嘉山臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)影響因素探究

孫亮亮 潘潔 應(yīng)允翔 趙桂寶 王遠(yuǎn)

摘 要：本文對(duì)安徽省嘉山地震臺(tái)TJ-Ⅱ型體應(yīng)變儀觀測(cè)資料進(jìn)行了研究分析，重點(diǎn)分析降雨、氣壓、地下水位、人為干擾等因素對(duì)體應(yīng)變儀的影響，從而探究各因素與體應(yīng)變的相關(guān)性。根據(jù)各因素與體應(yīng)變相關(guān)性程度不同，對(duì)觀測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，提高觀測(cè)質(zhì)量。通過研究正確區(qū)分出地震前兆異常和干擾異常，為地震預(yù)報(bào)工作者預(yù)報(bào)地震提供更為可靠的數(shù)據(jù)保證。研究成果已服務(wù)于臺(tái)站會(huì)商及日常前兆異常跟蹤工作，為體應(yīng)變異常核實(shí)提供研判依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鉆孔體應(yīng)變儀 降雨 異常核實(shí)

中圖分類號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（b）-0050-003

安徽省嘉山地震臺(tái)位于安徽東北部，該地區(qū)及鄰區(qū)是安徽省地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)。體積式鉆孔應(yīng)變儀 （儀器型號(hào)大多為TJ-Ⅱ型），一般探頭安裝在地下幾十米，具有人為干擾小、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。近年來安徽滁州市地區(qū)（郯廬斷裂南段）增上多套該類儀器，隨著觀測(cè)的積累與深入，獲得了很多寶貴資料。本臺(tái)通過對(duì)大量體應(yīng)變資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)受干擾因素較多，其中以氣象因素對(duì)體應(yīng)變影響尤為顯著。深入而全面地分析研究鉆孔體應(yīng)變變化特征和干擾因素，可以有效提取體應(yīng)變前兆異常，提高體應(yīng)變?cè)诘卣痤A(yù)報(bào)中的應(yīng)用價(jià)值，是有效使用這些前兆資料、進(jìn)行前兆異常跟蹤分析的基礎(chǔ)。本文對(duì)安徽省嘉山地震臺(tái)TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變資料干擾因素進(jìn)行分析，以期達(dá)到更好地進(jìn)行前兆異常跟蹤分析的目的。

1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

安徽省嘉山地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)始于2009年8月，2010年3月，嘉山臺(tái)TJ-2型鉆孔應(yīng)變儀試運(yùn)行結(jié)束，開始正式投入觀測(cè)。嘉山臺(tái)鉆孔體應(yīng)變儀記錄的應(yīng)變曲線光滑、固體潮清晰，日變規(guī)律明顯，具有良好的周期性特征（見圖1）。臺(tái)站位于明光市處于淮陽臺(tái)隆的張公嶺臺(tái)拱內(nèi)，屬下?lián)P子地塊、印支燕山期。由于郯廬斷裂帶西支的影響，地塊變形嚴(yán)重，新生代該區(qū)仍表現(xiàn)上升，臺(tái)基巖性為玄武巖。

2 裝置系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)

鉆孔情況。鉆孔編號(hào)：01；開口孔徑：150mm；終孔孔徑：130mm；孔深：64.3m（到套管頂）；巖石性質(zhì)：玄武巖、凹凸棒石（坡縷縞石）。裂隙、含水層、破碎帶描述：鉆孔用150mm的鉆頭開孔，鉆至60.0m，改用130鉆頭，由于在64.8m至65.3m處巖層變化出現(xiàn)軟弱巖層，最后鉆孔到80.0m處。發(fā)現(xiàn)65.3m以下至80.0m均為軟弱巖層后，又用水泥砂漿封孔，封孔段為65.2～80.0m。采用146mm的套管下至60.0m。

3 主要干擾分析

國內(nèi)體應(yīng)變觀測(cè)技術(shù)研究表明，影響體應(yīng)變觀測(cè)的干擾因素有很多，但是最主要的干擾因素有氣象因素干擾和人為因素干擾。本文重點(diǎn)分析了降雨、氣壓及人為因素干擾。

3.1 降雨影響

降雨對(duì)鉆孔體應(yīng)變的影響可分為兩類：（1）降雨對(duì)大地產(chǎn)生的負(fù)荷效應(yīng)。當(dāng)降雨大時(shí)（特別是大暴雨時(shí)），體應(yīng)變觀測(cè)曲線上明顯有數(shù)據(jù)變化。具體來說，當(dāng)降雨量達(dá)1cm時(shí)，其對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)干擾量約為0.32×10-8；（2）降雨過后對(duì)巖土產(chǎn)生的空隙壓力效應(yīng)。降雨過后，雨水會(huì)慢慢滲入巖體孔隙中，巖石含水量會(huì)逐漸增加，孔隙壓力就會(huì)隨之增加，迫使巖體體應(yīng)變發(fā)生壓縮變形。具體來說，當(dāng)降雨量達(dá)1cm時(shí)，巖土水平狀含水層中孔隙水壓力的大約會(huì)增加1hPa，從而引起 0.73×10-8hPa的體應(yīng)變變化量。

