杲杰

摘? 要：以皖14井為例，提出在井壁和井孔某深處投放電極的方法，僅利用自然電場(chǎng)能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)該層位水電流的長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，從而回避電源以及孔裂隙中的雜質(zhì)在移遷時(shí)造成水位變化的無(wú)震異常;該方法還可以準(zhǔn)確地獲取井下含水層流水位置和其他水文地質(zhì)參數(shù);在數(shù)據(jù)采集方面，提出使用機(jī)器視覺(jué)的表盤(pán)自動(dòng)讀數(shù)技術(shù)實(shí)行無(wú)接觸模式來(lái)完成。該觀(guān)測(cè)方法填補(bǔ)了地震監(jiān)測(cè)工作的一項(xiàng)空白，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)進(jìn)一步開(kāi)拓了深度。

關(guān)鍵詞：深井? ?水文地質(zhì)? ?水電流? ?自然電場(chǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）06（c）-0001-03

Preliminary Study on Deep Well Water Current Observation Project

GAO Jie

（ Seismological Bureau of Jinzhai County， Lu'an， Anhui Province， 237321? China）

Abstract： Taking Anhui NO. 14 Well as an example， a method of dropping electrodes at a certain depth of the borehole wall and borehole is proposed， which only uses the energy of natural electric field to realize the long-term observation of water current in this layer， so as to avoid the aseismic anomaly of water level change caused by power supply and impurities in pore fissures during? ?migration; This method can also accurately obtain the water position of underground aquifer and other hydrogeological parameters; In the aspect of data acquisition， it is proposed to use the dial automatic reading technology of machine vision and implement the non-contact mode. This observation method fills a gap in earthquake monitoring and further develops the depth for earthquake monitoring and prediction.

Key Words： Deep well; Hydrogeology; Water current; Natural electric field

皖14井自1985年1月1日觀(guān)測(cè)以來(lái)，36年來(lái)水位資料連續(xù)完整。地下水動(dòng)態(tài)分析上，主要精力都用在無(wú)震異常的識(shí)別。這些異常中除強(qiáng)降水和氣壓驟變引起井水位的變化可識(shí)別外，很多形態(tài)的水位異常是無(wú)法識(shí)別的。因?yàn)榈叵滤谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與圍巖介質(zhì)接觸，接受了各種離子、分子、懸浮物、氣體和微生物[1]。這些物質(zhì)在溫度、流量、流速等環(huán)境因素具備的情況下，可以結(jié)晶，可以形成絮狀物，可以存在流體中，也可附著在孔裂隙的巖壁上，進(jìn)而對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。特別是懸浮物是運(yùn)動(dòng)的，附著物又可在自身重力，外力振動(dòng)以及水速水量變化的前提下，發(fā)生脫落、溶解或遷移，特別是孔裂隙中流體流動(dòng)斷面陡然變小處上附著物的移位，可瞬間使孔口四周發(fā)生驟變而導(dǎo)致地下水位的異常，孔口上附著物在阻礙地下水運(yùn)動(dòng)的作用方面，還具有正反方向影響效果不對(duì)稱(chēng)的問(wèn)題，在時(shí)間上這些事件又幾乎都是隨機(jī)發(fā)生的[2]。

地球上不僅存在著電磁場(chǎng)，而且存在著地電場(chǎng)，地表任意兩點(diǎn)間存在著電壓。因此，在井孔內(nèi)任意兩點(diǎn)裝上電極，就可以測(cè)得這兩點(diǎn)間的電壓和電流[3]。而指針式機(jī)械表具有安裝維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。有些儀表甚至可以不使用外部電源直接采用自然電場(chǎng)的能量實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，這樣既減少了供電環(huán)境的變化給觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)的擾動(dòng)，還可以減少雷電帶來(lái)的危害。磁電式微安表就是一例，在20世紀(jì)70年代，曾廣泛應(yīng)用于群眾地震測(cè)報(bào)點(diǎn)和地震臺(tái)站，但該類(lèi)儀器需人工定時(shí)讀數(shù)，不能滿(mǎn)足實(shí)際需求而被淡出觀(guān)測(cè)領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，指針式機(jī)械表自動(dòng)讀表技術(shù)又應(yīng)運(yùn)而生[5]。在這背景下，筆者試圖探索新的觀(guān)測(cè)手段，尋找井孔中可以揭示井區(qū)含水層受應(yīng)力作用而變化新的物理量，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)測(cè)可能發(fā)生地震的目的。

