吳立恒 李 宏 陳 征 王文博 董云開

1 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京市安寧莊路1號，100085

目前鉆孔應(yīng)變儀技術(shù)已經(jīng)進入到深鉆井、多分量、寬頻帶的發(fā)展時期[1]。2012年在北京密云投入運行的RZB-3型鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)安裝深度為425 m，使得密云成為目前我國全孔基巖鉆孔中最深的一個地殼應(yīng)變連續(xù)觀測點。為解決深井觀測系統(tǒng)儀器無法同時滿足大量程和高精度的問題，本課題組早前研發(fā)了基于陶瓷馬達的量程擴展系統(tǒng)，并在系統(tǒng)上集成光柵傳感器，解決了系統(tǒng)原位標定的問題。量程擴展系統(tǒng)[2]和原位標定系統(tǒng)[3]如圖1所示，即通過微位移機構(gòu)使極板2能在極板1和極板3之間自由移動，使電容傳感器的工作點得以調(diào)節(jié)。高精度的微位移機構(gòu)集成光柵傳感器又為RZB鉆孔應(yīng)變儀提供了原位線性標定功能，高效解決了量程和原位標定問題，為RZB鉆孔應(yīng)變儀向千米深井應(yīng)用的推進提供了技術(shù)支撐。

圖1 量程擴展和原位標定系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of measuring range extension and in-situ calibration system

本套微位移系統(tǒng)與傳感器集成后可調(diào)量程為20 mm、標定精度為±0.1 μm、線性度為0.17 %，這些指標都通過了中國計量研究院校準。但鉆孔應(yīng)變儀長期連續(xù)地觀測數(shù)據(jù)，會受到觀測區(qū)域應(yīng)力場和儀器自身漂移的影響，表現(xiàn)出趨勢性變化[4]。而隨著時間的推移，該趨勢性變化必然會超出量程，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，應(yīng)對措施是通過調(diào)節(jié)電容傳感器極板2的工作點(零點)來擴展量程。后續(xù)微位移機構(gòu)自鎖穩(wěn)定性的維持、系統(tǒng)漂移量的測定都需要按照DB/T31.2-2008規(guī)范[5]的應(yīng)變儀漂移量測試方法展開實驗，從而判定具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀的進網(wǎng)可行性。

1 漂移量對比觀測實驗

地應(yīng)變的實際觀測數(shù)據(jù)中包含了區(qū)域構(gòu)造運動、儀器漂移、儀器安裝基礎(chǔ)變化、有用信號和外界干擾等信息，因此以實驗設(shè)備觀測期內(nèi)日均值漂移量的加權(quán)平均值作為儀器漂移的參考指標[6]。實驗設(shè)備中包含1個具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器及3個常規(guī)傳感器，常規(guī)傳感器選用的是已在臺站穩(wěn)定工作、能清晰記錄固體潮、為分鐘值輸出的同類型傳感器。目前具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀還沒有臺站應(yīng)用數(shù)據(jù)，因此用此設(shè)備在山洞內(nèi)開展對比觀測實驗，可初步了解RZB鉆孔應(yīng)變儀的穩(wěn)定性和漂移量性能。

為了解微動機構(gòu)對傳感器漂移量和穩(wěn)定性的影響，對2019-10-12河北崇禮地震臺山洞儀器墩上放置19-06#探頭的RZB鉆孔應(yīng)變儀展開傳感器對比觀測實驗，其探頭中安裝了具有量程擴展和原位標定功能的1號傳感器和3個(2號～4號)常規(guī)傳感器。此外，還安裝了氣壓和溫度傳感器用來觀測山洞環(huán)境參數(shù)。

2 定性對比分析

對比實驗記錄了2019-10-12安裝RZB鉆孔應(yīng)變儀后連續(xù)7 個月的觀測數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器山洞觀測曲線對比Fig.2 The observation curve of the RZB-type borehole strain by sensors in the cave

