0 引言

上海市深井地震综合观测系统计划在上海市行政区内建设27个深井综合地震观测站，每个站点深井中拟安装地磁仪、应变仪、倾斜仪、测震仪、孔隙压仪、地温仪、水温仪、水位仪，地表安装强震仪和GPS，总计10种测项。目前第1阶段工程已经建设完成浦东张江和崇明长江农场2个综合深井观测站，进入试运行验收阶段，根据综合深井观测系统计划，第2阶段将在上海市内建成9—10个综合深井观测站。

综合深井观测中应变观测是1项重要手段，利用蠕变方程，使用ANSYS有限分析软件进行数值模拟分析，在理论上验证上海地壳应变监测能力，证明综合深井观测手段的必要性，为综合深井第2阶段建设提供理论依据。

1 介质参数

地壳长期应变速率为10^-7/a（刘峡等，2010；张国民，2001），因此，考虑利用ANSYS有限元软件进行数值模拟分析，对上海市综合深井第2阶段将将建成的9个观测点应变监测能力在理论上进行初步探索。

上海地处扬子准地台浙西—皖南台褶带和下扬子台褶带北东延伸部分，新构造分区属苏北—南黄海沉降区苏锡沪缓慢下降区。全区第四纪沉积覆盖厚度300—400 m，浅部地质构造复杂，块体运动较为稳定，将上海市区域作为弹性块体处理，根据该区域真实面积即：X方向80 km，Y方向80 km，深度为达到地壳底部的33 km的大小建立模型。根据上海市区域壳内反射波P₁、P₂所确定的C₁、C₂反射界面，将该地区地壳分为上地壳、中地壳和下地壳（姚保华等，2007），分层及各层介质参数见表 1。

2 三维有限元模型建立 2.1 边界条件

张培震等（2002）利用1991—2001年300多个GPS统一速度场，分析中国大陆主要块体运动状态，通过计算遍布华南地块22个GPS站的数据得出华南和东南沿海整体向东和南东东方向运动，上海地区向东的运动速率为（11±1.5）mm/a，认为：华南和东南沿海地区在新构造运动上属于比较稳定的块体，内部无重要差异运动。该结果表明，上海和周边地区之间水平新构造运动较稳定，在此主要考虑上海市区域内相对变化状况，不涉及华南块体运动状态。因此，在建立边界条件时，不考虑周边区域对上海市区域的水平构造力、固定模型4个侧面法向自由度及底部岩体的Z方向。

2.2 荷载施加

考虑块体自重，把上覆土层压力作为面压力载荷施加在模型上，考虑到实际地块在长期荷载作用下的流变特性（吕爱钟等，2008；阎岩等，2010），在有限元计算中采用满足幂指数的粘弹性单元，参考（陈孝珍，2007）《弹性力学与有限元》书中相关内容，蠕变方程为：ε = Aσⁿ，其中A、n为常数，具体参数选取见表 1。

2.3 方案设计

根据边界条件及蠕变方程，建立上海市地区三维有限元模型，并进行网格划分，见图 1。在图 1中4个椭圆标记处分别施加应变量绝对值小于10^-7的随机量，代表模型中某个区域产生的10^-7应变，9个空心方形点则代表理论上在上海区域内均匀布设的9个综合深井站点的位置。

3 结果分析

上海地区三维有限元模型建立后，为确保结果的代表性，施加5组随机量，利用ANSYS有限元数值模拟分析软件，根据上述模型和方案设计，得到各个站点应变状况，任取1组随机量进行分析。随机1所得X、Y、Z方向的块体应变结果见图 2—图 4。

5组随机量所得9个测点X、Y、Z方向的应变统计结果见表 2。从表 2可以看出，X、Y、Z方向的应变量绝对值范围在10^-7—10^-10，最大应变量为随机3中3号测点X方向，大小为4.25×10^-7，最小应变量为随机2中9号站点X方向，大小为-3.99×10^-10。

图 5为1号测点随机5所得X、Y、Z方向应变随深度的变化。从3条曲线可以看出，由于岩石不均一造成的分层现象，使得X、Y方向的应变量随深度增加而增大，而Z方向则随深度增加而减小至成一直线。其他几组随机量变化规律具有同一性，在此不再赘述。

4 讨论

综上所述，经对上海地区建立三维有限元模型，通过5个绝对值小于10^-7的随机形变量，得到9个站点X、Y、Z方向的应变量绝对值范围在10^-7—10^-10，当岩石有分层时，X、Y、Z方向位移量随着深度增加而变化。对于综合深井应变观测而言，观测精度可以达到10^-9—10^-10，在上海市目前地壳运动水平下，综合深井地震观测系统第2阶段能获取地震活跃期地壳形变信息，应变手段可以更好记录上海地区地壳应变变化。

由于上海地区三维有限元模型建立在相对理想状态下，所得结果可能存在偏差，但仍能反映一些问题。考虑到仪器自身应力变化对观测数据可能产生的干扰，高采样率应变仪是否可以通过数据后期处理方法，解决应变仪机械零件自身应变问题，值得思考。