1? 水電流儀的原理及制作與安裝

深井水電流是自然電位測(cè)井中所測(cè)的電流。它在無(wú)須人工供電的情況下，測(cè)量沿井軸移動(dòng)的M電極相對(duì)與地面固定電極N之間的自然電位差。并利用它來(lái)研究和判斷孔內(nèi)地層巖性在縱向上的分布情況、含水層的位置、厚度及地下水水質(zhì)等各種地質(zhì)問(wèn)題[6]。因?yàn)槲脖硎抢靡恢混`敏的磁電式直流電流表做表頭。當(dāng)微小電流通過(guò)表頭，就會(huì)有電流指示。由于其內(nèi)阻穩(wěn)定，且采用了張絲支承，儀表偏轉(zhuǎn)時(shí)不存在摩擦，從而提高了儀表的靈敏度，保證了儀表讀數(shù)的準(zhǔn)確性。按自然電位測(cè)井的要求，設(shè)計(jì)出深井水電流結(jié)構(gòu)如圖1。

1.1 電極的制作

由于鉆井在地表設(shè)有鋼套管保護(hù)井口，從體積上，一般長(zhǎng)度有幾十米甚至多達(dá)上百米，直徑多在10 cm以上，它經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年的極化，性能較為穩(wěn)定，所以是測(cè)自然電位中需在地面設(shè)置的一根理想電極，但使用前最好還是要對(duì)鋼套管做一次防腐蝕保護(hù)。另一根需要制作，制作前首先要將導(dǎo)線(xiàn)放在井下深處作高壓測(cè)試，檢查所要使用的導(dǎo)線(xiàn)是否有漏電可能。導(dǎo)線(xiàn)可用后，電極材料可以使用鉛或炭棒，因?yàn)殂U的熔點(diǎn)只有327.46 ℃，容易制造。只要將鉛熔化后灌入制作電極的圓柱形摸具中，趁鉛液尚未凝固，插入露頭的導(dǎo)線(xiàn)，插入深度要包含導(dǎo)線(xiàn)外層絕緣體，讓鉛液與導(dǎo)線(xiàn)外皮充分接觸，并保留于與鉛柱接觸部位的凹槽狀（澆鑄時(shí)鉛液冷卻時(shí)自動(dòng)形成）。這凹槽是用于填充臘液、環(huán)氧樹(shù)脂或絕緣膠等，作用是對(duì)導(dǎo)線(xiàn)和鉛體接觸部位進(jìn)行密封和固定。電極制作好后，就可以按圖1接線(xiàn)完成安裝。

1.2 電極的投放

電極投放前首先要在導(dǎo)線(xiàn)上做好長(zhǎng)度標(biāo)志，如有帶刻度的導(dǎo)線(xiàn)則更好，以便掌握探頭投放的深度。如果有可測(cè)微安量級(jí)的自記儀器，最好用它替代微安表記錄不同深度處的電流值，觀(guān)測(cè)時(shí)需人工配合做好投放深度的記錄，并作為該井孔水電流試驗(yàn)的原始資料予以保存，便于今后對(duì)比和考慮投放深度時(shí)使用。2004年4月10日，利用化工單位的電子電位差計(jì)記錄結(jié)果。投放深度確定后，可以換成微安表進(jìn)行長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，其目的是避免交流電源干擾和雷暴雨天氣的影響。

