TJ—II鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料淺析

趙桂寶+王遠(yuǎn)+孫亮亮

摘要：本文描述了嘉山地震臺(tái)TJ—Ⅱ體應(yīng)變儀鉆孔的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)與鉆孔巖芯物理特性，介紹了TJ—II體應(yīng)變儀在嘉山臺(tái)運(yùn)行情況。通過對(duì)嘉山地震臺(tái)TJ—II型體應(yīng)變儀近年來觀測(cè)資料的分析，針對(duì)臺(tái)站觀測(cè)工作中遇到的漂移、突跳、階躍、開閥、干擾等諸多實(shí)際問題，對(duì)各種現(xiàn)象作了較為系統(tǒng)的歸納總結(jié)。正確理解這些豐富的信息，對(duì)于今后工作中準(zhǔn)確識(shí)別震前異常有著重要意義。

關(guān)鍵詞：鉆孔體應(yīng)變；數(shù)字化觀測(cè)資料；干擾因素；固體潮汐；應(yīng)變地震波

中圖分類號(hào)： P31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

Abstract： By analyzing TJ-2 type body strain meter observation data （ from the initial installation to the normal work and recording to large strain seismic wave ） of Jiashan Seismic Station， according to observation work in the practical problems encountered （ drift， jump， seismic anomaly and interference ）， for a variety of phenomena systematically induction. Correct understanding of these rich information， for the future work to accurately identify the earthquake anomaly is of great significance.

Keywords： bore-hole body strain；digital observations；interference factor；solid tide ；strain earthpuake wave

0 引言

嘉山地震臺(tái)位于安徽省東部、蘇皖交界處，海拔高程95m，地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°15′56″、北緯32°48′39″。臺(tái)基巖性為玄武巖，處于淮陽臺(tái)隆的張公嶺臺(tái)拱內(nèi)，屬下?lián)P子地臺(tái)。印支燕山期，該區(qū)受西側(cè)郯廬斷裂影響有強(qiáng)烈變形，新生代該區(qū)仍表現(xiàn)上升。區(qū)內(nèi)出露地層主要為上元古界震旦系上統(tǒng)、新生界第三系。根據(jù)鉆探資料，鉆孔揭露的主要為下第三系漸新統(tǒng)三垛組由砂巖、泥巖、砂礫巖組成和上第三系中新統(tǒng)下草灣組地層。嘉山臺(tái)鉆孔應(yīng)變自2010年正式投入觀測(cè)以來，已經(jīng)運(yùn)行有數(shù)年時(shí)間，積累了大量豐富的觀測(cè)資料。

1 鉆孔情況

嘉山地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)鉆孔編號(hào)01，開口孔徑：150mm；終孔孔徑：130mm；孔深：64.3m（到套管頂）；水深：61.3m。鉆孔底部系先鉆至80m，后又用水泥砂漿封孔至65.2m，探頭下到井底后，由于探頭底部并非接觸原有巖孔，中間隔了封孔的水泥砂漿，可能會(huì)對(duì)觀測(cè)資料有一定影響。探頭底部的實(shí)際埋深63.9m，水泥層頂部的實(shí)際埋深61.9m（水泥層在探頭上方的的有效厚度為1m）。水泥采用自應(yīng)力水泥，水泥、水、石英砂用量比例為25kg：20kg：25kg。儀器所處位置巖性為微風(fēng)化玄武巖（N） ——灰黑、暗紅、黑褐色，堅(jiān)硬狀態(tài)，濕。層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理網(wǎng)狀發(fā)育；具氣孔構(gòu)造，氣孔圓形、橢圓形或不規(guī)則狀，部分氣孔被方解石、綠泥石、綠簾石、蛋白石、玉髓、沸石等充填，構(gòu)成杏仁構(gòu)造。主要為斑狀結(jié)構(gòu)或無斑隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，含輝石、斜長(zhǎng)石、橄欖石及黑色礦物等。巖層為堅(jiān)硬巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

2 TJ-II鉆孔應(yīng)變儀工作原理和主要參數(shù)

TJ-2鉆孔應(yīng)變儀包括體應(yīng)變觀測(cè)和應(yīng)變輔助觀測(cè)（水位計(jì)、氣壓計(jì)、溫度計(jì)三項(xiàng)觀測(cè)）

