注水試驗與降雨對體應變儀干擾的分析與研究

王 艷，王慧芳，趙慧琴，呂文青，張 肖

(1.河北省地震局保定中心地震臺, 河北 保定 071000；2.河北省地震局文安地震臺，河北 文安 065800)

0 引言

TJ-Ⅱ型體積式鉆孔應變儀的靈敏度為10-9，能清晰記錄到應變固體潮。根據其觀測結果可以推斷測區應力狀態的變化，為地殼應力應變場及地球動力學研究提供基礎資料[1]。“九五”期間，在我國數字化地震前兆臺網的技術改造中，易縣地震臺(以下簡稱易縣臺)安裝一套TJ-Ⅱ型數字體應變儀及相應的水位、氣壓、溫度等輔助觀測系統。2001年投入使用至今，從體應變產出的觀測資料中發現觀測過程受到多種因素的影響，其中地下水位的變化與體應變儀產出的資料具有一定的相關性。文章對降雨、注水兩種水位變化與體應變儀測值的相關性進行分析。

1 體應變儀簡介

“九五”期間，在易縣臺安裝一套數字化鉆孔體應變儀，儀器的主要概況如表1所示。

表1 易縣地震臺體應變儀概況Table 1 General situation of volumetric strain gauge at Yixian Seismic Station

2 降雨與注水試驗對體應變儀測值的影響

2.1 對降雨影響的分析

2.1.1 降雨影響的定性分析

不同時期體應變測值與水位的變化曲線如圖1和第2頁圖2、圖3、圖4所示。

圖1 2003年10月11日-12日體應變分鐘值與水位的變化曲線Fig.1 Change of minute value of volumetric strain and water level on October 11 to 12, 2003

由圖1、圖2、圖3和圖4看出，在2003年10月11日、2004年8月11日、2007年8月10日、2008年7月14日輔助水位均有明顯的上升，體應變也存在明顯的上升趨勢，呈壓性。在上述時段的前幾天，易縣臺附近都有大面積降雨發生，降水量在40 mm到140 mm不等。水位和體應變測值的變化比地表降水變化有明顯的滯后。

圖2 2004年8月11日-12日體應變分鐘值與水位的變化曲線圖Fig.2 Change of minute value of volumetric strain and water level on August 11 to 12, 2004

圖3 2007年8月10日-11日體應變分鐘值與水位的變化曲線圖Fig.3 Change of minute value of volumetric strain and water level on August 10 to 11, 2007

2.1.2 降雨影響的定量分析

文章把2003年、2004年、2007年和2008年中降雨變化特別明顯幾天的數據作為研究例子，數據如表2、表3所示。

由表2、表3看出，易縣臺鉆孔水位對降雨量的變化反應靈敏，井水位對降雨的放大倍數達到30～62，在目前國內的體積應變觀測站中是較高的[2]。易縣的鉆孔巖石較為完整，在應變儀的上方少有破碎帶。雖然降雨導致井水水位變化很大，但降雨時的井水水位對體應變的干擾系數卻較小[3]。4次降雨造成井水水位的干擾系數在0.003～0.049，干擾系數非常接近，此結果在其他臺站該方面的研究是否具有代表性，還有待驗證。若有代表性，則在處理數據過程中，對體應變的觀測值可進行校正。另外，在處理降雨干擾時，井水位的數據最為重要，不需要依據降雨量參數來做干擾校正，降雨量的干擾系數在4次降雨過程中各不相同且變化較大。

圖4 2008年7月14日-16日體應變分鐘值與水位的變化曲線圖Fig.4 Change of minute value of volumetric strain and water level on July 14 to 16, 2008

時間年-月-日觀測手段單位變化前變化后變化量2003-10-12體應變(TJ-Ⅱ)10-10/mv13 635.514 188.3552.82003-10-12輔助水位cm411.0592.2181.22004-08-11—12體應變(TJ-Ⅱ)10-10/mv5 860.06 420.0560.02004-08-11—12輔助水位cm610.0725.2115.22007-08-10—11體應變(TJ-Ⅱ)10-10/mv840.01 280.0440.02007-08-10—11輔助水位cm630.0825.0195.02008-07-14體應變(TJ-Ⅱ)10-10/mv-3 100.0-2 500.0600.02008-07-14輔助水位cm630.0825.0195.0

表3 降雨量、井水位變化量、體應變變化量之間的關系[2]Table 3 Relationship between rainfall, water level variation and volumetric strain variation

2.2 對注水影響的分析

2.2.1 注水影響的定性分析

注水試驗中，體應變測值與輔助水位的變化曲線如圖5所示。

圖5 注水試驗的輔助水位和體應變測值變化曲線Fig.5 Water injection test auxiliary water level change curve and volumetric strain curve

由圖5看出，注水完成后，輔助水位明顯快速上升。體應變曲線在注水的幾分鐘內明顯畸變，但是經過一段時間后，未有明顯變化。表明體應變只是在注水瞬間，儀器受到水位波動的干擾，體應變儀器周圍的巖體沒有發生明顯的改變。