我們可以得出結(jié)論：降雨及雨水的滲透會(huì)造成水位的上升和孔隙壓力增大，一般降雨對(duì)體應(yīng)變的影響為壓性變化。

但是安徽省嘉山地震臺(tái)體應(yīng)變的觀測(cè)結(jié)果卻不完全符合這一點(diǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察和地質(zhì)構(gòu)造分析后發(fā)現(xiàn)，嘉山臺(tái)體應(yīng)變鉆井和一般平地觀測(cè)的體應(yīng)變鉆井存在兩點(diǎn)較大不同：一是嘉山臺(tái)體應(yīng)變鉆井位于清明山半山腰，鉆孔初期鉆井內(nèi)沒有水 ，但是可能因?yàn)閹r石的破碎，后期鉆孔內(nèi)有流水滲入；二是鉆孔到65m處時(shí)遇到軟弱巖層，后用水泥砂漿回填。這極可能是導(dǎo)致降雨對(duì)嘉山臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)影響差異的原因。選取2015年8月份數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們可以清晰看到降雨對(duì)體應(yīng)變的壓性變化作用。

8月8～10日，降雨量達(dá)95.3mm，8月19～20日，降雨量達(dá)77.3mm，引起體應(yīng)變數(shù)據(jù)明顯下降（見圖2）。

3.2 氣壓影響

體應(yīng)變所受到的氣壓影響主要來自大氣壓力的負(fù)荷效應(yīng)，它會(huì)使地表負(fù)荷以及井孔垂直附加應(yīng)力產(chǎn)生變化從而影響鉆孔體應(yīng)變。通常情況下，不同季節(jié)的風(fēng)向、幅度、波長(zhǎng)對(duì)氣壓干擾系數(shù)也有所不同。研究表明，短時(shí)段內(nèi)的氣壓驟變會(huì)明顯影響觀測(cè)數(shù)據(jù)。具體表現(xiàn)為在雷雨、大風(fēng)、降溫等強(qiáng)對(duì)流極端天氣過程來臨之前，氣壓會(huì)顯著影響體應(yīng)變固體潮波形，使數(shù)據(jù)曲線發(fā)生畸變。

一般來說，長(zhǎng)周期的氣壓緩變會(huì)影響固體潮波形趨勢(shì)走向，但對(duì)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)所記錄的固體潮波形影響并不明顯，會(huì)造成波形零漂或改變漂移方向，影響時(shí)間可能會(huì)持續(xù)幾天，所記錄曲線表現(xiàn)為凹凸?fàn)?，這會(huì)給異常跟蹤分析帶來影響。氣壓對(duì)鉆孔應(yīng)變儀器的干擾程度因臺(tái)站地理位置、基巖巖性不同而各異，且氣壓干擾與應(yīng)變不同步，存在滯后或者提前現(xiàn)象。

嘉山臺(tái)的鉆孔體應(yīng)變井孔深64.3m，會(huì)受氣壓變化的影響，并在不同的季節(jié)表現(xiàn)出強(qiáng)弱不同，氣壓系數(shù)在（0.13～1.65）×10-10Pa之間。嘉山臺(tái)鉆孔應(yīng)變與氣壓呈正相關(guān)，與一般臺(tái)站不同（見圖3）。

我們可以得出結(jié)論：通過計(jì)算、對(duì)比分析體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)及氣壓所記錄的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)氣壓變化與體應(yīng)變觀測(cè)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，氣壓對(duì)體應(yīng)變測(cè)值影響為10-9hPa量級(jí)。

3.3 人為因素影響

嘉山臺(tái)體積式鉆孔應(yīng)變儀TJ-II，2016年5月12日16：30至2016年5月13日13：30間，體應(yīng)變受到人為干擾影響。因測(cè)試水位探頭是否正常，于12日16：30～16：40往井中注水50L，體應(yīng)變數(shù)值產(chǎn)生階變上升，變化幅度約316.6×10-9，觀測(cè)數(shù)據(jù)于13：30恢復(fù)穩(wěn)定（見圖4）。

4 結(jié)語

（1）嘉山臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)受降雨（大雨或暴雨）干擾較為嚴(yán)重，一般表現(xiàn)為張性變化，即呈下降趨勢(shì)，與一般臺(tái)站不同。這可能與嘉山臺(tái)鉆孔井地理、地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，需進(jìn)一步深入研究。（2）嘉山臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)與氣壓呈正相關(guān)，同步性較強(qiáng)，但是一般臺(tái)站氣壓變化與應(yīng)變觀測(cè)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。這可能與嘉山臺(tái)鉆孔井地理、地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，需進(jìn)一步深入研究。（3）嘉山臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)受鉆孔內(nèi)水位影響較為明顯，但多年來因?yàn)樗惶筋^安裝原因，水位數(shù)據(jù)缺失對(duì)于本次研究造成很大影響。嘉山地震臺(tái)正在積極協(xié)商解決水位探頭問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 李杰.TJ-Ⅱ型鉆孔體應(yīng)變儀數(shù)字化觀測(cè)資料分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2002，22（3）：69-74.

[2] 張國紅.鉆孔應(yīng)變資料的可靠性分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2010，30（S1）：62-66.

[3] 盧雙苓.泰安地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變固體潮畸變的分析探討[J].華北地震科學(xué)，2008，26（2）：49-52.

[4] 王勇.昌平臺(tái)鉆孔應(yīng)變固體潮調(diào)合分析[J].地震，2000，20（2）：107.