基于潜水层研究钻孔应力-应变对降雨的响应

陆明勇 牛安福 张凌空 刘天海 高福旺

1）中国地震应急搜救中心，北京 100049

2）中国地震台网中心，北京 100045

钻孔应力-应变观测是在地表下数十米的基岩中(或土层中)安装仪器探头对地震应力－应变前兆变化进行观测；但仍存在环境因素影响如降雨，如进行辅助地下水位观测的钻孔应力-应变观测消除降雨的影响，主要是通过降雨引起地下水位的变化来进行分析研究并消除降雨影响，其方法为拟合相关分析、运用岩土应力-应变理论建立模型进行研究等；无地下水位观测资料的钻孔应力-应变消除降雨影响研究不多，主要是进行简单相关分析或运用岩土应力-应变理论进行定性分析。而水文地质等领域基于水量平衡原理(质量守恒定律)即降水入渗系数乘以降雨量等于地下水位上升与给水度之积，得到降雨量与潜水位上升幅度之间的计算公式，以及由此得到降雨与应力-应变公式；但降雨对潜水位变化的影响是一个过程，不仅需要定量关系，而且需要反映过程变化的信息如降雨渗透延迟或滞后效应，这些关系为不能反映变化过程信息的近似公式且无法回答降雨停止后潜水位变化对降雨响应过程。

（1）我国钻孔应力-应变观测规范要求：钻孔深度应该大于等于30 m(若在山洞中则＞2 m)；安置探头的测量段要求岩孔应避开岩石裂隙密集区、岩脉、透镜体，采芯率宜＞70%等，仪器观测处应该在致密岩石处。据统计目前我国大部分钻孔应力-应变钻孔深度为30～80 m左右，“十一五”期间新上的钻孔应力-应变钻孔深度有两种：30 m、60 m。而浅部地壳上部从地表之下依此可以分为：包气带、潜水层、第一稳定隔水层、承压水层等，不同的地区以及不同的地形，上述分层的岩土性质、深度等特征变化较大，如太原盆地第四系全新统潜水含水岩系埋深0～50 m，太原市在100～150 m为压缩性较强的粘土层、粉质粘土层及粉土层，即稳定的隔水层；长江三角洲(南部)区域地表总厚度200～350 m的全新世、更新世松散沉积物所覆盖即为潜水层岩土。截止2011年6月，我国正式观测的钻孔应力-应变观测共有118台套，主要分布在华北、长江中下游、西南等地区。因此，目前我国钻孔应力-应变观测井钻孔深度存在于第一稳定隔水层即潜水层和承压水层分界面处的情况，第一稳定隔水层上面的地下水位实际上是潜水层水位，地下水位变化应为潜水层水位变化，如天津宝坻、安徽合肥与六安等地震台的体应变观测。

（2）运用水文地质、地下水动力学、数学物理方法以及地壳岩石中有效应力原理，基于潜水层在研究钻孔应力-应变对降雨响应，获得了考虑降雨渗透延迟或滞后效应的降雨与钻孔应力-应变之间的随时间变化定量关系：在降雨对潜水位影响的延迟或滞后效应过程中（t≤t0），钻孔应力-应变对降雨未产生响应；在降雨影响潜水层水位变化后，钻孔应力-应变对降雨的响应变化与降雨量累加和、降水渗入系数成正比，与潜水层的(重力)给水度成反比；另外，钻孔应变对降雨的响应变化还与观测处岩石拉梅常数、剪切模量成反比。在降雨完全停止以后足够长的情况下，在其他条件不变的情况下，钻孔应力-应变对降雨的响应变化与时间成反比。

（3）钻孔应力-应变对降雨响应一般可以分为3个阶段：①钻孔应力-应变对降雨响应滞后(延迟)阶段，是因为降雨渗透到潜水面需要一段时间、潜水面变化有一滞后(延迟)过程；②钻孔应力-应变开始变化至降雨完全结束阶段；在降雨率最大之前，钻孔应力-应变快速变化；其后降雨开始减小，但钻孔应力-应变仍然快速变化，是因为不同的地方潜水面高低不同，潜水面高的地方，潜水受重力影响要流向潜水面低的地方；另外降雨渗透到潜水面也需要时间即降雨仍然快速渗透到潜水里；在降雨完全停止前一段时间，降雨小、钻孔应力-应变变化也小；③降雨完全结束后初期，由于降雨渗透未完全结束，整个潜水面在重力作用下缓慢调整变化直到整个潜水面水平，钻孔应力-应变缓慢增大变化直到停止；然后降雨渗透结束、潜水蒸发和渗透，潜水面开始缓慢减小，钻孔应力-应变缓慢减小即压性减弱，在无降雨和其他条件不变的情况下，钻孔应力-应变与时间成反比，时间越长，减小越多。