上海地震綜合深井與地面臺站前兆資料的對比分析

龔 耀， 潘國勇，魏 薇，戴樂翔

(上海市地震局崇明地震臺，上海 202164)

0 引言

“十二五”期間，上海市地震局在浦東張江地震監(jiān)測中心及崇明長江農(nóng)場地震臺內(nèi)分別打了一口綜合深井，并在深井中集成多項(xiàng)前兆觀測手段，安裝相應(yīng)的觀測儀器，包括三分量地磁儀、四分量應(yīng)變儀、二分量傾斜儀、水溫儀、水位儀[1-2]。這些前兆觀測手段在地面臺站也都有相應(yīng)的觀測[3]，在積累一定數(shù)據(jù)量的基礎(chǔ)上，對深井觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以判斷其優(yōu)劣。文章主要是對地磁、應(yīng)變、傾斜、水溫、水位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 觀測儀器概況

上海佘山地震觀測基準(zhǔn)臺有CBZ-2A型鉆孔傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀，崇明地震臺安裝有GM4地磁記錄儀、SZW-1A型水溫儀和LN-3A型水位儀，張江和崇明長江農(nóng)場綜合深井臺(以下簡稱長江深井臺)安裝有集成商集成的四分量應(yīng)變儀、二分量傾斜儀、深圳泰德公司的TDT-35型水溫儀、HLM-15型水位儀。地面臺站和綜合深井臺安裝的儀器設(shè)備雖不同，但相應(yīng)觀測到的物理量是一致的。

2 分析方法

通過對不同儀器的原始曲線、長期變化趨勢、內(nèi)在質(zhì)量等進(jìn)行對比分析，綜合判斷深井臺站前兆觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.1 地磁觀測

2.1.1 日變化曲線對比

圖1 2014年6月8日崇明與長江深井臺地磁D、H、Z分量分鐘值圖Fig.1 Minute values of geomagnetic D, H and Z components at Chongming and Changjiang Station on June 8,2014

從圖1看出，同下面基線值圖反映的特征基本一致，Z分量曲線圖日變形態(tài)基本一致，H分量和D分量的曲線雖然日變形態(tài)基本一致，但略有差異。分析其原因，認(rèn)為是定向問題造成的。深井地磁探頭定向是靠內(nèi)置的電子羅盤，如果定向過程中有干擾或誤差，會造成記錄結(jié)果的差別。

2.1.2 內(nèi)在質(zhì)量分析

評價(jià)地磁記錄儀記錄質(zhì)量的好壞，通常用絕對觀測來對它進(jìn)行基線值考察，如果月觀測精度符合學(xué)科組的規(guī)定(δDB<0.1；δHB<1.0；δZB<1.0)，就認(rèn)為記錄儀正常，前提是參與絕對觀測的人員和儀器均可靠[4]。選取崇明臺周觀測的觀測值對崇明臺及長江農(nóng)場深井臺的相對記錄值進(jìn)行基線值計(jì)算(見表1)，評價(jià)相對記錄儀內(nèi)在質(zhì)量的好壞。選取2014年1月1日-6月30日的資料進(jìn)行對比分析。從表中看出，崇明臺相對記錄儀基線值均在范圍之內(nèi)，長江深井臺相對記錄儀的D分量超出精度規(guī)定范圍，H和Z分量在精度范圍內(nèi)。

表1 崇明臺與長江深井臺基線值觀測月精度表Table 1 Monthly accuracy of baseline observation at Chongming Station and Changjiang deep well station

由以上分析可知，綜合深井與地面臺站地磁記錄的日變形態(tài)基本相同，幅度相當(dāng)，D分量日變形態(tài)和基線值的差異初步認(rèn)為是定向問題造成的，地鐵造成的干擾在綜合深井記錄中同樣存在。

