基于潛水層研究鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨的響應(yīng)

陸明勇 牛安福 張凌空 劉天海 高福旺

1）中國地震應(yīng)急搜救中心，北京 100049

2）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測是在地表下數(shù)十米的基巖中(或土層中)安裝儀器探頭對地震應(yīng)力－應(yīng)變前兆變化進(jìn)行觀測；但仍存在環(huán)境因素影響如降雨，如進(jìn)行輔助地下水位觀測的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測消除降雨的影響，主要是通過降雨引起地下水位的變化來進(jìn)行分析研究并消除降雨影響，其方法為擬合相關(guān)分析、運(yùn)用巖土應(yīng)力-應(yīng)變理論建立模型進(jìn)行研究等；無地下水位觀測資料的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變消除降雨影響研究不多，主要是進(jìn)行簡單相關(guān)分析或運(yùn)用巖土應(yīng)力-應(yīng)變理論進(jìn)行定性分析。而水文地質(zhì)等領(lǐng)域基于水量平衡原理(質(zhì)量守恒定律)即降水入滲系數(shù)乘以降雨量等于地下水位上升與給水度之積，得到降雨量與潛水位上升幅度之間的計(jì)算公式，以及由此得到降雨與應(yīng)力-應(yīng)變公式；但降雨對潛水位變化的影響是一個(gè)過程，不僅需要定量關(guān)系，而且需要反映過程變化的信息如降雨滲透延遲或滯后效應(yīng)，這些關(guān)系為不能反映變化過程信息的近似公式且無法回答降雨停止后潛水位變化對降雨響應(yīng)過程。

（1）我國鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測規(guī)范要求：鉆孔深度應(yīng)該大于等于30 m(若在山洞中則＞2 m)；安置探頭的測量段要求巖孔應(yīng)避開巖石裂隙密集區(qū)、巖脈、透鏡體，采芯率宜＞70%等，儀器觀測處應(yīng)該在致密巖石處。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國大部分鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變鉆孔深度為30～80 m左右，“十一五”期間新上的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變鉆孔深度有兩種：30 m、60 m。而淺部地殼上部從地表之下依此可以分為：包氣帶、潛水層、第一穩(wěn)定隔水層、承壓水層等，不同的地區(qū)以及不同的地形，上述分層的巖土性質(zhì)、深度等特征變化較大，如太原盆地第四系全新統(tǒng)潛水含水巖系埋深0～50 m，太原市在100～150 m為壓縮性較強(qiáng)的粘土層、粉質(zhì)粘土層及粉土層，即穩(wěn)定的隔水層；長江三角洲(南部)區(qū)域地表總厚度200～350 m的全新世、更新世松散沉積物所覆蓋即為潛水層巖土。截止2011年6月，我國正式觀測的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測共有118臺套，主要分布在華北、長江中下游、西南等地區(qū)。因此，目前我國鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測井鉆孔深度存在于第一穩(wěn)定隔水層即潛水層和承壓水層分界面處的情況，第一穩(wěn)定隔水層上面的地下水位實(shí)際上是潛水層水位，地下水位變化應(yīng)為潛水層水位變化，如天津?qū)氎?、安徽合肥與六安等地震臺的體應(yīng)變觀測。

（2）運(yùn)用水文地質(zhì)、地下水動力學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法以及地殼巖石中有效應(yīng)力原理，基于潛水層在研究鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨響應(yīng)，獲得了考慮降雨滲透延遲或滯后效應(yīng)的降雨與鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變之間的隨時(shí)間變化定量關(guān)系：在降雨對潛水位影響的延遲或滯后效應(yīng)過程中（t≤t0），鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨未產(chǎn)生響應(yīng)；在降雨影響潛水層水位變化后，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨的響應(yīng)變化與降雨量累加和、降水滲入系數(shù)成正比，與潛水層的(重力)給水度成反比；另外，鉆孔應(yīng)變對降雨的響應(yīng)變化還與觀測處巖石拉梅常數(shù)、剪切模量成反比。在降雨完全停止以后足夠長的情況下，在其他條件不變的情況下，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨的響應(yīng)變化與時(shí)間成反比。

（3）鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨響應(yīng)一般可以分為3個(gè)階段：①鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變對降雨響應(yīng)滯后(延遲)階段，是因?yàn)榻涤隄B透到潛水面需要一段時(shí)間、潛水面變化有一滯后(延遲)過程；②鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變開始變化至降雨完全結(jié)束階段；在降雨率最大之前，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變快速變化；其后降雨開始減小，但鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)匀豢焖僮兓?，是因?yàn)椴煌牡胤綕撍娓叩筒煌瑵撍娓叩牡胤?，潛水受重力影響要流向潛水面低的地方；另外降雨滲透到潛水面也需要時(shí)間即降雨仍然快速滲透到潛水里；在降雨完全停止前一段時(shí)間，降雨小、鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變變化也??；③降雨完全結(jié)束后初期，由于降雨滲透未完全結(jié)束，整個(gè)潛水面在重力作用下緩慢調(diào)整變化直到整個(gè)潛水面水平，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變緩慢增大變化直到停止；然后降雨滲透結(jié)束、潛水蒸發(fā)和滲透，潛水面開始緩慢減小，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變緩慢減小即壓性減弱，在無降雨和其他條件不變的情況下，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變與時(shí)間成反比，時(shí)間越長，減小越多。