林國(guó)元

(福建省地震局水化學(xué)實(shí)驗(yàn)站,福州 350025)

福州地震臺(tái) TJ-2型體積式應(yīng)變儀安裝及注水試驗(yàn)

林國(guó)元

(福建省地震局水化學(xué)實(shí)驗(yàn)站,福州 350025)

在安裝福州地震臺(tái) TJ-2型體積式應(yīng)變儀過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)存在鉆孔選點(diǎn)與觀測(cè)室分開(kāi)考慮等問(wèn)題,提出一些建議。井孔注水試驗(yàn)結(jié)果揭示,該井孔探頭頂部可能存在一個(gè)與探頭近距離的含水層干擾。初步對(duì)氣壓、水位、降雨影響進(jìn)行分析。

TJ-2型;體應(yīng)變;安裝;注水試驗(yàn)

0 引言

我國(guó)目前已有數(shù)十臺(tái) TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀投入運(yùn)轉(zhuǎn),全部清晰記錄到應(yīng)變固體潮汐,多數(shù)臺(tái)站的應(yīng)變固體潮汐記錄達(dá)到Ⅰ類形變地震臺(tái)的水平[1]。本文將福州地震臺(tái) TJ-2型體積式應(yīng)變儀安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法進(jìn)行總結(jié),同時(shí)進(jìn)行注水試驗(yàn),初步分析氣壓、水位、降雨對(duì)該鉆孔體應(yīng)變的影響。

1 觀測(cè)井概況

福州地區(qū)位于華南地震區(qū)北部,東南沿海地震帶北段。觀測(cè)井地理位置為東經(jīng) 119°16″、北緯26°05″,位于八一水庫(kù)-螺洲斷裂構(gòu)造帶的南段,大夢(mèng)山邊坡上。場(chǎng)地原始地貌類型屬山前坡殘積臺(tái)地,其表層被第四系(Q4)所覆蓋,蓋層為碎雜填土,厚度為0.75m,為新近填土,時(shí)間大約10年,密實(shí)度及均勻性尚差;下部為二長(zhǎng)花崗巖,呈灰白、灰黃、淺肉紅色、肉紅色,巖石成分主要由長(zhǎng)石、石英和少量云母礦物組成。巖體總體較完整,巖芯呈柱狀,極少數(shù)為塊狀,局部節(jié)理裂隙發(fā)育,裂面大多呈閉合狀,并見(jiàn)有鐵錳質(zhì)渲染或綠泥石化現(xiàn)象,屬塊狀或裂隙塊狀結(jié)構(gòu),巖石強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)致密,巖石顆粒硬度大,為堅(jiān)硬巖,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ類。

觀測(cè)井區(qū)地下水主要賦存和運(yùn)移于花崗巖孔隙、網(wǎng)狀裂隙中,地下水類型主要為孔隙潛水,主要接受大氣降水的下滲補(bǔ)給,并通過(guò)蒸發(fā)及大致由北向南部低洼地段滲流排泄,鉆孔內(nèi)這部分地下水均已被水泥封止;基巖中二長(zhǎng)花崗巖,局部節(jié)理裂隙發(fā)育,據(jù)鉆探揭露共有4個(gè)節(jié)理裂隙發(fā)育段(較破碎):10.46～11.99m,23.53～24.09m,37.73～38.11m,52.93～57.02m。鉆孔內(nèi)8h觀測(cè)穩(wěn)定水位埋深為7.30m。開(kāi)口孔徑:150mm;終孔孔徑:130mm;孔深:83.2m(到套管頂)。

2 安裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 鉆孔選點(diǎn)與觀測(cè)室分開(kāi)考慮