2.2 水位觀測

崇明臺靜水位觀測始于“十五”期間，井深280多米，觀測的是第三承壓含水層，崇明長江農(nóng)場綜合深井井深為463.6 m，觀測的是基巖裂隙水。

2.2.1 日變曲線對比

運(yùn)用2013年5月1日至3日的數(shù)據(jù)進(jìn)行日變曲線對比發(fā)現(xiàn)，崇明臺水位日變曲線潮汐現(xiàn)象明顯；長江臺綜合深井觀測也有日變現(xiàn)象，但并不明顯，與所觀測的層位有很大關(guān)系(見圖2)。

圖2 崇明臺和長江臺綜合深井水位日變曲線對比圖Fig.2 Comparison of diurnal variation of water level in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.2.2 年變曲線對比

從圖2、圖3看出，在一年尺度里，崇明臺靜水位觀測年變化達(dá)1米多，且一直上升；長江臺綜合深井觀測僅10多厘米，年終基本回到年初的水位位置。差別的原因在于，崇明長江農(nóng)場臺綜合深井達(dá)400多米，穿透第四紀(jì)覆蓋層并下套管封閉，觀測基巖為裂隙水，水位動態(tài)穩(wěn)定，呈夏高冬低型；崇明臺淺井靜水位受開采和回灌等干擾影響，變化幅度要比綜合深井水位大一個(gè)數(shù)量級。由此看出，深井作為地震地下流體觀測井要比淺水井更合理。

圖3 崇明臺和長江臺綜合深井水位年變曲線對比圖Fig.3 Comparison of annual variation of water level in comprehensive deep well at Chongming Stationand Changjiang Station

2.3 水溫觀測

上海地區(qū)的水溫觀測臺站有8個(gè)，一直以來崇明臺的井水溫記錄穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠連續(xù)，對比分析以崇明臺的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

2.3.1 日變曲線對比

從圖4的日變曲線來看，長江臺綜合深井水溫日變幅度小，數(shù)據(jù)比崇明臺的變化要穩(wěn)定。

圖4 崇明臺和長江臺綜合深井水溫日變曲線對比圖Fig.4 Comparison of diurnal variation of water temperature in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.3.2 年變曲線對比

圖5是2013年10月至2014年10月崇明臺和長江農(nóng)場綜合深井臺的年變曲線。崇明臺水溫變化平緩，在0.02 ℃之間；綜合深井臺變化曲線幅度大，為0.14 ℃，變化趨勢在下降過程中，這種下降趨勢的原因值得探討。

圖5 崇明臺和長江臺綜合深井水溫年變曲線對比圖Fig.5 Comparison of annual variation of water temperature in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.4 鉆孔應(yīng)變

佘山臺安裝了YRY-4鉆孔應(yīng)變儀，綜合深井臺安裝集成的四分量應(yīng)變儀，通過對佘山臺、浦東和長江農(nóng)場綜合深井臺的鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)的日變曲線和最大最小主應(yīng)變及最大主應(yīng)變方向等幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，明確儀器的運(yùn)行狀況。

2.4.1 日變曲線

圖6是佘山臺和浦東綜合深井臺2013年10月1日至2日的鉆孔應(yīng)變?nèi)兆兦€，佘山臺四分量日變曲線形態(tài)好，浦東綜合深井臺的日變曲線變化明顯。

2.4.2 內(nèi)在質(zhì)量分析

主應(yīng)變(ε1,ε2,φ)可以通過應(yīng)變觀測值、套筒內(nèi)外徑和圍巖、填充水泥及套筒材料的楊氏模量和泊松比等參數(shù)來計(jì)算。最大主應(yīng)變方向可以不受材料的限制，因此這3個(gè)臺站即使觀測條件存在差異，但最大主應(yīng)變方向的結(jié)果仍可以放在一個(gè)平臺進(jìn)行比較。從計(jì)算結(jié)果第33頁圖7看出，浦東綜合深井臺及佘山臺的最大、最小主應(yīng)變及最大剪應(yīng)變趨勢一致，崇明長江農(nóng)場綜合深井臺最大主應(yīng)變基本走平，變化不大。3個(gè)臺計(jì)算的最大主應(yīng)變方向基本一致，在北西-東南向，一方面表明這3個(gè)臺所在區(qū)域的應(yīng)變狀態(tài)相對一致，認(rèn)為3個(gè)臺點(diǎn)所構(gòu)成的區(qū)域是一個(gè)整體，而且相對穩(wěn)定，差異性不大。

