蚌埠鉆孔應(yīng)變受抽水干擾的分析

李罡風(fēng)，姜薇薇，陶 媛，裴紅云，李 發(fā)

（1.安徽省地震局, 安徽 合肥 230031；2.廬江地震臺,安徽 廬江 231511；3.金寨地震臺,安徽 金寨 237300)

0 前言

地球表面下邊和地殼內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動及其產(chǎn)生的各種地質(zhì)災(zāi)害都與地殼應(yīng)力作用密切相關(guān)，地殼應(yīng)力狀態(tài)的變化是導(dǎo)致斷裂、褶皺乃至發(fā)生地震的最直接動因[1]，鉆孔應(yīng)變屬于一種小空間尺度的觀測，是監(jiān)測地殼形變的一種重要手段，具有其他觀測手段不可替代的優(yōu)勢[2-3]。2008年蘇、魯、皖被劃為2009年度重點(diǎn)監(jiān)視地區(qū)，為適應(yīng)地震監(jiān)測需要，安徽在郯～廬斷裂中南段及其附近增上了體積式鉆孔應(yīng)變儀（儀器型號均為TJ-Ⅱ型）。2008年以來蚌埠地震臺、嘉山地震臺、合肥地震臺、滁州地震臺等的鉆孔應(yīng)變觀測先后投入觀測，并在觀測中獲得了寶貴的資料，對提升該地區(qū)的地震監(jiān)測能力起到了促進(jìn)。由于地理位置和鉆孔條件等的差異，觀測資料的穩(wěn)定性、可靠性及顯示出的干擾圖像、記錄地震波的能力等都存在著差異。本文通過分析蚌埠臺體應(yīng)變觀測受抽水影響的過程，對干擾給予較合理的解釋。并探討影響體應(yīng)變的主要因素。

1 臺站基本情況

蚌埠地震臺地處淮河南岸的蚌埠市郊區(qū)小黃山。臺基巖性為燕山期花崗巖，風(fēng)化較強(qiáng)，山體多被殘坡積物覆蓋，殘坡積物厚薄不一，一般在0.5～1.5 m左右。在地貌上小黃山為孤立殘丘，山體四周均被第四系黃土所覆蓋。臺站位于著名的郯廬斷裂帶西側(cè)約60 km處，近側(cè)通過的斷裂有NW向的渦河斷裂、NWW向臨泉―劉府?dāng)嗔押蚇NE東向的固鎮(zhèn)―懷遠(yuǎn)斷裂。淮河以北以沉降為主，以南為上升為主，臺址位于南部上升地塊。

蚌埠臺是一個集測震和地震前兆觀測的綜合地震臺，可監(jiān)測皖東地區(qū)震情，并能監(jiān)測淮南—許昌地震帶東端的活動。臺站前兆觀測項(xiàng)目有水氡、地磁、電磁波、GPS、體應(yīng)變及輔助觀測等。

體應(yīng)變鉆孔位于蚌埠地震臺院內(nèi)西北角小山包上，井口海拔高度約為47.0 m，鉆孔孔深63.4 m，其中0.00～28.4孔徑150 mm；28.40～63.40 m孔徑為130 mm；下入無縫鋼管位置在0.00～28.40 m，為外徑146 mm，壁厚4.5 mm，鋼管外使用425號水泥沙漿封堵至孔口；應(yīng)變儀探頭底部的實(shí)際埋深62.4 m，水泥頂層部的實(shí)際埋深60.1 m（水泥層探頭上方的有效厚度為1 m）。儀器所處位置巖性為花崗片麻巖，鉆孔內(nèi)有裂隙、含水層，且有地下水流，水流時遇到巖孔[4]。體應(yīng)變儀外部結(jié)構(gòu)為一鋼桶，鋼桶內(nèi)部由上下兩部分組成，上部充滿了硅油和一部分惰性氣體，下部充滿硅油。儀器在巖石平面力和軸向壓力的作用下使硅油通過毛細(xì)孔流入或流出一個裝在隔板上的波紋管中，體應(yīng)變的變化量就轉(zhuǎn)換成波紋管的伸縮量，然后用液體壓力傳感器（差壓式液壓傳感器）測量之[5]。儀器安裝示意如圖1。

圖1 儀器安裝示意Fig.1 Sketch of instrument installation.

