蚌埠钻孔应变受抽水干扰的分析

2011-01-25李罡风姜薇薇裴红云

地震工程学报 2011年1期

李罡风，姜薇薇，陶媛，裴红云，李发

（1.安徽省地震局, 安徽合肥 230031；2.庐江地震台,安徽庐江 231511；3.金寨地震台,安徽金寨 237300)

0 前言

地球表面下边和地壳内部的构造运动及其产生的各种地质灾害都与地壳应力作用密切相关，地壳应力状态的变化是导致断裂、褶皱乃至发生地震的最直接动因[1]，钻孔应变属于一种小空间尺度的观测，是监测地壳形变的一种重要手段，具有其他观测手段不可替代的优势[2-3]。2008年苏、鲁、皖被划为2009年度重点监视地区，为适应地震监测需要，安徽在郯～庐断裂中南段及其附近增上了体积式钻孔应变仪（仪器型号均为TJ-Ⅱ型）。2008年以来蚌埠地震台、嘉山地震台、合肥地震台、滁州地震台等的钻孔应变观测先后投入观测，并在观测中获得了宝贵的资料，对提升该地区的地震监测能力起到了促进。由于地理位置和钻孔条件等的差异，观测资料的稳定性、可靠性及显示出的干扰图像、记录地震波的能力等都存在着差异。本文通过分析蚌埠台体应变观测受抽水影响的过程，对干扰给予较合理的解释。并探讨影响体应变的主要因素。

1 台站基本情况

蚌埠地震台地处淮河南岸的蚌埠市郊区小黄山。台基岩性为燕山期花岗岩，风化较强，山体多被残坡积物覆盖，残坡积物厚薄不一，一般在0.5～1.5 m左右。在地貌上小黄山为孤立残丘，山体四周均被第四系黄土所覆盖。台站位于著名的郯庐断裂带西侧约60 km处，近侧通过的断裂有NW向的涡河断裂、NWW向临泉―刘府断裂和NNE东向的固镇―怀远断裂。淮河以北以沉降为主，以南为上升为主，台址位于南部上升地块。

蚌埠台是一个集测震和地震前兆观测的综合地震台，可监测皖东地区震情，并能监测淮南—许昌地震带东端的活动。台站前兆观测项目有水氡、地磁、电磁波、GPS、体应变及辅助观测等。

体应变钻孔位于蚌埠地震台院内西北角小山包上，井口海拔高度约为47.0 m，钻孔孔深63.4 m，其中0.00～28.4孔径150 mm；28.40～63.40 m孔径为130 mm；下入无缝钢管位置在0.00～28.40 m，为外径146 mm，壁厚4.5 mm，钢管外使用425号水泥沙浆封堵至孔口；应变仪探头底部的实际埋深62.4 m，水泥顶层部的实际埋深60.1 m（水泥层探头上方的有效厚度为1 m）。仪器所处位置岩性为花岗片麻岩，钻孔内有裂隙、含水层，且有地下水流，水流时遇到岩孔[4]。体应变仪外部结构为一钢桶，钢桶内部由上下两部分组成，上部充满了硅油和一部分惰性气体，下部充满硅油。仪器在岩石平面力和轴向压力的作用下使硅油通过毛细孔流入或流出一个装在隔板上的波纹管中，体应变的变化量就转换成波纹管的伸缩量，然后用液体压力传感器（差压式液压传感器）测量之[5]。仪器安装示意如图1。

图1 仪器安装示意Fig.1 Sketch of instrument installation.

使用的TJ-Ⅱ型钻孔应变仪于2009年5月28日下井并安装成功，29日开始实验性观测。开始观测曲线为压性，漂移速度大约为100 mV/d，30多天后井下传感器输出趋于稳定。目前仪器只有体应变、气压和温度三个测项。体应变仪观测精度达10-9[4]。

蚌埠地震台位于小山东坡之上，该台进行GPS安装前曾进行地质条件调查，结果表明有一条近NS向断裂带从台站经过[6]。体应变钻孔附近100 m范围内有4口水井，其一为SSE80 m处88.2 m深的水氡观测井，水文地质条件为前震旦花岗岩层裂隙水，井口海拔高度低于体应变钻孔井口约2 m。该井属台站管理，抽水机功率大小约5 m3/h，观测井每天8点15分左右抽水进行水氡观测，抽水时间约50 min，水抽入水池之中。由于历史原因，该井承担着台站及附近居民生活用水的任务，抽水集中时间主要集中在上午。其它3口均为居民生活用水井，散布在体应变钻孔井的SE方和SEE方，其中最近一口水井距体应变钻孔约40 m。这3口水井井口海拔高度均低于体应变钻孔井口6～9 m，水井深度在30～40 m之间，水井水文地质条件不祥，根据现有条件推测，水文地质料件均为岩层裂隙水。生活用井抽水机功率较小，每次抽水量较小，抽水时间较短。台站布置及水井分布见图2。

图2 蚌埠台水井的位置分布Fig.2 Distribution of bore-hole well and water wells in Benbu seismic station.