圖6 佘山臺、浦東綜合深井臺鉆孔應(yīng)變儀日變曲線對比圖Fig.6 Comparison of diurnal variation of borehole strain at Sheshan Station and Pudong comprehensive deep well station

圖7 佘山、浦東及崇明綜合深井最大最小主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變及最大主應(yīng)變方向圖Fig.7 Maximum and minimum principal strain, maximum shear strain and maximum principal strain direction in comprehensive deep well in Sheshan, Pudong and Chongming

2.5 傾斜

佘山地震觀測基準(zhǔn)臺有VS垂直擺傾斜儀[5]，綜合深井安裝集成的傾斜儀。

2.5.1 日變曲線對比

圖8是佘山臺和長江農(nóng)場綜合深井臺2014年2月2日至3日的日變曲線，可以看出長江農(nóng)場綜合深井臺傾斜儀日變曲線形態(tài)明顯，佘山臺的形態(tài)平穩(wěn)，但受干擾明顯。

圖8 佘山臺和長江農(nóng)場綜合深井臺傾斜日變曲線對比圖Fig.8 Comparison of diurnal variation of borehole tilt at Sheshan Station and Changjiang comprehensive deep well station

2.5.2 內(nèi)在質(zhì)量分析

第34頁圖9是2013年10月至2014年9月南北向整點(diǎn)值及一階差分值圖。由圖可見，2013年11月開始受到人為干擾較嚴(yán)重，主要為山洞內(nèi)裝修及隔壁的人防工程改造頻繁施工，造成數(shù)據(jù)波動較大，施工期間的固體潮也出現(xiàn)明顯畸變。2014年3月施工逐漸收尾至停工后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性有明顯好轉(zhuǎn)。崇明長江農(nóng)場綜合深井的鉆孔傾斜儀進(jìn)行差分后的高頻部分非常穩(wěn)定，顯示較高的信噪比，長周期則一直無年變。近一年，兩分量呈現(xiàn)持續(xù)向上的變化，變化速度一直保持穩(wěn)定。

圖9 佘山臺傾斜南北向整點(diǎn)值及崇明長江農(nóng)場綜合深井的鉆孔傾斜一階差分值圖Fig.9 Tilted north-south integer value at Sheshan Station and first order difference value of borehole tilt in Changjiang comprehensive deep well at Chongming Station

3 結(jié)論

(1) 通過以上分析，認(rèn)為深井記錄的地磁資料日變形態(tài)與地面地磁記錄基本一致，幅度相當(dāng)。崇明臺與長江臺H、D分量曲線不重合，認(rèn)為主要原因是深井探頭的D分量定向不準(zhǔn)造成，需要重新定向。地鐵造成的干擾在綜合深井記錄中同樣存在，幅度基本一致。

(2) 綜合深井水位觀測的基巖裂隙水比淺水井水位觀測更為可靠，受到的干擾少，觀測結(jié)果與地震前兆信息的關(guān)系更密切。

(3) 綜合深井水溫觀測日變化穩(wěn)定，數(shù)據(jù)變化幅度小，更利于反應(yīng)深部流體的信息。

(4) 通過內(nèi)在質(zhì)量分析，綜合深井鉆孔應(yīng)變記錄的數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，能反映本地區(qū)受應(yīng)力的影響情況。

(5) 綜合深井鉆孔傾斜儀有較高的信噪比，日變形態(tài)明顯，長周期則一直無年變，近一年兩分量呈現(xiàn)持續(xù)的向上變化，變化速度一直保持穩(wěn)定。

(6) 綜合深井前兆觀測作為一種新的觀測系統(tǒng)，集成了多種觀測方法，節(jié)約空間，利于實(shí)施。在當(dāng)前地面干擾越來越嚴(yán)重的情況下，開展綜合深井觀測也是一種探索。缺點(diǎn)是集成在一口井內(nèi)，導(dǎo)致維修不便，有的甚至只能報(bào)廢，成本較高。