1.其中體應(yīng)變傳感器主要技術(shù)指標(biāo)如下：

基本量程：6×10-6，并能運(yùn)用開閥動(dòng)作將該量程無限拓展。

分辨力：<1×10-9

非線性誤差：<1%

標(biāo)定重復(fù)性誤差：<3%

頻帶寬度：0-2HZ（探頭輸出）

自身穩(wěn)定性：<1×10-7/年

記錄方式：模擬，數(shù)字

工作環(huán)境：室溫5-40℃ 相對(duì)溫度≤85%

氣壓：760mmHg條件下連續(xù)工作。

電源：市電220V±20%，電瓶三只12V，交直流自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

2.輔助傳感器主要技術(shù)指標(biāo)（表1）

3 主要干擾分析

以2010年以來相關(guān)時(shí)間段產(chǎn)出的體應(yīng)變觀測(cè)資料作為研究對(duì)象，一是通過分析各項(xiàng)輔助測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)看對(duì)體應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，二是看儀器自身工作狀態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

3.1 輔助項(xiàng)數(shù)據(jù)與體應(yīng)變數(shù)據(jù)的關(guān)系

3.1.1 地下水位影響

地下水位的變化，帶來水壓力的變化，在孔隙壓力發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致體應(yīng)變觀測(cè)值的變化。嘉山臺(tái)安裝體應(yīng)變儀的鉆孔比較特殊，由于探頭底部并非直接接觸原有巖孔，中間隔了封孔的水泥砂漿，屬于二次回填水泥砂漿的情況，可能會(huì)對(duì)觀測(cè)資料有一定影響，孔底本身無水，所以嘉山臺(tái)體應(yīng)變與地下水位變化無顯著關(guān)系。

3.1.2 降雨影響

降雨對(duì)體應(yīng)變的影響可分為兩類：一是降雨可帶來大地負(fù)荷效應(yīng)，二是降雨后延遲一段時(shí)間。當(dāng)雨水逐漸滲入巖體孔隙以后，孔隙壓力增加，使巖體體應(yīng)變產(chǎn)生壓縮變形，即可導(dǎo)致體應(yīng)變觀測(cè)值發(fā)生變化，而我臺(tái)鉆孔條件對(duì)此影響具有弱化作用。所以嘉山臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)值與降雨量無顯著關(guān)系。

3.1.3 溫度影響

由于嘉山臺(tái)鉆孔深達(dá)64.3m，所以地表溫度的變化不會(huì)迅速導(dǎo)致鉆孔內(nèi)溫度的變化，由圖2溫度曲線也僅僅能看出變化是春夏上升、秋冬下降的自然走勢(shì)，說明嘉山臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)值與溫度并無顯著關(guān)系。

3.1.4 大風(fēng)影響

大量觀測(cè)資料表明，當(dāng)刮大風(fēng)時(shí)會(huì)對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)值造成影響，這種影響具有隨機(jī)性，它不會(huì)改變固體潮的總體變化形態(tài)。最顯著的特征是固體潮記錄曲線出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，這是因?yàn)轱L(fēng)力會(huì)使地殼的負(fù)載加大，使地殼應(yīng)力、應(yīng)變隨著風(fēng)力的強(qiáng)弱呈現(xiàn)出起伏性變化。

3.1.5 氣壓影響

氣壓變化會(huì)導(dǎo)致地面負(fù)載的增減，造成巖體孔隙壓力的變化，從而導(dǎo)致體應(yīng)變觀測(cè)值的改變。氣壓的影響存在著周期性變化，體應(yīng)變受氣壓變化的影響在不同的季節(jié)表現(xiàn)出強(qiáng)弱不同，氣壓對(duì)體應(yīng)變影響最大的時(shí)間段基本上都在春、秋季。體應(yīng)變與氣壓相關(guān)分析的結(jié)果，說明嘉山體應(yīng)變觀測(cè)受氣壓的影響程度不大。

