* 我国井下应力应变观测的发展史

硐室应变仪可以连续记录地层应变活动并具有比大地测量更高的测量分辨率而为地球科学家重视。在我国和日本已建设了约一百五十个山洞硐室应变观测站。但开凿山洞费用很高，选择合适的山洞观测站还受到地理条件的诸多限制。钻孔应变观测成为应变观测的发展方向。

我国开展钻孔应力应变观测的主要目的是地震预报。李四光认为构造地震是地应力逐步集聚增强，超过强度极限时岩层发生断裂错动所致。他在1966年就提出了“打钻到岩石中去测量地应力的变化，研究这个变化的过程”的思路。在他指导和组织下，数学力学家们负责研究钻孔应力应变测量的弹性力学原理，推导观测到的孔径变形量与钻孔所在地块主应力、主应变及作用力方向关系的公式。工程技术人员组成仪器试制组设计、制造仪器。研制出了采用空孔法安装的“电感地应力仪”。这种仪器需要将电感径向测微传感器两端顶紧在钻孔内壁直径的两端。从电感元件接出的测量电线只能靠橡胶密封防水，防水能力较弱。

一种新型仪器的研制成功很少是一帆风顺的。这种采用空孔法安装的“电感地应力仪”因为防水能力差造成绝缘电阻降低，抗干扰能力弱等缺陷，仪器观测不到能检验仪器客观性能的固体潮、观测结果无法解释而被逐渐淘汰。

从70年代中期到80年代中期不到十年时间里，我国科学家与国外学者大致同步地开展了新型钻孔应变仪的研制，研制出了4种经过科学鉴定，有独立知识产权的钻孔应变仪。其中有体积应变仪和3种多分量应变仪（一种弦频式，两种电容式）。这段时间是我国钻孔应变技术发展的黄金时期。参与的研究者，有在中国科学院力学所、国家地震局地壳应力研究所科研单位的研究人员，也有地方地震局内和局外的学者和工程技术人员。

今年欧洲地球科学年会钻孔应变观测专题组会议上，美国的主要召集人、PBO钻孔应变观测负责人，把我国参会代表的报告放在第一位发言，还主动提出要与我们开展合作，这是承认我国钻孔应变观测先进性的表示。我国如果开展钻孔应力应变观测网络建设，将拥有世界领先的性能，且无须进口国外应变仪器，当年承担地震预报攻关研究重任的李四光对地应力测量的科学思路与有力的组织领导无疑起着十分重要的导向和支撑作用。

地壳岩层中应力、应变值的测定分两类：绝对值测定和相对变化量测定。

绝对值测定用的方法主要有水压致裂法、套芯应力解除法。绝对值测定被广泛用于工程建设中测量岩体的应力数值及方向。每作一次测量，需要重新安装测量元件，水压致裂法则将钻孔压裂，无法取得时间上连续的数据流。

这里介绍的钻孔应变观测方法测量的是两个时刻间应变的相对变化量。从这些测量数据，不能了解岩层应力应变的绝对值。要了解绝对值，并掌握其变化，就要在钻孔中先用套芯应力解除法测出安装探头处岩层的绝对值后再安装相对观测仪器。即将两种测量方法相结合。

* 体积式钻孔应变仪问世

上世纪60年代末，美国卡奈基研究所的萨克斯（Sacks）和德克萨斯大学的埃弗森（Evertson）合作研制出世界上第一台实孔法安装的钻孔体应变仪。萨克斯体应变仪达到了1×10^-10的应变分辨率，并有良好的稳定性。整个观测系统的零漂可小于3×10^-9∕日。仪器很快被地震学家们布设到地震试验场和有地震危险的地区监视地震活动。萨克斯-埃弗森体应变仪目前已经安装在美国、日本、秘鲁、中国、南非、冰岛、意大利等多个国家，其中一些被用于矿山采矿安全的监视。

萨克斯体应变仪是利用岩石中的应变变化导致仪器内液位高度变化进行测量的仪器。该仪器是在一个长4米，直径11厘米的不锈钢圆筒容器中注满硅油，埋进岩孔，用膨胀水泥把它与岩层固结起来，并选择圆筒壁厚使圆筒的视刚性与围岩近似相等。圆筒体积减小时，硅油由圆筒上端细管挤出，与细管连接的薄壁波纹管随之伸胀，由差动变压器位移传感器测出其伸胀量可得到岩体的体积变化值。（图1）是萨克斯体应变仪的原理剖面图。

图1. 液位型体积式应变仪的结构示意图

1.主波纹管；2.双压电陶瓷片；3.差动变压器；4.副波纹管；

5.差动千分尺；6.步进电机；7.热标定电阻丝e；8.电磁阀门；

9.隔板；10.硅油；11.金属芯棒；12.弹性筒；13.氮气或氩气

（图1）中巨大的金属芯棒（11）占据了弹性筒内体积的绝大部分。金属的体胀系数比硅油小两个数量级，大部分不变的体积由温度膨胀系数小的金属占据，体应变仪整体的温度系数就大大减小了。在当时萨克斯公布的体应变仪结构原理图中，弹性筒内部并无金属芯棒而是充满了硅油的，我国研究人员通过实验和理论分析揭破了这一奥秘，制造出了具有高性能指标的国产体应变仪。

