,2021;孙 艺 玫 等,2021;娄 家 墅 和 田 家 勇,2022)。由于应变近似以距离的三次方衰减,因此应变和应变率感测仪器需要很高灵敏度,达到1091011(为单位应变),通常要用长基线应变仪测量,如基线长度数百米至数千米的激光干涉应变仪,要减少环境温度对测量结果的影响,需要埋设在地下或安装在地下隧道中、占用的场地较大,这限制了长基线应变仪的应用。而短基线的钻孔应变仪安装在数十至数百米的钻孔中,温度长期稳定
19、、地层吸收了电磁干扰和地表噪声干扰,安静的观测环境提高了信噪比,测量灵敏度可达 10101011。短基线钻孔应变仪达到了与长基线应变仪一样的灵敏度,而且尺寸小、占地少容易安装,近年来,短基线钻孔应变仪得到了广泛的应用(苏恺之,2003b)。体积式应变仪(简称体应变仪)是最早投入应用的应变仪类型之一,至今有 50 年的历史(Allen,1972),目前体应变仪在全球现役的应变仪数量中仍然占有一定的比例。20 世纪 80 年代,该仪器在中国、日本和美国这 3 个国家中也不约而同地成为应力应变观测的主导型仪器,主要因为其技术原因,即体应变仪的力学原理相对较为简捷,对岩石及胶结水泥状态的依赖性相对较低
20、,易于取得较为可靠的观测资料。因此,日本在发展陆地及海下深钻井观测工作中仍以体应变仪为主要设备(苏恺之,2003b)。早期的钻孔应变仪是液位式的,测量第3期孙尧,等:TY 系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用325原理类似热膨胀温度计,测量机构为波纹管和位移传感器,采用杠杆机械放大装置,需要较大的感应舱,仪器整体长度 68m,不锈钢外壳和芯柱,在实验室一体化组装后不能拆卸,体积和重量大,不利于运输;但其结构简单,工作稳定可靠,在美国和日本至今仍然是地壳应变测量的主要仪器(Gladwin,1984;Furuya and Fukudome,1986;Furuya et al.,1991)。8
21、0 年代,中国在引进国外仪器的基础上研制了液压式体应变仪并加以改进,采用液压传感器,并采取增加芯柱、减少硅油体积、提高整体液压刚度方法,使小体积感应舱也能获得较高的应变电压输出,进一步推进了体应变观测的轻便化。迄今为止体应变仪在小型化和提高灵敏度方面有着较大的进展,但仍存在一定的不足,例如应变仪稳定性和带宽尚需进一步提升,标定技术需要进一步改进,尤其是热标定装置,其原理不可靠且精度较低。目前迫切需要研制一种稳定性高、频带宽、标定精度高、适宜国内地质钻探常用的小口径钻孔的高灵敏度小型化体应变仪,应用于地震观测、断裂活动监测等地球科学领域,以满足地球动力学研究、地震预测、断层及岩土工程稳定性研究的
22、需要。文章针对体应变仪存在的稳定性和带宽不足、标定精度低等问题,介绍了中国地质科学院地质力学研究所(以下简称地质力学所)在研制 TY-2B 型小型钻孔体积应变仪的过程中,通过创新改进液压传感器、控制电路、标定方法,缩小仪器体积、提高仪器精度、采样率、带宽、稳定性及监测数据的可靠性;并在龙门山断裂带北段、粤港澳大湾区等关键构造带、重要经济区投入测试及应用,进行深部断裂活动引起的应力应变信号监测,以期更好为灾害预测预警及地球动力学研究等地球科学领域提供服务。1钻孔体应变仪的国内外现状Benioff(1935)根据液体膨胀测量温度的启示提出了体应变仪的原理(图 1a)。应变仪由充满液体(硅油、煤油、
23、水)的感应腔(容器)、可伸缩波纹管和位移传感器构成,感应腔体积变化时液体可自由进入波纹管,波纹管上连接的位移传感器可直接测出下部感应腔的体积变化,波纹管将体积变化转化为线位移,如果感应腔足够大且波纹管截面积足够小,理论上将达到很高的灵敏度。Benioff 的试验装置感应腔体积为 30L,测试其灵敏度在 0.1Hz 采样率下达到 1012,这在当时已达到很高的水平。同时这种应变仪也是一种很好的线性应变地震仪,可以用来观测地震(Benioffetal.,1961)。Sacks 和 Evertson(Sacks et al.,1971;Evertson,1977)在 Benioff 体积应变仪的基础
24、上进行了改进,研制成功了钻孔应变仪,并安装在 DTM-CIW(美国华盛顿特区卡耐基研究所地磁部)。应变仪呈圆柱状,由上下两个空腔构成。上部空腔保留有空气层,形成一个相对稳定不变的压力基准;上下腔体间采用一根长 25mm,直径为 0.1mm 的针管沟通,使上下腔体缓慢实现压力平衡,相当于一个高通液压滤波器。当感应腔感受地层介质体积的变化,高频应变信号在压力传感器上产生压力信号输出,这种体应变仪尤其对地震波高频段应变较敏感。这种应变仪测量的是相对变化,不能测量低频应变信号,又称滤波型应变仪,实际上是应变地震仪,无法感知应变积累(图 1b)。而真正实用的应变仪是卡内基研究所和德州大学奥斯丁分校联合开
25、发的一种新型的液位式体应变仪,又称 Sacks-Evertson 体应变仪,具有较高灵敏度和较宽的频率响应(图 1c)。液位式体应变仪是一个充满硅油液体的不锈钢筒型容器,在感受到地层岩石传递来的体积应变时,钢筒体积发生微小变化,在压力基本不变的情况下,液体自由进出波纹管,使其产生与筒内体应变同步变化,连接在波纹管顶端的位移传感器来测量体积变化,通过测量位移来达到钻孔体应变的高精度测定。为了提高灵敏度,早期的应变仪体积较大,感受筒直径为 108mm,长度超过 6m,在波纹管后方增加了机械放大装置,驱动差动变压器位移传感器,同时增设高灵敏弯曲压电陶瓷片进行微小位移测量。探头安装在岩石钻孔中,钻孔直
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