跨断层形变自动化观测技术的研究与应用

第23卷第2期岩石力学与工程学报23(2)：261～2662004年1月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJan.，20032003年5月19日收到初稿，2003年7月3日收到修改稿。*科技部社会公益专项资金资助项目(2001DIB20110)。作者王建军简介：男，1964年生，硕士，1989年毕业于山东矿业学院(现山东科技大学)采矿工程系采矿工程专业，现任研究员，主要从事岩石力学与工程安全监测、诱发地震和防震减灾等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]。跨断层形变自动化观测技术的研究与应用*王建军(中国地震局地壳应力研究所北京100085)摘要大地震引发的断层错动已为人们所熟知，而断层蠕滑造成的地质灾害也逐渐受到更多的关注。断层活动速率变化异常与地震的孕育存在一定的关系。断层蠕滑变形对核电站、水库大坝、城市生命线工程、大型和高层建筑的安全是一种潜在威胁。跨断层形变自动化观测技术为断层现今活动性研究、地震监测预报和工程安全评估提供了有利条件。地壳应力研究所于20世纪60年代末开发的光电型断层变形测量系统，采用了以CCD器件为核心部件的位移传感器，测量精度高、量程宽、无电学漂移，为连续精确地观测断层活动参数提供了可靠的工具。关键词地质力学，地震，断层形变，观测技术，地质灾害分类号P315.7文献标识码A文章编号1000-6915(2004)02-0261-06TECHNIQUESTUDYOFACROSS-FAULTDEFORMATIONMEASUREMENTANDITSAPPLICATIONWangJianjun(InstituteofCrustalDynamics，ChinaSeismologicalBureau，Beijing100085China)AbstractFaultdislocationduetolargeearthquakeisknownverywellbypeople，andgeologicdisastersinducedbyfaultcreepgetmoreattentionsgradually.Thereisarelationshipbetweentheseismogenicprocessofearthquakeandaabnormalvariationoffaultcreeprate.Thedeformationoffaultcreepispotentialthreateningtothesafetyofnuclearpowerplant，damofreservoir，lifelinesystemsofacity，largeandhighbuildings.Thetechniqueforautomaticmeasurementoffaultdeformationisofadvantagetoinvestigationinpresent-dayfaultactivity，earthquakeobservationandprediction，andengineeringsafetyevaluation.ThephotoelectricsystemforfaultdeformationmeasurementwasdevelopedbytheInstituteofCrustalDynamicsattheendoftheninetiesofthelastcentury，withhighprecision，largerangesandnoelectricitydrift，whichadoptedadisplacementsensorwithchargecoupleddevice(CCD)asthekeycomponents.Thismeasurementsystemisreliable，too，forfaultmovementobservationaccuratelyandcontinuously.Keywordsgeologymechanics，earthquake，faultdeformation，measurementtechnique，geologicdisaster1引言断层形变包括伴随大地震发生的断层错动变形和缓慢蠕滑变形(蠕变)两部分。