3.2 儀器工作狀態(tài)的影響

體應(yīng)變儀在觀測(cè)中由于儀器格值標(biāo)定、調(diào)零、開閥、停電、數(shù)采儀工作不正常及電線插頭松動(dòng)等原因都可造成觀測(cè)值曲線出現(xiàn)畸變，這些影響導(dǎo)致的變化形態(tài)不一樣。正確地認(rèn)識(shí)這些圖像，對(duì)于認(rèn)識(shí)震前異常無疑具有重大意義。數(shù)采工作不正常可造成儀器數(shù)據(jù)缺測(cè)，電線插頭松動(dòng)使觀測(cè)值出現(xiàn)不穩(wěn)，這種變化時(shí)間短，幅度大，調(diào)緊插頭后即馬上恢復(fù)正常；標(biāo)定格值，可引起大幅度階躍變化等。

4 資料完整性、穩(wěn)定性分析

資料的完整性、穩(wěn)定性是衡量觀測(cè)資料質(zhì)量的重要指標(biāo)。觀測(cè)資料只有達(dá)到觀測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，其應(yīng)用價(jià)值才高，才能更好地判斷出觀測(cè)資料的正常動(dòng)態(tài)背景，以利于識(shí)別異常。為此，有必要對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行完整性、穩(wěn)定性分析。

4.1 觀測(cè)資料完整性分析

統(tǒng)計(jì)2010年以來觀測(cè)資料整點(diǎn)值的連續(xù)率，嘉山地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變連續(xù)率達(dá)到了99.8%。資料的連續(xù)率較高，達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)99.5%的優(yōu)秀水平。缺記的主要原因?yàn)閿?shù)采工作不正常，內(nèi)部數(shù)據(jù)不存儲(chǔ)。

4.2 觀測(cè)資料穩(wěn)定性分析

為了真實(shí)地反映鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)值的穩(wěn)定性和可靠性，首先對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行排除干擾處理，首先消除了氣壓變化對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)值的影響，然后計(jì)算了嘉山臺(tái)體應(yīng)變固體潮理論值。結(jié)果表明：嘉山臺(tái)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)潮汐因子及其相對(duì)誤差、潮汐相位及其均方差變化均較大，數(shù)據(jù)漂移較大。

5 地震波記錄情況分析

體應(yīng)變儀以其高靈敏性不僅能清晰記錄到固體潮汐變化，而且能記錄到震時(shí)地震波的變化。記錄地震波能力的強(qiáng)弱，從另一個(gè)方面也能反應(yīng)它記錄地殼應(yīng)力、應(yīng)變的能力。

對(duì)2010年3月～2015年3月間震時(shí)鉆孔應(yīng)變儀記錄的地震波情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

在這一年間我臺(tái)數(shù)字地震計(jì)總共記錄到的地震數(shù)為910個(gè)，其中Ms5.0級(jí)以下地震128個(gè)，無一例記錄到有同震效應(yīng)，在記錄到的782個(gè)Ms5.0以上的各種遠(yuǎn)震中，體應(yīng)變儀同步記錄到映震變化的有178個(gè)，主要集中在全球7.0級(jí)以上地震全部記錄到同震效應(yīng)，其次以日本和臺(tái)灣中強(qiáng)震記錄的最多。

由表2可清楚地看出，我臺(tái)體應(yīng)變儀對(duì)發(fā)生在全球7級(jí)以上（尤其是中國臺(tái)灣、日本）的強(qiáng)震都能清晰地記錄到地震波的全過程，且波形幅度大，形態(tài)完整。對(duì)發(fā)生在全國6級(jí)以上地震記錄能力也非常強(qiáng)。圖7-9為幾次明顯的映震曲線圖。

6 結(jié)論

通過對(duì)嘉山臺(tái)體應(yīng)變儀觀測(cè)資料的分析可知，氣象因素對(duì)體應(yīng)變數(shù)據(jù)沒有明顯的影響，雖然嘉山臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù)漂移較大，但資料變化穩(wěn)定，固體潮記錄曲線清晰、完整，資料的完整性、穩(wěn)定性都很高。對(duì)發(fā)生在全球7級(jí)、全國6級(jí)以上地震基本上都能清晰地記錄到地震波，目前尚沒有記錄到明顯的體應(yīng)變前兆異常。

參考文獻(xiàn)

[1] 李杰，鄒鐘毅，等.TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀數(shù)字化觀測(cè)資料分析[M].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002.

[2] 張國紅，王勇，等.鉆孔應(yīng)變資料的可靠性分析[M].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010

[3] 盧雙苓，李峰，等.泰安地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變固體潮畸變的分析探討[M].華北地震科學(xué)，2008