基于四层钻孔模型的体应变潮汐因子差异性原因分析

在钻孔应变观测的实际标定分析中,一般是通过对钻孔应变观测资料采用固体潮调和分析的方法直接获得钻孔面应变耦合系数,该方法未能充分反映观测的钻孔应变与地层应变之间的内在联系。本文基于“地层-等效弹性层-水泥环-钢筒”四层耦合介质钻孔模型,利用TJ-2C型体应变仪器的测量钢筒内外径和弹性参数、钻孔半径以及水泥环弹性参数,给出不同地层中钻孔耦合系数与钻孔等效弹性层弹性模量之间的变化关系。对我国现有运行的40多套TJ-2C型钻孔体应变观测资料的分析表明,潮汐因子分布范围在0.01至1.86之间,基岩为花岗岩类的潮汐因子均值为0.83,基岩为灰岩或砂岩类的潮汐因子均值为0.57,即硬地层中的潮汐因子高于软地层。基于对该四层模型探讨发现,等效弹性层的等效弹性模量大小反映了钻孔的耦合状态,对于同类型基岩地层,探头与地层耦合不佳将导致其等效弹性层弹性模量下降,进而导致钻孔潮汐因子下降。本文以砂岩弹性模量0.5 GPa作为判定钻孔耦合状态的下限,即认为等效弹性模量低于0.5 GPa时钻孔处于脱耦状态,统计结果表明我国现有钻孔体应变观测中有约30%的钻孔处于脱耦状态,这一研究结果对预报人员应用这些钻孔资料开展地震分析预报工作有重要指导意义。     

原地应力对钻孔应变耦合系数的影响分析

利用4层介质耦合钻孔模型,研究该模型中耦合介质弹性参数变化对钻孔应变耦合系数的影响。计算结果表明:在钻孔耦合介质中,弹性层等效弹性模量变化对面应变耦合系数的影响大于对差应变的影响,与观测结果对比,分析发现面应变耦合系数观测值存在明显非均匀性,而且其大小与台站的背景应力场存在对应关系。     

利用漳州深井4分量钻孔应变求测区应变场

利用漳州深井形变综合观测中的4分量钻孔应变观测数据,计算了测区的主应变大小和方向。计算得到的上下两个端面的主应变方位角都在170°附近变化,近东西向性质明显。与利用多个地震求解综合节面解推断出的构造应力场一致。     

岩石压应力传递系数计算及影响机制

钻孔应变观测是地壳岩石应变相对测量的主要方法，对其附加应力场的研究，可以有效分析岩石压应力向探头的传递过程，可对应变仪有关力学参数的设计和观测数据的物理解释提供帮助。考虑到外加应力在岩石、水泥和仪器钢筒等3层介质中传递的实际情况，根据弹性力学中的厚壁圆筒方程，推导轴对称应力作用下岩石压应力的传递系数公式，分析影响机制，并给出有关变化规律曲线和定量指标。     

钻孔耦合因素对引潮力标定的影响分析

利用多层厚壁筒组合的力学模型,分析介质力学性质变化对钻孔面应变耦合系数的影响。利用引潮力标定方法对观测资料的研究表明,"地层、水泥环和钢筒"模型不能完全反映观测条件,考虑原地应力卸载影响的四层介质耦合模型,与观测环境基本相符,可以对观测结果进行较合理解释,同时发现钻孔面应变耦合系数的大小与台站的背景应力场存在一定关系。     

中国四分量钻孔应变仪风雨历程四十年

论文讲述了作者参与的四分量钻孔应力仪的诞生和发展,向读者展示了它的研制到逐步成功的曲折历程,体现了四分量钻孔应力—应变观测给地壳形变观测在数据处理与思想方法带来的有意义的变化。在论文最后,结合21世纪初得到的四分量应变观测的震前异常资料,体会到勇于思考、勇于创新的科学理念,对于建设我国地形变观测体系,做出自己的特色,具有重要的现实意义。     

钻孔体应变与面应变观测井孔耦合系数的计算

钻孔应变观测系统（岩石、 膨胀水泥和应变仪钢筒）存在显著的井孔耦合效应,只有确定这一耦合系数,才能得到地壳岩石的真实应变值,从而实现不同测点数据的可比性．本文根据双衬套理论及弹性力学理论,建立了三维空间应力作用下体应变与面应变观测力学模型,并进一步推导各自井孔耦合系数计算式,发现两组系数与井孔的受力状况密切相关,分别与不同力源引起的应变信号相对应．亦即应力比（钻孔轴向应力与平面应力之比）不同,耦合系数也不一样,体应变随应力比的增大而下降,面应变则上升. 本文结果还表明平面应力作用下的耦合系数与外加应力无关,只与观测系统本身有关,故数值保持恒定. 此外,文中对其影响因素也进行了分析,结果表明,体应变和面应变的井孔耦合系数均随岩石弹性模量和泊松系数的增大而增大,且前者的幅度较大,井孔耦合材料水泥对二者影响均很小．      

