福州地震台 TJ-2型体积式应变仪安装及注水试验

林国元

(福建省地震局水化学实验站,福州 350025)

福州地震台 TJ-2型体积式应变仪安装及注水试验

林国元

(福建省地震局水化学实验站,福州 350025)

在安装福州地震台 TJ-2型体积式应变仪过程中,发现存在钻孔选点与观测室分开考虑等问题,提出一些建议。井孔注水试验结果揭示,该井孔探头顶部可能存在一个与探头近距离的含水层干扰。初步对气压、水位、降雨影响进行分析。

TJ-2型;体应变;安装;注水试验

0 引言

我国目前已有数十台 TJ-2型体积式钻孔应变仪投入运转,全部清晰记录到应变固体潮汐,多数台站的应变固体潮汐记录达到Ⅰ类形变地震台的水平[1]。本文将福州地震台 TJ-2型体积式应变仪安装过程中发现的问题及解决办法进行总结,同时进行注水试验,初步分析气压、水位、降雨对该钻孔体应变的影响。

1 观测井概况

福州地区位于华南地震区北部,东南沿海地震带北段。观测井地理位置为东经 119°16″、北纬26°05″,位于八一水库-螺洲断裂构造带的南段,大梦山边坡上。场地原始地貌类型属山前坡残积台地,其表层被第四系(Q4)所覆盖,盖层为碎杂填土,厚度为0.75m,为新近填土,时间大约10年,密实度及均匀性尚差;下部为二长花岗岩,呈灰白、灰黄、浅肉红色、肉红色,岩石成分主要由长石、石英和少量云母矿物组成。岩体总体较完整,岩芯呈柱状,极少数为块状,局部节理裂隙发育,裂面大多呈闭合状,并见有铁锰质渲染或绿泥石化现象,属块状或裂隙块状结构,岩石强度高、结构致密,岩石颗粒硬度大,为坚硬岩,岩体基本质量等级为Ⅱ类。

观测井区地下水主要赋存和运移于花岗岩孔隙、网状裂隙中,地下水类型主要为孔隙潜水,主要接受大气降水的下渗补给,并通过蒸发及大致由北向南部低洼地段渗流排泄,钻孔内这部分地下水均已被水泥封止;基岩中二长花岗岩,局部节理裂隙发育,据钻探揭露共有4个节理裂隙发育段(较破碎):10.46～11.99m,23.53～24.09m,37.73～38.11m,52.93～57.02m。钻孔内8h观测稳定水位埋深为7.30m。开口孔径:150mm;终孔孔径:130mm;孔深:83.2m(到套管顶)。

2 安装过程中发现的问题

2.1 钻孔选点与观测室分开考虑

钻孔位于福州台大楼西侧,台站在选点钻孔时,并未确定观测室。在仪器安装人员到来之前,台站准备了3个观测室以供选择:一是水质观测室,距观测井最近,直线距离只有5m;由于该室存有酸碱且潮湿,没有接地避雷地线,被否定。二是水位观测室,距观测井直线距离25m;该室没有接地避雷地线,也被否定。最后选定信息室,距观测井最远,直线距离34m;该室有信息节点,有接地避雷地线,虽然距离远,对信号传输及避雷不理想,是3个观测室中最适合体应变观测的。实际上,确定体应变观测室,不仅要求观测室干燥、没有腐蚀气体、与观测井距离短,最好是有接地避雷地线或有其它避雷措施[1]。

2.2 计算电缆线长度太短

观测室未定,上报厂家的电缆线长度只是一个估算值。在安装时发现电缆线太短,用连接头来连接2条电缆线。根据此次安装认为计算电缆线长度为:井深+地面长度+接入观测室长度+预留3～5m,室内多余的电缆线太长容易引雷。

2.3 没有制订安装计划

福州地震台 TJ-2型体积式应变仪安装没有制订安装计划,在配合厂家安装人员开展工作时,如何应对灌水泥和探头下井过程中可能出现的问题,没有应对措施。TJ-2型体积式应变仪安装要制订“安装计划”,并在安装之前,进行注水试验,了解注水水位转换系数;进行模拟预安装,及时发现存在问题。

2.4 有关钻孔应变仪知识准备不足

在实际应用中,明显感到学习地壳形变知识[2-3]不够深入,对 TJ-2型体积式钻孔应变仪的感性认识不足。应到已安装 TJ-2型体积式钻孔应变仪的台站参观学习,了解安装整个过程,注意事项;要认真学习 TJ-2型体积式钻孔应变仪说明书(厂家有电子版)。

3 注水试验

3.1 注水试验结果

2010年6月4日9时45分进行钻孔注水试验,根据体应变仪井孔注水试验及推导公式1)中国地震局地壳应力研究所应变观测技术课题组.体积式钻孔应变仪短临前兆学习研讨会议文集[M].北京:中国地震局地壳应力研究所,2004:139-151.,计算结果如表1。Δh0:井孔水位在理想条件下的预计值;Δh:井孔水位实际上升值;η:注水水位转换系数;ΔV/V:受注水影响的体应变值;W:井内注水干扰系数。