1)架設(shè)觀測前期。1號傳感器漂移量明顯大于2～4號傳感器，可能是微動機構(gòu)元部件較多、熱膨脹系數(shù)略大、材質(zhì)各不相同所致。因此，在架設(shè)初期，1號傳感器對山洞環(huán)境(特別是溫度)的調(diào)節(jié)幅度較大。

2)架設(shè)觀測穩(wěn)定初期。1號傳感器漂移量逐步減小，與2～4號傳感器變化基本一致，可能是由于山洞中溫度、濕度等非常穩(wěn)定，儀器逐漸完成熱平衡調(diào)整，漂移量逐步減少后趨于穩(wěn)定。此外，4個傳感器還記錄到了同步的干擾信號。

3)架設(shè)觀測穩(wěn)定期。1號傳感器漂移量極小，曲線近乎水平，而2～4號傳感器都存在小曲率的弧形變化，可能是由于1號傳感器微動機構(gòu)的蠕變小、自鎖性優(yōu)良、集成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

4)穩(wěn)定期分鐘值。取架設(shè)觀測穩(wěn)定期2020-04-01～07的分鐘數(shù)據(jù)(圖3、圖4)，由圖可見，4個傳感器具有同步的周期性變化，記錄到的信號存在日波和半日波，1號傳感器似乎還含有1/3日波。周期成分一般是巖層固體潮和大氣潮對儀器探頭共同作用的結(jié)果，由于該應(yīng)變儀的測試探頭只與大氣密切接觸，并沒有接觸到巖石，所以此應(yīng)變觀測曲線并不包含固體潮信息，只受到大氣潮或風(fēng)、溫度和水位的影響。根據(jù)經(jīng)驗可知，正常的臺站鉆孔應(yīng)變記錄中固體潮和大氣潮的變化幅度相當(dāng)，并不影響實驗設(shè)計的合理性與結(jié)果的正確性。

圖3 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器及溫度分鐘值Fig.3 The minute data curve of the RZB-type borehole strain by sensors and the temperature

圖4 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器及氣壓分鐘值Fig.4 The minute data curve of the RZB-type borehole strain by sensors and the air pressure

蘇愷之[6]提出，可用告別性的定性觀察來檢驗探頭是否合格，即在正式包裝前觀察大氣壓力波動和室溫起伏對探頭輸出的干擾情況。該技術(shù)的原理為大氣壓力波動對彈性筒產(chǎn)生的面應(yīng)變與應(yīng)變固體潮汐對鉆孔內(nèi)應(yīng)變儀產(chǎn)生的面應(yīng)變?yōu)橥涣考?，因此具有量程擴展和原位標定功能的1號傳感器與RZB鉆孔應(yīng)變儀常規(guī)傳感器一樣，能穩(wěn)定記錄到氣壓的微小波動，驗證了其高穩(wěn)定、高精度性能。

基于上述對比觀測實驗及分析可知，具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器在觀測穩(wěn)定期漂移量優(yōu)于其他3個傳感器，且分鐘值數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)良。

3 日漂移量計算

根據(jù)DB/T31.2-2008規(guī)范[5]應(yīng)變儀漂移量測試步驟，對架設(shè)觀測穩(wěn)定期2019-10～2020-05的觀測數(shù)據(jù)進行日漂移量計算，結(jié)果如表1和圖5所示，其中10月數(shù)據(jù)時間為2019-10-12～31。

表1 日漂移量計算值

圖5 RZB鉆孔應(yīng)變儀各傳感器日漂移量Fig.5 The daily drift curves of the RZB-type borehole strain by sensors

由表1和圖5可見，具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器在架設(shè)前期漂移量較大(10-7應(yīng)變量級)，隨后各月日漂移量逐漸減小至10-8應(yīng)變量級，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，與常規(guī)RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器日漂移量量級一致且數(shù)值更小，符合儀器進網(wǎng)要求。

4 結(jié) 語

通過對具有量程擴展和原位標定功能的RZB鉆孔應(yīng)變儀傳感器進行山洞連續(xù)觀測實驗，完成漂移量定性對比和日漂移量定量計算，證明該傳感器具有高精度和穩(wěn)定性，初步確定了其進網(wǎng)的可行性。