鉆孔位于福州臺(tái)大樓西側(cè),臺(tái)站在選點(diǎn)鉆孔時(shí),并未確定觀測(cè)室。在儀器安裝人員到來(lái)之前,臺(tái)站準(zhǔn)備了3個(gè)觀測(cè)室以供選擇:一是水質(zhì)觀測(cè)室,距觀測(cè)井最近,直線距離只有5m;由于該室存有酸堿且潮濕,沒(méi)有接地避雷地線,被否定。二是水位觀測(cè)室,距觀測(cè)井直線距離25m;該室沒(méi)有接地避雷地線,也被否定。最后選定信息室,距觀測(cè)井最遠(yuǎn),直線距離34m;該室有信息節(jié)點(diǎn),有接地避雷地線,雖然距離遠(yuǎn),對(duì)信號(hào)傳輸及避雷不理想,是3個(gè)觀測(cè)室中最適合體應(yīng)變觀測(cè)的。實(shí)際上,確定體應(yīng)變觀測(cè)室,不僅要求觀測(cè)室干燥、沒(méi)有腐蝕氣體、與觀測(cè)井距離短,最好是有接地避雷地線或有其它避雷措施[1]。

2.2 計(jì)算電纜線長(zhǎng)度太短

觀測(cè)室未定,上報(bào)廠家的電纜線長(zhǎng)度只是一個(gè)估算值。在安裝時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜線太短,用連接頭來(lái)連接2條電纜線。根據(jù)此次安裝認(rèn)為計(jì)算電纜線長(zhǎng)度為:井深+地面長(zhǎng)度+接入觀測(cè)室長(zhǎng)度+預(yù)留3～5m,室內(nèi)多余的電纜線太長(zhǎng)容易引雷。

2.3 沒(méi)有制訂安裝計(jì)劃

福州地震臺(tái) TJ-2型體積式應(yīng)變儀安裝沒(méi)有制訂安裝計(jì)劃,在配合廠家安裝人員開(kāi)展工作時(shí),如何應(yīng)對(duì)灌水泥和探頭下井過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題,沒(méi)有應(yīng)對(duì)措施。TJ-2型體積式應(yīng)變儀安裝要制訂“安裝計(jì)劃”,并在安裝之前,進(jìn)行注水試驗(yàn),了解注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù);進(jìn)行模擬預(yù)安裝,及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題。

2.4 有關(guān)鉆孔應(yīng)變儀知識(shí)準(zhǔn)備不足

在實(shí)際應(yīng)用中,明顯感到學(xué)習(xí)地殼形變知識(shí)[2-3]不夠深入,對(duì) TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀的感性認(rèn)識(shí)不足。應(yīng)到已安裝 TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀的臺(tái)站參觀學(xué)習(xí),了解安裝整個(gè)過(guò)程,注意事項(xiàng);要認(rèn)真學(xué)習(xí) TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀說(shuō)明書(shū)(廠家有電子版)。

3 注水試驗(yàn)

3.1 注水試驗(yàn)結(jié)果

2010年6月4日9時(shí)45分進(jìn)行鉆孔注水試驗(yàn),根據(jù)體應(yīng)變儀井孔注水試驗(yàn)及推導(dǎo)公式1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所應(yīng)變觀測(cè)技術(shù)課題組.體積式鉆孔應(yīng)變儀短臨前兆學(xué)習(xí)研討會(huì)議文集[M].北京:中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,2004:139-151.,計(jì)算結(jié)果如表1。Δh0:井孔水位在理想條件下的預(yù)計(jì)值;Δh:井孔水位實(shí)際上升值;η:注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù);ΔV/V:受注水影響的體應(yīng)變值;W:井內(nèi)注水干擾系數(shù)。

表1 福州臺(tái)體應(yīng)變儀井孔注水試驗(yàn)結(jié)果表

3.2 注水試驗(yàn)結(jié)果分析

由于η很小,表明井內(nèi)存在明顯的含水層或破碎帶,且含水層滲透性強(qiáng),厚度大;以η約為0.085計(jì)算,含水層半徑R約為49.3m。根據(jù)鉆探資料,鉆探揭露共有4個(gè)節(jié)理裂隙發(fā)育段(較破碎),上層3段厚度只有1m左右,最下層為52.93～57.02m段,厚度達(dá)到4.09m,該段到探頭的距離L只有24m。因?yàn)長(zhǎng)?R,注水時(shí),含水層內(nèi)孔隙水壓力使含水層像一個(gè)大型的柔性壓板壓向下方的巖體,使應(yīng)變儀探頭的圍巖產(chǎn)生明顯的附加應(yīng)變量(圖1)。