2.2.2 注水影響的定量分析

2008年1月17日做注水實驗，8點51分至58分一次性注水5 L，注水所用瓶子的瓶口直徑為23 mm，數據如表4、表5所示。

表4 注水試驗時觀測數據變化情況Table 4 Change of water injection test data

表5 井水位、體應變變化量之間的關系Table 5 Relationship between variation of well water level and volumetric strain

由表4、表5看出，注水試驗中井水位的干擾系數是0.013 9E-8/cm，文章得出降雨造成井水位的干擾系數均值為0.026E-8/cm，是注水試驗中井水位干擾系數的1.87倍。這一差異說明，降雨造成的地下裂隙水壓力加載平面范圍較大，而短時間內的注水試驗中，裂隙水壓力加大的范圍較小。后一種情況下，在探頭周圍產生的附加應變場較小，所呈現的井水位干擾系數較小。

3 降雨與注水試驗不同反應強度的機理分析

3.1 從變化的直接原因分析

體應變儀器傳感器和輔助水位傳感器在地下70多米，地表降雨滲透到體應變儀器測量位置，造成地下巖體膨脹至少要有一定時間的延遲。在降雨過程中，水位和體應變的變化時間比地表降雨的時間有明顯滯后，但是在注水試驗過程中，在注水試驗發生的時刻，體應變和輔助水位的數據伴隨注水幾乎同時上升。這種直接原因對體應變的影響不大，幾乎可以忽略。

3.2 從變化的間接原因分析

下面通過變化的間接原因進行分析，降雨作用效果如圖6所示。

① 降雨；虛線部分指地表巖石塊體受壓變形；② 巖石因發生形變向下傳導應力；③ 巖石塊體受壓后產生水平向的應力應變；④ 體應變測量得到的應變數據圖6 降雨干擾作用力效果圖Fig.6 Effects of rainfall interference

從變化的間接原因分析，降水變化引起地表負荷增加。地表水的重力作用擠壓地表巖石塊體，造成壓力向下傳遞，引起巖石孔隙水滲出，造成水位上升。降雨是大面積的地表作用，不同于小范圍注水。大面積的地表應力增加，使得地下巖石受到壓迫，地殼巖石體應變量增大，造成體應變儀數據增大。由上面的數據和圖形得出，降雨是大范圍事件，造成大范圍的地表應力變化。這種地表應力直接傳到地下殼體，地下殼體的孔隙水空間飽和，造成孔隙壓力增大，輔助水位和體應變儀傳感器探頭周圍巖體擠壓，數據明顯增大。所以，降水、輔助水位、體應變三者表現為明顯的正相關。 注水實驗的效果圖如圖7所示。

① 原有的水位位置；② 注水以后的水位位置；③ 注入水；④ 測得的應變數據圖7 注水實驗作用示意圖Fig.7 The effect of water injection test

由圖7可知，在做注水實驗的過程中，水注入到了觀測井中，水位由①位置上升到②位置。體應變儀在注水時間內，受注水造成的波動影響，數值略有變化。一段時間后，回復正常的固體潮曲線，無大趨勢的上升或者下降。說明注水只對儀器造成干擾，對儀器周圍地殼巖石塊體的應力應變不會產生明顯影響。注水會造成井內水位的上升，但不會影響觀測井周圍巖體的應變。

4 結論

(1) 在降雨后輔助水位明顯上升的情況下，地殼巖石發生正相關的應變。認為降雨是大范圍事件，造成大范圍的地表應力變化[4-5]，地殼巖石可以看作粘彈性體，垂直的應變作用在巖體表面，在巖體內部造成水平方向的應變。這種地表應力直接傳到地下致使孔隙壓力增大，造成輔助水位和體應變儀傳感器探頭受周圍巖體擠壓，數據明顯增大。所以，降水、輔助水位、體應變三者表現為明顯的正相關。

(2) 注水造成井內輔助水位明顯上升的情況下，地殼巖石未發生相應的應變。表明，注水只是改變探頭周圍地殼應變的事件，沒有造成大范圍的應力變化。注水雖然造成井內水位的上升，但不影響觀測井周圍巖體的應變。所以，注水實驗只是短時間對儀器本身的干擾。

參考文獻：

[1] 王梅.數字化體應變與氣壓、水位相關性研究[J].大地測量與地球動力學，2002(4)：85.

[2] 李占錄.易縣地震臺體應變受降雨干擾的異常變化[J].地震地磁觀測與研究，2005，26(10)：176.

[3] 蘇愷之.TJ型鉆孔式體應變儀井孔注水試驗[G]//地殼構造與地殼應力文集.北京：地震出版社，2003：141.

[4] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.寬頻帶傾斜儀及其觀測干擾因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[5] 李惠玲，高云峰，程冬焱，等.VP寬頻帶垂直擺傾斜儀觀測干擾識別[J].地震地磁觀測與研究，2018，39(2)：100-107.