使用的TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀于2009年5月28日下井并安裝成功，29日開始實(shí)驗(yàn)性觀測。開始觀測曲線為壓性，漂移速度大約為100 mV/d，30多天后井下傳感器輸出趨于穩(wěn)定。目前儀器只有體應(yīng)變、氣壓和溫度三個測項(xiàng)。體應(yīng)變儀觀測精度達(dá)10-9[4]。

蚌埠地震臺位于小山東坡之上，該臺進(jìn)行GPS安裝前曾進(jìn)行地質(zhì)條件調(diào)查，結(jié)果表明有一條近NS向斷裂帶從臺站經(jīng)過[6]。體應(yīng)變鉆孔附近100 m范圍內(nèi)有4口水井，其一為SSE80 m處88.2 m深的水氡觀測井，水文地質(zhì)條件為前震旦花崗巖層裂隙水，井口海拔高度低于體應(yīng)變鉆孔井口約2 m。該井屬臺站管理，抽水機(jī)功率大小約5 m3/h，觀測井每天8點(diǎn)15分左右抽水進(jìn)行水氡觀測，抽水時間約50 min，水抽入水池之中。由于歷史原因，該井承擔(dān)著臺站及附近居民生活用水的任務(wù)，抽水集中時間主要集中在上午。其它3口均為居民生活用水井，散布在體應(yīng)變鉆孔井的SE方和SEE方，其中最近一口水井距體應(yīng)變鉆孔約40 m。這3口水井井口海拔高度均低于體應(yīng)變鉆孔井口6～9 m，水井深度在30～40 m之間，水井水文地質(zhì)條件不祥，根據(jù)現(xiàn)有條件推測，水文地質(zhì)料件均為巖層裂隙水。生活用井抽水機(jī)功率較小，每次抽水量較小，抽水時間較短。臺站布置及水井分布見圖2。

圖2 蚌埠臺水井的位置分布Fig.2 Distribution of bore-hole well and water wells in Benbu seismic station.

2 水位與氣壓對體應(yīng)變干擾機(jī)制的分析

2.1 體應(yīng)變與水位和氣壓的關(guān)系

水位和氣壓對體應(yīng)變的影響主要是通過水位和氣壓的壓力負(fù)荷引起的。如果鉆孔存在裂隙，破碎帶時壓力負(fù)荷不僅通過大地表面，而且還能通過鉆孔進(jìn)入破碎帶內(nèi)壁，將壓力更為貼近的傳向應(yīng)變儀四周的巖體。地下水在氣壓的作用下還會產(chǎn)生流動，導(dǎo)致孔隙水壓力的改變和氣壓干擾過程的復(fù)雜化，具體描述如下：

體應(yīng)變Δa與孔隙壓力P的關(guān)系：

其中K為含水層體積壓縮模量；P與水位H和氣壓的關(guān)系為

其中ρ為水的密度；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋籔0為大氣壓力。將式（2）代入式（1），得

假設(shè)大氣壓P0不變，K為一常數(shù)，那么體應(yīng)變的大小隨水位的變化而變化。由于蚌埠臺體應(yīng)變暫無輔助觀測水位，這一現(xiàn)象在該臺無法得到確切的驗(yàn)證，在工作仍能直觀地表現(xiàn)出來。

假設(shè)H不變，K為一常數(shù)，那么體應(yīng)變的大小隨氣壓的變化而變化。且二者呈線性變化，這一結(jié)論得到實(shí)際觀測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[5]。由于氣壓變化較小，且氣壓與水位之間存在負(fù)相關(guān)，兩者的對體應(yīng)變的影響部分相互抵消，在平時的觀測中，這種現(xiàn)象表現(xiàn)不明顯。但我們?nèi)阅軓捏w應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)中看到這一現(xiàn)象。