1.3 電極投放時(shí)水電流記錄

圖2是經(jīng)過(guò)整理的“皖14井不同深度水電流變化圖”，也是該井首次觀(guān)測(cè)的成果。觀(guān)測(cè)時(shí)如果該層位水電流波動(dòng)比較大下，為了證實(shí)其曲線(xiàn)形態(tài)的可靠，使用回抽再投放的動(dòng)作進(jìn)行驗(yàn)證，確定后再做下一步的投放或抽取，從圖2中可以看出，有的電流變化大的層位只有幾米甚至更少，說(shuō)明了該方法效果可觀(guān)可靠。

1.4 電極檢查法

可以通過(guò)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)、級(jí)與級(jí)之間的插接件、交換位置等方法可以判斷出故障部件。比如：利用記錄儀輸入插頭的交換位置（NS與EW）可判斷出是記錄器部分問(wèn)題還是儀器的問(wèn)題。利用控制箱輸入信號(hào)線(xiàn)的交換可判斷是井上和井下的故障。如果記錄亂劃，可以把衰減開(kāi)關(guān)關(guān)到最小，亂劃的幅度也隨之衰減，說(shuō)明故障在前端;如果亂劃的幅度不變，則故障在后面。由于NS-EW兩個(gè)方向的線(xiàn)路完全一樣，所以可以交換連接進(jìn)行試記，可根據(jù)試記結(jié)果分析判斷故障部位。但在試驗(yàn)結(jié)束后一定要恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。例如：有一道記錄正常，另一道記錄不好，為判斷故障部位，可先把記錄儀信號(hào)插頭的NS向和EW向交換插入插孔，如果好的依然好，差的依然差，則故障在記錄儀自身，反之故障在記錄儀之前。又如：為判斷井上部分還是井下部分故障，可以把控制箱25線(xiàn)的輸入信號(hào)的NS向與EW向交換焊接，如果好的仍好，壞的仍壞，則故障在井上部分，反之故障在井下部分（包括電纜）。記住試過(guò)后一定要把接線(xiàn)還原，否則，輕者造成井下不能調(diào)整，重則造成儀器嚴(yán)重?fù)p壞。當(dāng)初步判斷某一部分有問(wèn)題，可以把整塊印刷電路板換一塊好的，或拔掉集成塊，再插上一塊新的，若工作正常，就證實(shí)原來(lái)的已損壞，若故障照舊，說(shuō)明原來(lái)的沒(méi)壞。

2? 結(jié)語(yǔ)

2004年水電流試驗(yàn)完成后，因?yàn)榭紤]到繼續(xù)試驗(yàn)會(huì)影響僅有的模擬水位觀(guān)測(cè)，每天定時(shí)實(shí)測(cè)也無(wú)法長(zhǎng)期完成而停止。目前，水位觀(guān)測(cè)和水溫觀(guān)測(cè)都已數(shù)字化，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已日趨完善和成熟，所以該項(xiàng)試驗(yàn)又提上日程，從2021年2月12日至現(xiàn)在已連續(xù)觀(guān)測(cè)近4個(gè)多月，歷經(jīng)了雷電、大風(fēng)、暴雨的考驗(yàn)，觀(guān)測(cè)值始終像圖3中的那樣，處在1 μA左右。所以證明其是一項(xiàng)比較穩(wěn)定的觀(guān)測(cè)項(xiàng)目。

但井下水電流的觀(guān)測(cè)和研究才剛剛開(kāi)始，后面的試驗(yàn)還很多，例如：能否通過(guò)等深的多電極來(lái)確定電極又無(wú)影響到觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的極化現(xiàn)象，是否可以在井孔不同深處安裝數(shù)個(gè)電極，同時(shí)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，還有如何探索處可以清楚顯示有固體潮現(xiàn)象的水電流，使這物理量更具有地球物理意義是必須完成的。至于使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)其觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)字化，目前網(wǎng)絡(luò)上已有代做機(jī)構(gòu)，但搞科研涉及的核心技術(shù)還是要自己掌握，所以也正在探索之中。

參考文獻(xiàn)

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