怀来地形变综合台的地潮观测

阐述了怀来形变综合台的地倾斜,洞体应与钻孔应变等观测项目的台条件,仪器设备,观测管理与倾斜,线应变,体应变固体潮汐观测的精度评定。该台可与国内外知名台站媲美的优质台。     

地震地球物理观测台网地应变数据集

作为地壳形变监测的一种手段,地应变观测可监测微尺度下的地表应变变化,其分辨率一般为10-9。目前地震地球物理观测台网在网运行的洞体应变观测台站有111个,分量钻孔应变观测站59个,钻孔体应变测站有68个,产出数据包括原始观测数据、台站预处理数据和产品数据,可为地震研究、地球动力学研究提供重要的数据支撑。     

岩石压应力传递系数计算及影响机制

钻孔应变观测是地壳岩石应变相对测量的主要方法,对其附加应力场的研究,可以有效分析岩石压应力向探头的传递过程,可对应变仪有关力学参数的设计和观测数据的物理解释提供帮助。考虑到外加应力在岩石、水泥和仪器钢筒等3层介质中传递的实际情况,根据弹性力学中的厚壁圆筒方程,推导轴对称应力作用下岩石压应力的传递系数公式,分析影响机制,并给出有关变化规律曲线和定量指标。     

Observations of remote coseismic stress step-changes

The study on stress triggering and stress shadow is a frontier subject of current seismologic research. One of the problems presently encountered is the lack of reliable observation of real coseismic stress changes at locations remote to the epicenter. At Changping Station near Beijing, coseismic step-changes were recorded for the Mw6.3 Zhangbei quake on 10 January, 1998 and the Mw5.8 Zhangbei quake on 11 March, 1999, by a RZB borehole component strainmeter. Based on analyses of these recordings, this paper shows observed coseismic step-changes of the horizontal component of strain tensor. The strain step-changes reach the order of 10?8 and, correspondingly, stress step-changes reach as high as 10?4 MPa. The results are significantly higher than linear elastic theoretical values. However, as self-checking can be carried out with the 4 groups of data recorded by the 4-component strainmeter, it has proved that the results are reliable.     

Observations of remote coseismic stress step-changes

The study on stress triggering and stress shadow is a frontier subject of current seismologic research. One of the problems presently encountered is the lack of reliable observation of real coseismic stress changes at locations remote to the epicenter. At Changping Station near Beijing, coseismic step-changes were recorded for the M_w6.3 Zhangbei quake on 10 January, 1998 and the M_w5.8 Zhangbei quake on 11 March, 1999, by a RZB borehole component strainmeter. Based on analyses of these recordings, this paper shows observed coseismic step-changes of the horizontal component of strain tensor. The strain step-changes reach the order of 10^?8 and, correspondingly, stress step-changes reach as high as 10^?4 MPa. The results are significantly higher than linear elastic theoretical values. However, as self-checking can be carried out with the 4 groups of data recorded by the 4-component strainmeter, it has proved that the results are reliable.     

地应力测量的非弹性应变恢复法及应用实例

岩芯非弹性应变恢复法是近年来发展起来的比较经济有效的深部地应力测量方法,汶川5.12地震后,我国大陆首次将该方法应用于汶川地震断裂带科学钻的地应力测量.本文简述了该方法的原理、计算方法和汶川地震科学钻一号孔的典型结果.给出了一号孔在所测深度之处的三个主应力的大小和方向.三个主应力中,最大主应力和中间主应力近于水平,最小主应力近于直立.最大主应力方向为北西.在746 m深度,三个主应力的大小为25.2 MPa,21.5 MPa,18.5 MPa.这种应力状态可使龙门山断层产生逆冲兼右行走滑运动,与汶川5.12地震的断层运动一致.该方法得到的结果与震源机制解及其他地应力测量方法得到的结果吻合.测量结果表明,非弹性应变恢复法具有较大的实用价值.特别是在较大深度的钻孔和地层较破碎的复杂地质条件下,应力解除法、水压致裂法等难以实施时,此方法仍有可能获得较可靠的地应力数据,适应性更强.     

Burial stress and elastic strain of carbonate rocks

Burial stress on a sediment or sedimentary rock is relevant for predicting compaction or failure caused by changes in, e.g., pore pressure in the subsurface. For this purpose, the stress is conventionally expressed in terms of its effect: “the effective stress” defined as the consequent elastic strain multiplied by the rock frame modulus. We cannot measure the strain directly in the subsurface, but from the data on bulk density and P‐wave velocity, we can estimate the rock frame modulus and Biot's coefficient and then calculate the “effective vertical stress” as the total vertical stress minus the product of pore pressure and Biot's coefficient. We can now calculate the elastic strain by dividing “effective stress” with the rock frame modulus. By this procedure, the degree of elastic deformation at a given time and depth can be directly expressed. This facilitates the discussion of the deformation mechanisms. The principle is illustrated by comparing carbonate sediments and sedimentary rocks from the North Sea Basin and three oceanic settings: a relatively shallow water setting dominated by coarse carbonate packstones and grainstones and two deep water settings dominated by fine‐grained carbonate mudstones and wackestones.     