2.2 體應(yīng)變受抽水影響的理論模型

鉆孔資料表明該井地層為潛水含水層，水位降深H可用潛水的雅各布公式表達(dá)：

其中h0為潛水含水層厚度；Q為水泵流量；s為含水層滲透系數(shù)；T為導(dǎo)水系數(shù)；μ為含水層給水度；r為抽水井到觀測井的距離；t為抽水時間。由于水位每年最大降深遠(yuǎn)小于含水層厚度 h0，故式（4）中（2 h0-H）H≈2 h0H，由此得到

根據(jù)疊加原理[7],假設(shè)n個干擾井（抽水井）工作時，觀測點(diǎn)處產(chǎn)生的升降值等于該井單獨(dú)工作時在該點(diǎn)產(chǎn)生降深值的代數(shù)和。由此可得到

把式（6）代入式（3）得到

這就是體應(yīng)變受抽水干擾作用的理論模型。由于ρ、g、s、h0、Qi、T、ri、μ可認(rèn)為是常數(shù)，若假設(shè)k、P0為不變值，那么Δa只隨t的變化而變化，二者為對數(shù)關(guān)系，呈非線性變化。

2.3 抽水對體應(yīng)變的影響及資料的分析

2009年6月體應(yīng)變儀器投入觀測后，我們發(fā)現(xiàn)水氡觀測井抽水對體應(yīng)變觀測影響較大。后通過仔細(xì)辨認(rèn)和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)附近居民生活用井的抽水對體應(yīng)變的觀測也有一定的影響，但與水氡觀測井相比影響幅度較小。圖3為2009年9月18日蚌埠臺體應(yīng)變觀測分鐘值數(shù)據(jù)圖形，其中實(shí)線為實(shí)際觀測數(shù)據(jù)曲線，虛線為推測的理論值曲線。通過分析認(rèn)為：生活用井抽水對體應(yīng)變觀測的影響較小;水氡觀測井對體應(yīng)變影響較大，還與水泵流量（Q）大、抽水時間(t)長以及抽水井到觀測井的距離(r)較近有關(guān)，另一方面也可能與體應(yīng)變鉆孔和水氡觀測井同在一條斷裂之上，兩井之間有裂隙聯(lián)通導(dǎo)致水氡觀測井比生活水井有較大的導(dǎo)水系數(shù)(T)有關(guān)。通過對多日數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)居民用水井抽水時間多集中在5時至8時和16時至19時兩個時段。

圖3 2009年9月18日抽水影響曲線Fig.3 The pumping interference curve of bore-hole body strain on September 18,2009.

為更清楚地找到抽水對體應(yīng)變觀測的影響，我們于2009年8月14日至18日對水氡觀測井進(jìn)行了11次抽水，并對抽水時間做了記錄（表1），繪制體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)曲線與抽水時間關(guān)系圖（圖4）。圖4中每次抽水開始時間和結(jié)束時間分別用實(shí)豎線和虛豎線表示。通過對圖4的分析，發(fā)現(xiàn)每次水氡觀測井抽水后體應(yīng)變均出現(xiàn)較大幅度下降，抽水結(jié)束后數(shù)分鐘，體應(yīng)變數(shù)據(jù)開始恢復(fù)。我們也注意到圖中編號 12、13、14、15、16無法解釋，核實(shí)后證實(shí)12、13、14、15均發(fā)生在夜間，為當(dāng)?shù)鼐用褡孕虚_機(jī)抽水，造成漏記；16為抽水期間，臺站人員發(fā)現(xiàn)儀器調(diào)零，未做記錄。

表1 抽水時間與體應(yīng)變開始變化時間表

圖4 2009年8月14-18日蚌埠臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線與抽水時間關(guān)系Fig.4 Relationship between the bore-hole body strain values and pumping times from August 14 to 18,2009, at Benbu station.