據(jù)11個(gè)臺(tái)站注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)1)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所應(yīng)變觀測(cè)技術(shù)課題組.體積式鉆孔應(yīng)變儀短臨前兆學(xué)習(xí)研討會(huì)議文集[M].北京:中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,2004:139-151.,福州臺(tái)的注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù)η最小,井內(nèi)注水干擾系數(shù)W最大。從體應(yīng)變和水位分鐘值來(lái)看(圖1、表2),水位在注水后第1分鐘上升1.04cm,第2分鐘上升2.17cm,第3分鐘開(kāi)始下降,第2分鐘上升速度是第1分鐘上升速度的2.0865倍;體應(yīng)變?cè)谧⑺蟮?分鐘上升18.56×10-9,第2分鐘上升38.72×10-9,第3分鐘開(kāi)始下降,第2分鐘上升速度是第1分鐘上升速度的2.0862倍。從表2第2到第4組數(shù)據(jù)看,注水試驗(yàn)時(shí),體應(yīng)變和水位分鐘值是同步上升,且是正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999999996,它們的關(guān)系表達(dá)式為:水位值=0.05604×體應(yīng)變值+549.31。因此,從水位和體應(yīng)變的線性關(guān)系看,據(jù)巴斯噶定律[4],含水層內(nèi)孔隙水壓力似乎是直接作用在探頭頂部,這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),也說(shuō)明該含水層對(duì)鉆孔體應(yīng)變存在明顯干擾。

圖1 福州臺(tái)體應(yīng)變鉆孔注水實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖(2010.06.04)

表2 福州臺(tái)體應(yīng)變儀井孔注水試驗(yàn)時(shí)體應(yīng)變和水位分鐘值表

4 氣壓、水位、降雨影響

4.1 氣壓、水位影響

氣壓、水位是鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)的主要干擾,本文選取2010年5月的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸計(jì)算,樣本總數(shù)為44640。體應(yīng)變和氣壓的相關(guān)系數(shù)R=0.3534,氣壓干擾系數(shù)為1.38×10-8/hPa;與日本9個(gè)臺(tái)站計(jì)算值相當(dāng),比國(guó)內(nèi)其它臺(tái)站(0.4×10-8～0.8×10-8/hPa)[1,5]略大。體應(yīng)變和水位的相關(guān)系數(shù) R=0.9191,水位干擾系數(shù)為 1.72×10-8/cm,與井內(nèi)注水干擾系數(shù)1.78×10-8/cm基本相同,也驗(yàn)證了注水試驗(yàn)的推測(cè),即該鉆孔的52.93～57.02m段裂隙含水層對(duì)應(yīng)變儀探頭的圍巖產(chǎn)生明顯的附加應(yīng)變量。

4.2 降雨影響

福州臺(tái)體應(yīng)變于2010年初安裝,這一階段降雨量很少,選最近5月19—31日降雨資料分析。從19日6時(shí)開(kāi)始降雨,到23日 5時(shí)停止,降雨量為72.5mm;水位從19日14時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)折上升,到24日15時(shí)達(dá)到最高點(diǎn),上升了25.9cm;降雨對(duì)水位的影響是緩慢趨勢(shì)上升,有8h的滯后,井水水位放大倍率 K為3.57;27—30日共降雨58.3mm,由于水位處在下降恢復(fù)過(guò)程中,降雨對(duì)水位的影響只有2h的滯后(圖2)。體應(yīng)變和水位的相關(guān)性很好,降雨對(duì)體應(yīng)變影響也存在相應(yīng)滯后(圖2)。該鉆孔處在大夢(mèng)山邊坡上,上層的孔隙潛水主要接受大氣降水的下滲補(bǔ)給,但在鉆孔中已被水泥封止;下層的承壓裂隙水主要接受外圍山上大氣降水的下滲補(bǔ)給,地下水逕流很慢,降雨對(duì)該井的水位影響有一定的滯后。降雨對(duì)水位、體應(yīng)變影響比較復(fù)雜,它不僅與降雨量有關(guān),與降雨形式有關(guān),還與氣候(旱季和雨季)、周邊開(kāi)采等水文地質(zhì)條件變化有關(guān),需要積累數(shù)年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。

