嘉山臺鉆孔應變儀觀測影響因素探究

孫亮亮 潘潔 應允翔 趙桂寶 王遠

摘 要：本文對安徽省嘉山地震臺TJ-Ⅱ型體應變儀觀測資料進行了研究分析，重點分析降雨、氣壓、地下水位、人為干擾等因素對體應變儀的影響，從而探究各因素與體應變的相關性。根據各因素與體應變相關性程度不同，對觀測方法進行改進，提高觀測質量。通過研究正確區分出地震前兆異常和干擾異常，為地震預報工作者預報地震提供更為可靠的數據保證。研究成果已服務于臺站會商及日常前兆異常跟蹤工作，為體應變異常核實提供研判依據。

關鍵詞：鉆孔體應變儀 降雨 異常核實

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（b）-0050-003

安徽省嘉山地震臺位于安徽東北部，該地區及鄰區是安徽省地震重點監視區。體積式鉆孔應變儀 （儀器型號大多為TJ-Ⅱ型），一般探頭安裝在地下幾十米，具有人為干擾小、穩定性高等特點。近年來安徽滁州市地區（郯廬斷裂南段）增上多套該類儀器，隨著觀測的積累與深入，獲得了很多寶貴資料。本臺通過對大量體應變資料進行分析，發現鉆孔體應變觀測受干擾因素較多，其中以氣象因素對體應變影響尤為顯著。深入而全面地分析研究鉆孔體應變變化特征和干擾因素，可以有效提取體應變前兆異常，提高體應變在地震預報中的應用價值，是有效使用這些前兆資料、進行前兆異常跟蹤分析的基礎。本文對安徽省嘉山地震臺TJ-Ⅱ型鉆孔體應變資料干擾因素進行分析，以期達到更好地進行前兆異常跟蹤分析的目的。

1 臺站簡介

安徽省嘉山地震臺鉆孔應變觀測始于2009年8月，2010年3月，嘉山臺TJ-2型鉆孔應變儀試運行結束，開始正式投入觀測。嘉山臺鉆孔體應變儀記錄的應變曲線光滑、固體潮清晰，日變規律明顯，具有良好的周期性特征（見圖1）。臺站位于明光市處于淮陽臺隆的張公嶺臺拱內，屬下揚子地塊、印支燕山期。由于郯廬斷裂帶西支的影響，地塊變形嚴重，新生代該區仍表現上升，臺基巖性為玄武巖。

2 裝置系統運行評價

鉆孔情況。鉆孔編號：01；開口孔徑：150mm；終孔孔徑：130mm；孔深：64.3m（到套管頂）；巖石性質：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處巖層變化出現軟弱巖層，最后鉆孔到80.0m處。發現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

國內體應變觀測技術研究表明，影響體應變觀測的干擾因素有很多，但是最主要的干擾因素有氣象因素干擾和人為因素干擾。本文重點分析了降雨、氣壓及人為因素干擾。

3.1 降雨影響

降雨對鉆孔體應變的影響可分為兩類：（1）降雨對大地產生的負荷效應。當降雨大時（特別是大暴雨時），體應變觀測曲線上明顯有數據變化。具體來說，當降雨量達1cm時，其對體應變觀測干擾量約為0.32×10-8；（2）降雨過后對巖土產生的空隙壓力效應。降雨過后，雨水會慢慢滲入巖體孔隙中，巖石含水量會逐漸增加，孔隙壓力就會隨之增加，迫使巖體體應變發生壓縮變形。具體來說，當降雨量達1cm時，巖土水平狀含水層中孔隙水壓力的大約會增加1hPa，從而引起 0.73×10-8hPa的體應變變化量。

我們可以得出結論：降雨及雨水的滲透會造成水位的上升和孔隙壓力增大，一般降雨對體應變的影響為壓性變化。

但是安徽省嘉山地震臺體應變的觀測結果卻不完全符合這一點。經過現場實地勘察和地質構造分析后發現，嘉山臺體應變鉆井和一般平地觀測的體應變鉆井存在兩點較大不同：一是嘉山臺體應變鉆井位于清明山半山腰，鉆孔初期鉆井內沒有水 ，但是可能因為巖石的破碎，后期鉆孔內有流水滲入；二是鉆孔到65m處時遇到軟弱巖層，后用水泥砂漿回填。這極可能是導致降雨對嘉山臺體應變觀測影響差異的原因。選取2015年8月份數據進行分析，我們可以清晰看到降雨對體應變的壓性變化作用。

8月8～10日，降雨量達95.3mm，8月19～20日，降雨量達77.3mm，引起體應變數據明顯下降（見圖2）。

3.2 氣壓影響

體應變所受到的氣壓影響主要來自大氣壓力的負荷效應，它會使地表負荷以及井孔垂直附加應力產生變化從而影響鉆孔體應變。通常情況下，不同季節的風向、幅度、波長對氣壓干擾系數也有所不同。研究表明，短時段內的氣壓驟變會明顯影響觀測數據。具體表現為在雷雨、大風、降溫等強對流極端天氣過程來臨之前，氣壓會顯著影響體應變固體潮波形，使數據曲線發生畸變。

一般來說，長周期的氣壓緩變會影響固體潮波形趨勢走向，但對鉆孔應變觀測所記錄的固體潮波形影響并不明顯，會造成波形零漂或改變漂移方向，影響時間可能會持續幾天，所記錄曲線表現為凹凸狀，這會給異常跟蹤分析帶來影響。氣壓對鉆孔應變儀器的干擾程度因臺站地理位置、基巖巖性不同而各異，且氣壓干擾與應變不同步，存在滯后或者提前現象。

嘉山臺的鉆孔體應變井孔深64.3m，會受氣壓變化的影響，并在不同的季節表現出強弱不同，氣壓系數在（0.13～1.65）×10-10Pa之間。嘉山臺鉆孔應變與氣壓呈正相關，與一般臺站不同（見圖3）。

我們可以得出結論：通過計算、對比分析體應變觀測數據及氣壓所記錄的形態，發現氣壓變化與體應變觀測之間呈現負相關，氣壓對體應變測值影響為10-9hPa量級。

3.3 人為因素影響

嘉山臺體積式鉆孔應變儀TJ-II，2016年5月12日16：30至2016年5月13日13：30間，體應變受到人為干擾影響。因測試水位探頭是否正常，于12日16：30～16：40往井中注水50L，體應變數值產生階變上升，變化幅度約316.6×10-9，觀測數據于13：30恢復穩定（見圖4）。

4 結語

（1）嘉山臺體應變觀測數據受降雨（大雨或暴雨）干擾較為嚴重，一般表現為張性變化，即呈下降趨勢，與一般臺站不同。這可能與嘉山臺鉆孔井地理、地質環境有關，需進一步深入研究。（2）嘉山臺體應變觀測數據與氣壓呈正相關，同步性較強，但是一般臺站氣壓變化與應變觀測之間呈現負相關。這可能與嘉山臺鉆孔井地理、地質環境有關，需進一步深入研究。（3）嘉山臺體應變觀測數據受鉆孔內水位影響較為明顯，但多年來因為水位探頭安裝原因，水位數據缺失對于本次研究造成很大影響。嘉山地震臺正在積極協商解決水位探頭問題。

參考文獻

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