断层蠕变虽然不会产生地震，但断层蠕变速率变化与地震的发生存在一定的关系。大量研究表明，地震发生前断层蠕变会出现低速率异常，而震时或震后断层会发生高速蠕动。因此，跨断层形变观测技术已被广泛应用于观测活动断层的蠕变运动特征及研究断层蠕变与地震的关系。断层蠕滑变形造成的地质灾害也不鲜见。如坐•262•岩石力学与工程学报2004年落在美国圣安德烈斯断层带上的霍利斯特镇酿酒厂的篱笆围墙由于断层缓慢错动发生了可观的横向位移；我国明代修建的长城在宁夏石嘴山市红果子沟处被断层缓慢错断达1.45m；西安市由于断层活动和地下水的综合作用，70年代地表开始出现地裂缝，造成建筑物毁坏、道路拱起或塌陷、地下管道被错断。断层蠕滑变形对核电站、水库大坝、城市生命线工程、大型和高层建筑的安全是一种潜在威胁。60年代初，根据地震研究的需要，我国开始了跨断层形变观测工作。初期阶段采用大地测量仪器在露天人工施测，用基线尺观测水平分量，用水准仪观测垂直分量，通称短基线、短水准测量[1]。后来将一些测点的测量标志点建在室内，被称为定点台站，采用显微镜读数、固定仪器等措施以提高观测精度，缩短观测周期以期捕获较短周期信息。80年代我国引进氙光测距仪ME-3000，通过观测跨断层小图形的边长推算断层形变水平分量。80年代末引进全球定位系统GPS技术，从跨越断层两侧监测点的观测值提取断层形变信息[2]。90年代初欧洲推出的合成孔径雷达干涉(InSAR)技术，又为断层形变观测提供了新的途径。人工观测断层形变工作量大、观测周期长且有较多不确定因素影响观测精度。GPS观测水平变形观测精度可达亚毫米级，而垂直变形观测精度略低，还需要投入可观的人力、物力。InSAR技术应用于断层形变观测尚处于探索阶段，目前我国可以应用的SAR数据有限，并且只有地表垂直变形量累积到一定量级(10mm)才能保证一定的观测精度[3]。因此，跨断层形变自动化观测技术的开发受到重视，被广泛应用于地震前兆观测、地质灾害监测及评估断层现今活动对重大工程安全的影响，并取得了一些可喜的成果[4～12]。2跨断层形变自动化观测技术的发展美国地质调查局于60年代中期研制出因瓦丝(棒)式断层蠕变仪，并在南加州圣安德烈斯断层带上大量安装使用[13～15]，仪器通过埋入半地下管道内的因瓦丝跨越断层破碎带进行观测，跨距一般为20m，其观测精度分别为0.02mm(丝式)和0.5mm(棒式)。我国台湾研制了因瓦棒型断层蠕变仪并进行了试验观测，仪器跨距6～8m，直接安装在地表，观测精度0.01mm，量程50mm。中国地震局地壳应力研究所于70年代中期研制出第一代连续观测断层形变的仪器DY型断层活动测量仪，并在北京八宝山断层上第一次观测到临震前、震时和震后阶段全过程的动态资料。由于基础研究薄弱，在改进的仪器问世后DY型仪器便完成使命终止应用。美国在70年代末期曾研制激光仪器并开展试验性观测，由于存在较大漂移等技术问题未能推广。80年代末期我国第一地形变监测中心研制出SY-3型石英管伸缩仪，90年代初期武汉地震研究所研制了DDW-S型伸缩仪和DDW-F型水管仪，却由于技术性能和可靠性方面存在问题而未能推广。以上是关于跨断层形变水平分量观测仪器的研制情况，而观测断层形变垂直分量要求在保证观测精度的基础上有足够宽的测量范围，因此，技术难度较大，未见国外有关于此类仪器的报道。为适应我国断层形变全分量观测需要，地壳应力研究所研制出连续观测断层形变垂直分量的仪器并形成了系列。