從表中看出，體應(yīng)變數(shù)據(jù)下降多出現(xiàn)在水氡觀測井抽水2～5分鐘后，體應(yīng)變數(shù)據(jù)開始恢復(fù)多出現(xiàn)在抽水結(jié)束數(shù)分鐘后。其中發(fā)現(xiàn)第8和第9組體應(yīng)變下降早于抽水，經(jīng)過與臺站人員核實(shí)和分析得出以下原因：臺站人員在記錄抽水時間是按照臺站工作用時鐘來記錄的，該時鐘與儀器時鐘存在鐘差，記錄前沒有對兩者進(jìn)行對時。2009年9月28日、29日、10月9日，按照規(guī)范重新記錄了幾次次抽水事件，結(jié)果表明水氡觀測井抽水后2～5分鐘后體應(yīng)變數(shù)據(jù)開始下降；抽水結(jié)束 3～10分鐘后體應(yīng)變數(shù)據(jù)停止下降并開始恢復(fù)。圖、表結(jié)果均表明抽水對體應(yīng)變的影響和前面的理論推導(dǎo)基本吻合，即抽水引起儀器探頭周邊巖體孔隙壓力減小，并導(dǎo)致巖體應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生了變化。分析圖4和表1，還可發(fā)現(xiàn)抽水時間越長體應(yīng)變下降越大。恢復(fù)時間與抽水時間有關(guān)，抽水時間越長，恢復(fù)所需時間越長；恢復(fù)過程可分為快速恢復(fù)和調(diào)整復(fù)原兩個階段，調(diào)整復(fù)原階段用時大于快速恢復(fù)階段。

圖5 2009年11月蚌埠臺、合肥臺、嘉山臺體應(yīng)變分鐘值變曲線對比圖Fig.5 The bore-hole body strain curves of Bengbu, Hefei and Jiashan seismic stations in November of 2009.

從圖5中蚌埠臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線圖可以看出：抽水對體應(yīng)變存在影響，但這種影響對體應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化趨勢影響不大。為揭示該臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)與區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系，我們選用同時段蚌埠臺附近嘉山臺、合肥臺的體應(yīng)變做對比。2009年11月該地區(qū)降雨較小，區(qū)域內(nèi)地下水位變化大體相當(dāng)，氣壓變化區(qū)域內(nèi)較為穩(wěn)定，由圖5可以發(fā)現(xiàn)在這段時間內(nèi)，三臺體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)大體一致，我們推斷這段時間各臺體應(yīng)變變化形態(tài)主要是受該地區(qū)應(yīng)力變化所控制。蚌埠臺體應(yīng)變雖然受抽水的影響對其日變化形態(tài)影響較大，但這種影響幅度比區(qū)域應(yīng)力場的影響幅度小的多，因此區(qū)域應(yīng)力場是影響體應(yīng)變數(shù)據(jù)變化形態(tài)的主要因素，體應(yīng)變的趨勢變化主要反應(yīng)了該區(qū)域的地應(yīng)力場的變化，這種趨勢性的變化對監(jiān)測該區(qū)域內(nèi)的地震活動具有前兆意義。

3 結(jié)論與體會

(1) 地下水位的變化是影響體應(yīng)變的主要干擾因素。抽水導(dǎo)致地下巖層的空隙水壓減小，致使巖體“蓬松”，導(dǎo)致體應(yīng)變觀測值減小。被抽水干擾的體應(yīng)變數(shù)據(jù)，容易被誤判為地震異常。

(2) 抽水、氣壓等因素對蚌埠臺體應(yīng)變的變化產(chǎn)生影響，但這種影響相對于區(qū)域應(yīng)力場的變化卻很小，體應(yīng)變的趨勢仍是區(qū)域的地應(yīng)力活動水平的一種直接體現(xiàn)。

(3) 鉆孔觀測環(huán)境可比喻為井下儀器的外延，或者說鉆孔觀測環(huán)境是井下地形變連續(xù)觀測儀器的一個不可缺少的重要組成部分[9]。通過對蚌埠體應(yīng)變資料的分析，加深了我們對鉆孔觀測環(huán)境的理解，也為今后體應(yīng)變的選址提供了參考。

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