福州地震臺 TJ-2型體積式應變儀安裝及注水試驗

林國元

(福建省地震局水化學實驗站,福州 350025)

福州地震臺 TJ-2型體積式應變儀安裝及注水試驗

林國元

(福建省地震局水化學實驗站,福州 350025)

在安裝福州地震臺 TJ-2型體積式應變儀過程中,發(fā)現(xiàn)存在鉆孔選點與觀測室分開考慮等問題,提出一些建議。井孔注水試驗結(jié)果揭示,該井孔探頭頂部可能存在一個與探頭近距離的含水層干擾。初步對氣壓、水位、降雨影響進行分析。

TJ-2型;體應變;安裝;注水試驗

0 引言

我國目前已有數(shù)十臺 TJ-2型體積式鉆孔應變儀投入運轉(zhuǎn),全部清晰記錄到應變固體潮汐,多數(shù)臺站的應變固體潮汐記錄達到Ⅰ類形變地震臺的水平[1]。本文將福州地震臺 TJ-2型體積式應變儀安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題及解決辦法進行總結(jié),同時進行注水試驗,初步分析氣壓、水位、降雨對該鉆孔體應變的影響。

1 觀測井概況

福州地區(qū)位于華南地震區(qū)北部,東南沿海地震帶北段。觀測井地理位置為東經(jīng) 119°16″、北緯26°05″,位于八一水庫-螺洲斷裂構造帶的南段,大夢山邊坡上。場地原始地貌類型屬山前坡殘積臺地,其表層被第四系(Q4)所覆蓋,蓋層為碎雜填土,厚度為0.75m,為新近填土,時間大約10年,密實度及均勻性尚差;下部為二長花崗巖,呈灰白、灰黃、淺肉紅色、肉紅色,巖石成分主要由長石、石英和少量云母礦物組成。巖體總體較完整,巖芯呈柱狀,極少數(shù)為塊狀,局部節(jié)理裂隙發(fā)育,裂面大多呈閉合狀,并見有鐵錳質(zhì)渲染或綠泥石化現(xiàn)象,屬塊狀或裂隙塊狀結(jié)構,巖石強度高、結(jié)構致密,巖石顆粒硬度大,為堅硬巖,巖體基本質(zhì)量等級為Ⅱ類。

觀測井區(qū)地下水主要賦存和運移于花崗巖孔隙、網(wǎng)狀裂隙中,地下水類型主要為孔隙潛水,主要接受大氣降水的下滲補給,并通過蒸發(fā)及大致由北向南部低洼地段滲流排泄,鉆孔內(nèi)這部分地下水均已被水泥封止;基巖中二長花崗巖,局部節(jié)理裂隙發(fā)育,據(jù)鉆探揭露共有4個節(jié)理裂隙發(fā)育段(較破碎):10.46～11.99m,23.53～24.09m,37.73～38.11m,52.93～57.02m。鉆孔內(nèi)8h觀測穩(wěn)定水位埋深為7.30m。開口孔徑:150mm;終孔孔徑:130mm;孔深:83.2m(到套管頂)。

2 安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題

2.1 鉆孔選點與觀測室分開考慮

鉆孔位于福州臺大樓西側(cè),臺站在選點鉆孔時,并未確定觀測室。在儀器安裝人員到來之前,臺站準備了3個觀測室以供選擇:一是水質(zhì)觀測室,距觀測井最近,直線距離只有5m;由于該室存有酸堿且潮濕,沒有接地避雷地線,被否定。二是水位觀測室,距觀測井直線距離25m;該室沒有接地避雷地線,也被否定。最后選定信息室,距觀測井最遠,直線距離34m;該室有信息節(jié)點,有接地避雷地線,雖然距離遠,對信號傳輸及避雷不理想,是3個觀測室中最適合體應變觀測的。實際上,確定體應變觀測室,不僅要求觀測室干燥、沒有腐蝕氣體、與觀測井距離短,最好是有接地避雷地線或有其它避雷措施[1]。

2.2 計算電纜線長度太短

觀測室未定,上報廠家的電纜線長度只是一個估算值。在安裝時發(fā)現(xiàn)電纜線太短,用連接頭來連接2條電纜線。根據(jù)此次安裝認為計算電纜線長度為:井深+地面長度+接入觀測室長度+預留3～5m,室內(nèi)多余的電纜線太長容易引雷。