表1 福州台体应变仪井孔注水试验结果表

3.2 注水试验结果分析

由于η很小,表明井内存在明显的含水层或破碎带,且含水层渗透性强,厚度大;以η约为0.085计算,含水层半径R约为49.3m。根据钻探资料,钻探揭露共有4个节理裂隙发育段(较破碎),上层3段厚度只有1m左右,最下层为52.93～57.02m段,厚度达到4.09m,该段到探头的距离L只有24m。因为L≪R,注水时,含水层内孔隙水压力使含水层像一个大型的柔性压板压向下方的岩体,使应变仪探头的围岩产生明显的附加应变量(图1)。

据11个台站注水试验数据1)中国地震局地壳应力研究所应变观测技术课题组.体积式钻孔应变仪短临前兆学习研讨会议文集[M].北京:中国地震局地壳应力研究所,2004:139-151.,福州台的注水水位转换系数η最小,井内注水干扰系数W最大。从体应变和水位分钟值来看(图1、表2),水位在注水后第1分钟上升1.04cm,第2分钟上升2.17cm,第3分钟开始下降,第2分钟上升速度是第1分钟上升速度的2.0865倍;体应变在注水后第1分钟上升18.56×10-9,第2分钟上升38.72×10-9,第3分钟开始下降,第2分钟上升速度是第1分钟上升速度的2.0862倍。从表2第2到第4组数据看,注水试验时,体应变和水位分钟值是同步上升,且是正相关,相关系数达到0.999999996,它们的关系表达式为:水位值=0.05604×体应变值+549.31。因此,从水位和体应变的线性关系看,据巴斯噶定律[4],含水层内孔隙水压力似乎是直接作用在探头顶部,这个实验数据,也说明该含水层对钻孔体应变存在明显干扰。

图1 福州台体应变钻孔注水实验结果图(2010.06.04)

表2 福州台体应变仪井孔注水试验时体应变和水位分钟值表

4 气压、水位、降雨影响

4.1 气压、水位影响

气压、水位是钻孔体应变观测的主要干扰,本文选取2010年5月的原始观测数据进行线性回归计算,样本总数为44640。体应变和气压的相关系数R=0.3534,气压干扰系数为1.38×10-8/hPa;与日本9个台站计算值相当,比国内其它台站(0.4×10-8～0.8×10-8/hPa)[1,5]略大。体应变和水位的相关系数 R=0.9191,水位干扰系数为 1.72×10-8/cm,与井内注水干扰系数1.78×10-8/cm基本相同,也验证了注水试验的推测,即该钻孔的52.93～57.02m段裂隙含水层对应变仪探头的围岩产生明显的附加应变量。

4.2 降雨影响

福州台体应变于2010年初安装,这一阶段降雨量很少,选最近5月19—31日降雨资料分析。从19日6时开始降雨,到23日 5时停止,降雨量为72.5mm;水位从19日14时开始转折上升,到24日15时达到最高点,上升了25.9cm;降雨对水位的影响是缓慢趋势上升,有8h的滞后,井水水位放大倍率 K为3.57;27—30日共降雨58.3mm,由于水位处在下降恢复过程中,降雨对水位的影响只有2h的滞后(图2)。体应变和水位的相关性很好,降雨对体应变影响也存在相应滞后(图2)。该钻孔处在大梦山边坡上,上层的孔隙潜水主要接受大气降水的下渗补给,但在钻孔中已被水泥封止;下层的承压裂隙水主要接受外围山上大气降水的下渗补给,地下水迳流很慢,降雨对该井的水位影响有一定的滞后。降雨对水位、体应变影响比较复杂,它不仅与降雨量有关,与降雨形式有关,还与气候(旱季和雨季)、周边开采等水文地质条件变化有关,需要积累数年的观测数据进行深入分析。

图2 福州台体应变、水位、降雨观测曲线(2010.05)图

5 讨论及建议

(1)在选择观测井点时,应把观测井位和观测室一并考虑;在安装之前,要认真学习 TJ-2型体积式钻孔应变仪说明书,事前最好要制订“安装计划”;并在安装之前进行注水试验,了解注水水位转换系数;进行模拟预安装,及时发现存在问题。

(2)福州台体应变钻孔注水水位转换系数η最小,井内注水干扰系数W最大,注水干扰系数与水位干扰系数基本相同,揭示该钻孔存在一个与探头近距离的含水层干扰。

(3)初步分析:降雨对福州台体应变钻孔水位的影响是缓慢趋势上升,有8h的滞后,井水水位放大倍率 K为3.57。

(4)福州台体应变和水位分钟值在注水试验时呈正相关上升,相关系数达到1,是否一种巧合,有待进一步试验及收集其它台站的注水试验进行验证。

感谢苏恺之教授对本文指导和审阅。

[1] 苏恺之,李海亮,张均,等.钻孔地应变观测新进展[M].北京:地震出版社,2003.1-62.

[2] 中国地震局监测预报司.地壳形变数字观测技术[M].北京:地震出版社,2003.50-102.

[3] 中国地震局监测预报司.地震数字化观测规范[M].北京:地震出版社,2002.1-30.

[4] 王大纯,张人权.水文地质学基础[M].北京:地质出版社1980.78-96.

[5] 陈德福,李玉.怀来等台固体潮观测调和分析结果[J].华北地震科学,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

中国地震背景场探测项目-福建省地形变台站场址勘选项目资助

林国元(1962-),男,福建莆田人,福建省地震局水化学实验站工程师,主要从事地震地下流体监测预报工作.E-mail:gylin090933@sina.com.