圖2 福州臺(tái)體應(yīng)變、水位、降雨觀測(cè)曲線(2010.05)圖

5 討論及建議

(1)在選擇觀測(cè)井點(diǎn)時(shí),應(yīng)把觀測(cè)井位和觀測(cè)室一并考慮;在安裝之前,要認(rèn)真學(xué)習(xí) TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀說(shuō)明書(shū),事前最好要制訂“安裝計(jì)劃”;并在安裝之前進(jìn)行注水試驗(yàn),了解注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù);進(jìn)行模擬預(yù)安裝,及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題。

(2)福州臺(tái)體應(yīng)變鉆孔注水水位轉(zhuǎn)換系數(shù)η最小,井內(nèi)注水干擾系數(shù)W最大,注水干擾系數(shù)與水位干擾系數(shù)基本相同,揭示該鉆孔存在一個(gè)與探頭近距離的含水層干擾。

(3)初步分析:降雨對(duì)福州臺(tái)體應(yīng)變鉆孔水位的影響是緩慢趨勢(shì)上升,有8h的滯后,井水水位放大倍率 K為3.57。

(4)福州臺(tái)體應(yīng)變和水位分鐘值在注水試驗(yàn)時(shí)呈正相關(guān)上升,相關(guān)系數(shù)達(dá)到1,是否一種巧合,有待進(jìn)一步試驗(yàn)及收集其它臺(tái)站的注水試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

感謝蘇愷之教授對(duì)本文指導(dǎo)和審閱。

[1] 蘇愷之,李海亮,張均,等.鉆孔地應(yīng)變觀測(cè)新進(jìn)展[M].北京:地震出版社,2003.1-62.

[2] 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地殼形變數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M].北京:地震出版社,2003.50-102.

[3] 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地震數(shù)字化觀測(cè)規(guī)范[M].北京:地震出版社,2002.1-30.

[4] 王大純,張人權(quán).水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社1980.78-96.

[5] 陳德福,李玉.懷來(lái)等臺(tái)固體潮觀測(cè)調(diào)和分析結(jié)果[J].華北地震科學(xué),2000,18(2):41-46.

Installing of Tj-2tpye Volume Strain Meter and Drill-hole Water Injection Test in Fuzhou Seismic Station

LIN Guo-yuan
(Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 350003,China)

Problems appeared in the installing Tj-2tpye volume strain meter in Fuzhou seismic station,that where drill the hole and where to be the observing room were considered at different time and so on,are discussed and some suggestions are given.The results of the drill-hole water injection test in Fuzhou seismic station indicated that the thickness of the cement layer on the top of sensor did not reach design request and there is the disturbance of aquifer layer in the segment of the drill-hole to the strain-meter observation.The influence of atmospheric pressure and water level and rainfall to the volume strain is analyzed.

Tj-2type;volume strain;Installing;drill-hole water injection test

P315.62

A

1003-1375(2011)01-0053-04

2010-04-09

中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)項(xiàng)目-福建省地形變臺(tái)站場(chǎng)址勘選項(xiàng)目資助

林國(guó)元(1962-),男,福建莆田人,福建省地震局水化學(xué)實(shí)驗(yàn)站工程師,主要從事地震地下流體監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作.E-mail:gylin090933@sina.com.