2.3 沒有制訂安裝計劃

福州地震臺 TJ-2型體積式應變儀安裝沒有制訂安裝計劃,在配合廠家安裝人員開展工作時,如何應對灌水泥和探頭下井過程中可能出現(xiàn)的問題,沒有應對措施。TJ-2型體積式應變儀安裝要制訂“安裝計劃”,并在安裝之前,進行注水試驗,了解注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù);進行模擬預安裝,及時發(fā)現(xiàn)存在問題。

2.4 有關鉆孔應變儀知識準備不足

在實際應用中,明顯感到學習地殼形變知識[2-3]不夠深入,對 TJ-2型體積式鉆孔應變儀的感性認識不足。應到已安裝 TJ-2型體積式鉆孔應變儀的臺站參觀學習,了解安裝整個過程,注意事項;要認真學習 TJ-2型體積式鉆孔應變儀說明書(廠家有電子版)。

3 注水試驗

3.1 注水試驗結(jié)果

2010年6月4日9時45分進行鉆孔注水試驗,根據(jù)體應變儀井孔注水試驗及推導公式1)中國地震局地殼應力研究所應變觀測技術課題組.體積式鉆孔應變儀短臨前兆學習研討會議文集[M].北京:中國地震局地殼應力研究所,2004:139-151.,計算結(jié)果如表1。Δh0:井孔水位在理想條件下的預計值;Δh:井孔水位實際上升值;η:注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù);ΔV/V:受注水影響的體應變值;W:井內(nèi)注水干擾系數(shù)。

表1 福州臺體應變儀井孔注水試驗結(jié)果表

3.2 注水試驗結(jié)果分析

由于η很小,表明井內(nèi)存在明顯的含水層或破碎帶,且含水層滲透性強,厚度大;以η約為0.085計算,含水層半徑R約為49.3m。根據(jù)鉆探資料,鉆探揭露共有4個節(jié)理裂隙發(fā)育段(較破碎),上層3段厚度只有1m左右,最下層為52.93～57.02m段,厚度達到4.09m,該段到探頭的距離L只有24m。因為L?R,注水時,含水層內(nèi)孔隙水壓力使含水層像一個大型的柔性壓板壓向下方的巖體,使應變儀探頭的圍巖產(chǎn)生明顯的附加應變量(圖1)。

據(jù)11個臺站注水試驗數(shù)據(jù)1)中國地震局地殼應力研究所應變觀測技術課題組.體積式鉆孔應變儀短臨前兆學習研討會議文集[M].北京:中國地震局地殼應力研究所,2004:139-151.,福州臺的注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù)η最小,井內(nèi)注水干擾系數(shù)W最大。從體應變和水位分鐘值來看(圖1、表2),水位在注水后第1分鐘上升1.04cm,第2分鐘上升2.17cm,第3分鐘開始下降,第2分鐘上升速度是第1分鐘上升速度的2.0865倍;體應變在注水后第1分鐘上升18.56×10-9,第2分鐘上升38.72×10-9,第3分鐘開始下降,第2分鐘上升速度是第1分鐘上升速度的2.0862倍。從表2第2到第4組數(shù)據(jù)看,注水試驗時,體應變和水位分鐘值是同步上升,且是正相關,相關系數(shù)達到0.999999996,它們的關系表達式為:水位值=0.05604×體應變值+549.31。因此,從水位和體應變的線性關系看,據(jù)巴斯噶定律[4],含水層內(nèi)孔隙水壓力似乎是直接作用在探頭頂部,這個實驗數(shù)據(jù),也說明該含水層對鉆孔體應變存在明顯干擾。

圖1 福州臺體應變鉆孔注水實驗結(jié)果圖(2010.06.04)

表2 福州臺體應變儀井孔注水試驗時體應變和水位分鐘值表

4 氣壓、水位、降雨影響

4.1 氣壓、水位影響

氣壓、水位是鉆孔體應變觀測的主要干擾,本文選取2010年5月的原始觀測數(shù)據(jù)進行線性回歸計算,樣本總數(shù)為44640。體應變和氣壓的相關系數(shù)R=0.3534,氣壓干擾系數(shù)為1.38×10-8/hPa;與日本9個臺站計算值相當,比國內(nèi)其它臺站(0.4×10-8～0.8×10-8/hPa)[1,5]略大。體應變和水位的相關系數(shù) R=0.9191,水位干擾系數(shù)為 1.72×10-8/cm,與井內(nèi)注水干擾系數(shù)1.78×10-8/cm基本相同,也驗證了注水試驗的推測,即該鉆孔的52.93～57.02m段裂隙含水層對應變儀探頭的圍巖產(chǎn)生明顯的附加應變量。