中国大陆与各活动地块、南北地震带实测应力特征分析

本文以"中国大陆地壳应力环境基础数据库"为基础,补充了迄今为止查阅到的中国大陆水压致裂法与应力解除法的实测地应力数据,在1474个测点上得到3586条数据,研究区经度范围75°E－130°E,纬度范围18°N－47°N,深度范围0~4000 m,基本覆盖了中国大陆的各活动地块与南北地震带各段等研究区.本文采用等深度段分组归纳的方法解决了实测地应力数据样本数量沿深度分布的不均匀问题,给出了中国大陆与各研究区地壳浅层测量深度范围内应力量值、方位特征.结果显示:(1)中国大陆地壳浅层最大水平应力、最小水平应力、垂直应力随深度呈线性增加;(2)中国大陆地区侧压系数随深度的变化特征为:浅部离散,随着深度增加而集中,并趋向0.68,D=465 m是水平作用为主导向垂直作用为主导的转换深度,K_av=1;(3)中国大陆水平差应力在地表为3 MPa左右,随深度增加以5.8 MPa/km的梯度增大;(4)在测量深度范围内,中国大陆各研究区最大水平应力中间值(深度为2000 m时的统计回归值)从大到小的顺序是:青藏地块63.6 MPa、南北带北段57.3 MPa、华南地块51.4 MPa、华北地块50.5 MPa、南北带中段47.9 MPa、西域地块47.5 MPa、南北带南段45.4 MPa、东北地块44.8 MPa,总体表现为"西强东弱"的基本特征,反映了印度板块与欧亚板块的强烈碰撞是中国大陆构造应力场强度总体特征的主要来源;(5)与其他研究区相比较,青藏地块地壳在从南向北的挤压作用下呈现出明显的"浅弱深强"特点;(6)最大水平应力方向的总体特征,基本以青藏高原为中心,呈辐射状展布,由西向东,从近N-S方向逐步顺时针旋转至NNE-SSW、NE-SW、NEE-SWW、NW-SE方向,与深部的震源机制解研究结果有一致性.     

基于单轴压缩试验的钻孔应变仪岩芯力学性质的研究

采用室内岩石力学试验方法—单轴压缩试验，对江苏省钻孔应变仪岩芯试样进行单轴压缩试验，通过应力-应变曲线特征和变形特性获取了钻孔岩芯的力学参数，定量化地了解和掌握钻孔岩芯性质；在观测资料的基础上计算面应变耦合系数，对比研究试样的单轴抗压强度和弹性模量与面应变耦合系数的关系。结果表明，弹性模量E对面应变耦合系数A有显著的影响，随着岩石弹性模量的增大，面应变耦合系数呈线性增长，二者具有很好的相关性。      

地壳形变深井综合观测技术的新进展

简要讨论了国内外钻孔应变观测技术近10年来的发展动态,分析了美、日技术的特点,然后,介绍了作者依据自身的技术积累,研制新型深井综合观测系统取得的进展。所研制的RZB型深井地壳形变宽频带综合观测系统采用数字化电容式位移传感器,具有噪声低、动态范围大的特点;基于井下数据总线技术,使得按不同要求进行观测系统集成非常灵活;通过完善井下探头安装工艺,提高了深井安装的质量。最后,对北京百善和福建漳州两个深井地壳形变综合观测实验站的建设及观测数据进行了讨论。     

地壳应变场观测中体应变与面应变转换系数的计算

将钻孔体应变仪与分量式应变仪的观测资料在面应变平台上进行整合,对于解决目前两种应变仪观测数据的评估、分析、处理和地震预报问题有实际意义．根据潘立宙-陈沅俊和Evertson理论及弹性力学知识,分别建立了平面应力作用下体应变和面应变观测的力学模型,推导了观测钻孔、空孔和无孔岩石体应变与面应变转换系数的计算公式,发现它们都可以归结为同一公式描述,差异仅在于k（体应变仪钢筒内壁或无孔岩石面应变与空孔岩石面应变之比）的取值不同．用Evertson理论推导的公式与空孔岩石情形相近,当岩石弹性模量为4times;1010——8times;1010 Pa时,二者都可以看成是对潘-陈公式的一种简化、近似计算;无孔岩石的情况则相当于在岩石弹性模量为1times;1010 Pa时对该式的一种估计. 文中结合实际情况对转换系数的各种影响因素进行了详细分析．