在中国地震局“七五”、“八五”、“九五”几个五年计划期间，地壳应力研究所对断层形变自动化观测仪器的结构型式、基准建立方法、保持基准稳定的方法与技术、材料选择与应用、支点型式、浮子支撑方式、耦合方式、传感器技术、信息采集、抗御环境因子影响措施、相关理论和应用等方面开展了系统的研究，研制出连续观测断层水平和垂直形变分量的MD系列仪器[16]。最新推出的光电型观测仪器应用了先进的CCD技术和微电子技术，在技术性能与技术指标、智能化程度等方面都有突破性进展[17]。针对我国应用部门存在专业力量、供电条件等方面的差异，在推出数字化、智能化仪器的同时，还研制了易于管理、不需供电的纯机械式自动记录仪器，但测量原理基本相同。目前，我国用于连续观测断层形变的仪器包括观测水平分量(H)及垂直分量(V)两类，和纯机械式(A类)、应用模拟传感器(B类)和应用数字传感器(C类)3种类型，形成技术配套的系列化观测仪器系统，可针对不同观测目的和条件单独或组合应用，能实现3个方向(2个水平向、1个垂直向)的断层形变测量。3光电型断层形变观测系统简介3.1断层水平形变观测系统断层水平形变观测仪器应用比较法测量原理，以柔性金属线丝(超低膨胀系数、高抗拉强度的含第23卷第2期王建军.跨断层形变自动化观测技术的研究与应用•263·Nb超英瓦合金丝，以下简称悬丝)在确定张力下形成的弦长作长度基准，与2个被测参考点(测量标志点)之间的距离进行比较。若2个参考点之间的水平距离发生微量变化，其变化量经过力平衡系统传递至仪器首端，固定在悬丝上的位移标志框产生一定比例的水平位移并被位移传感器检测到，纯机械式仪器则由自记钟直接记录经机械放大的位移量。光电型观测仪器由首尾端机座、位移传递与力平衡单元、光学投影测量单元、标定与量程扩展单元以及机箱和保护装置等部分组成(图1)。仪器跨距为3～50m，灵敏度0.001mm，量程30mm(可扩展)。仪器的主体分别安置在首、尾机座上。首尾机座分别与首尾仪器墩刚性连接。首尾仪器墩是拾取变形信息的基础，分别与选定的被测参考点刚性耦合。位移传递与力平衡单元是仪器的核心部分，由悬丝、配重锤组的直角杠杆、组合交叉簧及其夹持装置构成的灵敏支点等部分组成。在悬丝长度(大于断层破碎带宽度，一般为3～50m)和重锤组参数确定后，重锤组的重力通过支点和直角杠杆为悬丝提供水平张力，使力平衡单元关于灵敏支点达到力矩平衡，这是为了使悬丝形成恒定的弦长。如图1所示，若尾墩向左位移ΔX，直角杠杆以灵敏支点为中心反时针转过相应的角度，竖直臂端部R90圆弧面导向块向左划过量值与ΔX相对应的弧形线段，在悬丝上固定的传感器位移标志框跟随相应地向左移动ΔX′(与ΔX成一定比例)。光学投影测量单元是仪器的位移检测传感器。由平行光源、可动标志物和CCD接收器3部分组成(图2)。线阵CCD器件(电荷耦合器件)为传感器的核心部件，由单片机实现CCD器件的程控驱动、信号处理和识别、细分、计算、通讯等功能。由LED点光源和凸透镜形成宽视场平行光源。传感功能通过“造影”和“测影”实现。光源发出的Y向平行光束，垂直投射到接收器的窗口上。标志物具有Z向直边缘并在X方向可动。标志物置于光路中，遮挡一部分光线，在接收器的窗口上形成其轮廓的暗影。由于光线平行，暗影的X向位移等于标志物的X向位移。CCD接收器可实时地将暗影的X向位置转换成数值电信号，以RS-485串行通讯方式传送给后续的计算机或数据采集器。仪器的标定与量程扩展单元在仪器正常工作期间起固定作用，使尾端仪器工作主体通过机座和仪器墩与被测参考点刚性耦合；在对仪器整体进行标定时，可由人工操作产生模拟位移，通过标准仪表校准仪器；在需要对仪器量程进行调整时，可以通过该单元对仪器工作量程进行等精度扩展。仪器的保护装置，一是用来限制仪器的工作范围，使仪器安全工作在线性区间，不致损坏仪器，二是防止仪器在运输过程中被损坏及运行中人为碰撞破坏仪器的工作状态。3.2断层垂直形变观测系统光电型垂直变形测量仪是用于观测断层形变垂直分量的专用仪器。应用把地球重力位面作为参考基准面的连通管原理，采用双端测量取差值的技术方案。仪器结构如图3所示，由完全对称的A，B2套测量