2 水位与气压对体应变干扰机制的分析

2.1 体应变与水位和气压的关系

水位和气压对体应变的影响主要是通过水位和气压的压力负荷引起的。如果钻孔存在裂隙，破碎带时压力负荷不仅通过大地表面，而且还能通过钻孔进入破碎带内壁，将压力更为贴近的传向应变仪四周的岩体。地下水在气压的作用下还会产生流动，导致孔隙水压力的改变和气压干扰过程的复杂化，具体描述如下：

体应变Δa与孔隙压力P的关系：

其中K为含水层体积压缩模量；P与水位H和气压的关系为

其中ρ为水的密度；g为当地的重力加速度；P0为大气压力。将式（2）代入式（1），得

假设大气压P0不变，K为一常数，那么体应变的大小随水位的变化而变化。由于蚌埠台体应变暂无辅助观测水位，这一现象在该台无法得到确切的验证，在工作仍能直观地表现出来。

假设H不变，K为一常数，那么体应变的大小随气压的变化而变化。且二者呈线性变化，这一结论得到实际观测数据的验证[5]。由于气压变化较小，且气压与水位之间存在负相关，两者的对体应变的影响部分相互抵消，在平时的观测中，这种现象表现不明显。但我们仍能从体应变观测数据中看到这一现象。

2.2 体应变受抽水影响的理论模型

钻孔资料表明该井地层为潜水含水层，水位降深H可用潜水的雅各布公式表达：

其中h0为潜水含水层厚度；Q为水泵流量；s为含水层渗透系数；T为导水系数；μ为含水层给水度；r为抽水井到观测井的距离；t为抽水时间。由于水位每年最大降深远小于含水层厚度 h0，故式（4）中（2 h0-H）H≈2 h0H，由此得到

根据叠加原理[7],假设n个干扰井（抽水井）工作时，观测点处产生的升降值等于该井单独工作时在该点产生降深值的代数和。由此可得到

把式（6）代入式（3）得到

这就是体应变受抽水干扰作用的理论模型。由于ρ、g、s、h0、Qi、T、ri、μ可认为是常数，若假设k、P0为不变值，那么Δa只随t的变化而变化，二者为对数关系，呈非线性变化。

2.3 抽水对体应变的影响及资料的分析

2009年6月体应变仪器投入观测后，我们发现水氡观测井抽水对体应变观测影响较大。后通过仔细辨认和调查，发现附近居民生活用井的抽水对体应变的观测也有一定的影响，但与水氡观测井相比影响幅度较小。图3为2009年9月18日蚌埠台体应变观测分钟值数据图形，其中实线为实际观测数据曲线，虚线为推测的理论值曲线。通过分析认为：生活用井抽水对体应变观测的影响较小;水氡观测井对体应变影响较大，还与水泵流量（Q）大、抽水时间(t)长以及抽水井到观测井的距离(r)较近有关，另一方面也可能与体应变钻孔和水氡观测井同在一条断裂之上，两井之间有裂隙联通导致水氡观测井比生活水井有较大的导水系数(T)有关。通过对多日数据的分析，我们发现居民用水井抽水时间多集中在5时至8时和16时至19时两个时段。

图3 2009年9月18日抽水影响曲线Fig.3 The pumping interference curve of bore-hole body strain on September 18,2009.

为更清楚地找到抽水对体应变观测的影响，我们于2009年8月14日至18日对水氡观测井进行了11次抽水，并对抽水时间做了记录（表1），绘制体应变观测数据曲线与抽水时间关系图（图4）。图4中每次抽水开始时间和结束时间分别用实竖线和虚竖线表示。通过对图4的分析，发现每次水氡观测井抽水后体应变均出现较大幅度下降，抽水结束后数分钟，体应变数据开始恢复。我们也注意到图中编号 12、13、14、15、16无法解释，核实后证实12、13、14、15均发生在夜间，为当地居民自行开机抽水，造成漏记；16为抽水期间，台站人员发现仪器调零，未做记录。

表1 抽水时间与体应变开始变化时间表

图4 2009年8月14-18日蚌埠台体应变数据曲线与抽水时间关系Fig.4 Relationship between the bore-hole body strain values and pumping times from August 14 to 18,2009, at Benbu station.

从表中看出，体应变数据下降多出现在水氡观测井抽水2～5分钟后，体应变数据开始恢复多出现在抽水结束数分钟后。其中发现第8和第9组体应变下降早于抽水，经过与台站人员核实和分析得出以下原因：台站人员在记录抽水时间是按照台站工作用时钟来记录的，该时钟与仪器时钟存在钟差，记录前没有对两者进行对时。2009年9月28日、29日、10月9日，按照规范重新记录了几次次抽水事件，结果表明水氡观测井抽水后2～5分钟后体应变数据开始下降；抽水结束 3～10分钟后体应变数据停止下降并开始恢复。图、表结果均表明抽水对体应变的影响和前面的理论推导基本吻合，即抽水引起仪器探头周边岩体孔隙压力减小，并导致岩体应变状态发生了变化。分析图4和表1，还可发现抽水时间越长体应变下降越大。恢复时间与抽水时间有关，抽水时间越长，恢复所需时间越长；恢复过程可分为快速恢复和调整复原两个阶段，调整复原阶段用时大于快速恢复阶段。

图5 2009年11月蚌埠台、合肥台、嘉山台体应变分钟值变曲线对比图Fig.5 The bore-hole body strain curves of Bengbu, Hefei and Jiashan seismic stations in November of 2009.

从图5中蚌埠台体应变数据曲线图可以看出：抽水对体应变存在影响，但这种影响对体应变数据的变化趋势影响不大。为揭示该台体应变数据与区域应力场的关系，我们选用同时段蚌埠台附近嘉山台、合肥台的体应变做对比。2009年11月该地区降雨较小，区域内地下水位变化大体相当，气压变化区域内较为稳定，由图5可以发现在这段时间内，三台体应变观测数据变化形态大体一致，我们推断这段时间各台体应变变化形态主要是受该地区应力变化所控制。蚌埠台体应变虽然受抽水的影响对其日变化形态影响较大，但这种影响幅度比区域应力场的影响幅度小的多，因此区域应力场是影响体应变数据变化形态的主要因素，体应变的趋势变化主要反应了该区域的地应力场的变化，这种趋势性的变化对监测该区域内的地震活动具有前兆意义。