4.2 降雨影響

福州臺體應變于2010年初安裝,這一階段降雨量很少,選最近5月19—31日降雨資料分析。從19日6時開始降雨,到23日 5時停止,降雨量為72.5mm;水位從19日14時開始轉(zhuǎn)折上升,到24日15時達到最高點,上升了25.9cm;降雨對水位的影響是緩慢趨勢上升,有8h的滯后,井水水位放大倍率 K為3.57;27—30日共降雨58.3mm,由于水位處在下降恢復過程中,降雨對水位的影響只有2h的滯后(圖2)。體應變和水位的相關性很好,降雨對體應變影響也存在相應滯后(圖2)。該鉆孔處在大夢山邊坡上,上層的孔隙潛水主要接受大氣降水的下滲補給,但在鉆孔中已被水泥封止;下層的承壓裂隙水主要接受外圍山上大氣降水的下滲補給,地下水逕流很慢,降雨對該井的水位影響有一定的滯后。降雨對水位、體應變影響比較復雜,它不僅與降雨量有關,與降雨形式有關,還與氣候(旱季和雨季)、周邊開采等水文地質(zhì)條件變化有關,需要積累數(shù)年的觀測數(shù)據(jù)進行深入分析。

圖2 福州臺體應變、水位、降雨觀測曲線(2010.05)圖

5 討論及建議

(1)在選擇觀測井點時,應把觀測井位和觀測室一并考慮;在安裝之前,要認真學習 TJ-2型體積式鉆孔應變儀說明書,事前最好要制訂“安裝計劃”;并在安裝之前進行注水試驗,了解注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù);進行模擬預安裝,及時發(fā)現(xiàn)存在問題。

(2)福州臺體應變鉆孔注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù)η最小,井內(nèi)注水干擾系數(shù)W最大,注水干擾系數(shù)與水位干擾系數(shù)基本相同,揭示該鉆孔存在一個與探頭近距離的含水層干擾。

(3)初步分析:降雨對福州臺體應變鉆孔水位的影響是緩慢趨勢上升,有8h的滯后,井水水位放大倍率 K為3.57。

(4)福州臺體應變和水位分鐘值在注水試驗時呈正相關上升,相關系數(shù)達到1,是否一種巧合,有待進一步試驗及收集其它臺站的注水試驗進行驗證。

感謝蘇愷之教授對本文指導和審閱。

[1] 蘇愷之,李海亮,張均,等.鉆孔地應變觀測新進展[M].北京:地震出版社,2003.1-62.

[2] 中國地震局監(jiān)測預報司.地殼形變數(shù)字觀測技術[M].北京:地震出版社,2003.50-102.

[3] 中國地震局監(jiān)測預報司.地震數(shù)字化觀測規(guī)范[M].北京:地震出版社,2002.1-30.

[4] 王大純,張人權.水文地質(zhì)學基礎[M].北京:地質(zhì)出版社1980.78-96.

[5] 陳德福,李玉.懷來等臺固體潮觀測調(diào)和分析結(jié)果[J].華北地震科學,2000,18(2):41-46.

Installing of Tj-2tpye Volume Strain Meter and Drill-hole Water Injection Test in Fuzhou Seismic Station

LIN Guo-yuan
(Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 350003,China)

Problems appeared in the installing Tj-2tpye volume strain meter in Fuzhou seismic station,that where drill the hole and where to be the observing room were considered at different time and so on,are discussed and some suggestions are given.The results of the drill-hole water injection test in Fuzhou seismic station indicated that the thickness of the cement layer on the top of sensor did not reach design request and there is the disturbance of aquifer layer in the segment of the drill-hole to the strain-meter observation.The influence of atmospheric pressure and water level and rainfall to the volume strain is analyzed.

Tj-2type;volume strain;Installing;drill-hole water injection test

P315.62

A

1003-1375(2011)01-0053-04

2010-04-09

中國地震背景場探測項目-福建省地形變臺站場址勘選項目資助

林國元(1962-),男,福建莆田人,福建省地震局水化學實驗站工程師,主要從事地震地下流體監(jiān)測預報工作.E-mail:gylin090933@sina.com.