当体应变变化超量程时，通过开启电磁阀门（8）可使波纹管和传感单元恢复至初始平衡位置。

体应变仪的标定采用热标定方法，将一小段电阻丝浸于液腔室内，标定时用脉冲电流供电5秒钟。热效应造成液体体积膨胀为：

             ΔV＝W•t•α∕Cρ

式中W为加热功率，t为通电时间，α为硅油的热膨胀系数，C为硅油的比热，ρ为硅油密度。毫瓦级的热功率通电数秒钟，可产生10^-10量级的体积变化。由此可检查传感单元、波纹管及液腔的性能是否变化，检查仪器灵敏系数是否稳定。

体积应变仪能以10^-10的高灵敏度，清晰地记录应变固体潮、地球脉动、地震波及地震时的应变阶。地震应变阶提供了震后应力场调整的重要信息。硐室应变仪悬挂的测长基准杆容易受到振动影响，难以记录到真实的应变阶信息。比较耐震的体应变仪成为记录应变阶的优选仪器。布设的体应变仪还从观测资料中发现了“慢地震”现象。

一直忧虑东京地区地震安全的日本地震学家引进了该项技术，于1974年在东京周围建起了有31台体应变仪的监测网。

萨克斯体应变仪探头长度达5米以上，设计的初衷是考虑与岩石的接触面大，可降低岩石地层不均匀性对测量结果的影响。由于薄壁波纹管不能承受侧向力，探头不能卧倒，始终要处于直立状态，使探头运输十分不便。（图2）

图2. 美国安装体积应变仪器的现场照片

*  我国独立开发研制出有自己特色的钻孔体应变仪

我国地震科学家也独立开发研制出了有自己特色的钻孔体应变仪，并作了不少改进。如提高传感系统灵敏度，将探头长度从5米缩短到1.3米，实现了探头尺寸的小型化，记录数据的质量并没有降低。其中关键在于选择完整的安装岩体，岩层整体性不好，多大的探头也不能记录到好资料。

为了在我国应用体积式钻孔应变仪器，必须降低探头的长度（高度），以解决长途运送等实际困难。经过多方的理论探索和试验，中国地壳应力研究所的苏恺之教授终于在上个世纪九十年代初研制成功了中国式的“液压型体积应变仪”。

由于改用了液压传感器，取代了原有的软波纹管、小孔滤波器（防止突变信号对波纹管和传感器带来永久性伤害），和差动变压器三个元件。而液压传感器自身的变形量很小，因而它对于探头的长度没有过多的要求，即仪器性能与弹性筒长度的依赖关系很小，于是可以做成高度仅为1米的探头，方便了制作，运输和现场的安装。而它的特性和液位型的没有区别，带来了现场的安装不需要依靠钻机的优点。又由于工作部件少且没有活动部件，使得它的高频特性、抗震动能力等有明显提高。（图3）是液压型体积式钻孔应变仪的结构原理图。

图3. 液压型体积式钻孔应变仪的结构示意图

1-上密封盖；2-氩气；3-传感器；4-电磁阀门；5-硅油；6-标定电阻丝；7-硅油；8-金属芯柱

这样改进后的体积应变仪在全国已布设了数十台。

（图4） 右图是国产的小型化体应变仪探头正在下钻孔安装的照片，左图是早期的4米长的体应变仪。（图5） 是国产体应变仪在徐州台观测到清晰的固体潮汐记录与应变固体潮理论值的比较。

图4. 左图是4米长体应变仪；右图是改进后1.3米长体应变仪正下钻孔安装。

 图5. 徐州台国产体应变仪观测到的清晰的应变固体潮与理论值的比较。

体积式钻孔应变仪记录到了一些震前应变异常。

1985年11月7号，发生了菏泽5.9地震，震中距离190公里。震前2-1小时，电子电位差计记录到了两个张性的异常。记录到了地震波动和同震应变阶跃。此后台站的历年观测中从没有再次观测到类似形态的异常或是干扰，江苏省地震局核定认为该异常是可靠的。此后其他台站记录到的多数异常，也具有同样的规律特征：异常符号和同震应变阶跃的符号是相同的。（图6）是体积式钻孔应变仪器在江苏徐州地震台得到的第一个震前异常曲线。

图 6. 体积式钻孔应变仪记录到菏泽5.9地震前的体应变异常

     （徐州地震台，1985，11，7，电子电位差计曲线）

由于仪器都是单台布局，没有考虑科学事件观测需要多套仪器同步记录以确证事件的科学要求。这些异常没有得到可靠的”群组”数据，即一个地震之前有三个以上的相关台站得到了能相互呼应的曲线。记录到的多次异常成了难以肯定或否定的疑案。

    体应变仪只提供地层应变数据中的一个分量，要全面了解水平地层应变三分量数据就要依靠分量式钻孔应变仪。

下一篇将介绍我国独立研制的分量式钻孔应变仪的发展。