注水试验与降雨对体应变仪干扰的分析与研究

王 艳，王慧芳，赵慧琴，吕文青，张 肖

(1.河北省地震局保定中心地震台, 河北 保定 071000；2.河北省地震局文安地震台，河北 文安 065800)

0 引言

TJ-Ⅱ型体积式钻孔应变仪的灵敏度为10-9，能清晰记录到应变固体潮。根据其观测结果可以推断测区应力状态的变化，为地壳应力应变场及地球动力学研究提供基础资料[1]。“九五”期间，在我国数字化地震前兆台网的技术改造中，易县地震台(以下简称易县台)安装一套TJ-Ⅱ型数字体应变仪及相应的水位、气压、温度等辅助观测系统。2001年投入使用至今，从体应变产出的观测资料中发现观测过程受到多种因素的影响，其中地下水位的变化与体应变仪产出的资料具有一定的相关性。文章对降雨、注水两种水位变化与体应变仪测值的相关性进行分析。

1 体应变仪简介

“九五”期间，在易县台安装一套数字化钻孔体应变仪，仪器的主要概况如表1所示。

表1 易县地震台体应变仪概况Table 1 General situation of volumetric strain gauge at Yixian Seismic Station

2 降雨与注水试验对体应变仪测值的影响

2.1 对降雨影响的分析

2.1.1 降雨影响的定性分析

不同时期体应变测值与水位的变化曲线如图1和第2页图2、图3、图4所示。

图1 2003年10月11日-12日体应变分钟值与水位的变化曲线Fig.1 Change of minute value of volumetric strain and water level on October 11 to 12, 2003

由图1、图2、图3和图4看出，在2003年10月11日、2004年8月11日、2007年8月10日、2008年7月14日辅助水位均有明显的上升，体应变也存在明显的上升趋势，呈压性。在上述时段的前几天，易县台附近都有大面积降雨发生，降水量在40 mm到140 mm不等。水位和体应变测值的变化比地表降水变化有明显的滞后。

图2 2004年8月11日-12日体应变分钟值与水位的变化曲线图Fig.2 Change of minute value of volumetric strain and water level on August 11 to 12, 2004

图3 2007年8月10日-11日体应变分钟值与水位的变化曲线图Fig.3 Change of minute value of volumetric strain and water level on August 10 to 11, 2007

2.1.2 降雨影响的定量分析

文章把2003年、2004年、2007年和2008年中降雨变化特别明显几天的数据作为研究例子，数据如表2、表3所示。

由表2、表3看出，易县台钻孔水位对降雨量的变化反应灵敏，井水位对降雨的放大倍数达到30～62，在目前国内的体积应变观测站中是较高的[2]。易县的钻孔岩石较为完整，在应变仪的上方少有破碎带。虽然降雨导致井水水位变化很大，但降雨时的井水水位对体应变的干扰系数却较小[3]。4次降雨造成井水水位的干扰系数在0.003～0.049，干扰系数非常接近，此结果在其他台站该方面的研究是否具有代表性，还有待验证。若有代表性，则在处理数据过程中，对体应变的观测值可进行校正。另外，在处理降雨干扰时，井水位的数据最为重要，不需要依据降雨量参数来做干扰校正，降雨量的干扰系数在4次降雨过程中各不相同且变化较大。

图4 2008年7月14日-16日体应变分钟值与水位的变化曲线图Fig.4 Change of minute value of volumetric strain and water level on July 14 to 16, 2008

时间年-月-日观测手段单位变化前变化后变化量2003-10-12体应变(TJ-Ⅱ)10-10/mv13 635.514 188.3552.82003-10-12辅助水位cm411.0592.2181.22004-08-11—12体应变(TJ-Ⅱ)10-10/mv5 860.06 420.0560.02004-08-11—12辅助水位cm610.0725.2115.22007-08-10—11体应变(TJ-Ⅱ)10-10/mv840.01 280.0440.02007-08-10—11辅助水位cm630.0825.0195.02008-07-14体应变(TJ-Ⅱ)10-10/mv-3 100.0-2 500.0600.02008-07-14辅助水位cm630.0825.0195.0

表3 降雨量、井水位变化量、体应变变化量之间的关系[2]Table 3 Relationship between rainfall, water level variation and volumetric strain variation

2.2 对注水影响的分析

2.2.1 注水影响的定性分析

注水试验中，体应变测值与辅助水位的变化曲线如图5所示。

图5 注水试验的辅助水位和体应变测值变化曲线Fig.5 Water injection test auxiliary water level change curve and volumetric strain curve

由图5看出，注水完成后，辅助水位明显快速上升。体应变曲线在注水的几分钟内明显畸变，但是经过一段时间后，未有明显变化。表明体应变只是在注水瞬间，仪器受到水位波动的干扰，体应变仪器周围的岩体没有发生明显的改变。

2.2.2 注水影响的定量分析

2008年1月17日做注水实验，8点51分至58分一次性注水5 L，注水所用瓶子的瓶口直径为23 mm，数据如表4、表5所示。

表4 注水试验时观测数据变化情况Table 4 Change of water injection test data

表5 井水位、体应变变化量之间的关系Table 5 Relationship between variation of well water level and volumetric strain

由表4、表5看出，注水试验中井水位的干扰系数是0.013 9E-8/cm，文章得出降雨造成井水位的干扰系数均值为0.026E-8/cm，是注水试验中井水位干扰系数的1.87倍。这一差异说明，降雨造成的地下裂隙水压力加载平面范围较大，而短时间内的注水试验中，裂隙水压力加大的范围较小。后一种情况下，在探头周围产生的附加应变场较小，所呈现的井水位干扰系数较小。

3 降雨与注水试验不同反应强度的机理分析

3.1 从变化的直接原因分析

体应变仪器传感器和辅助水位传感器在地下70多米，地表降雨渗透到体应变仪器测量位置，造成地下岩体膨胀至少要有一定时间的延迟。在降雨过程中，水位和体应变的变化时间比地表降雨的时间有明显滞后，但是在注水试验过程中，在注水试验发生的时刻，体应变和辅助水位的数据伴随注水几乎同时上升。这种直接原因对体应变的影响不大，几乎可以忽略。

3.2 从变化的间接原因分析

下面通过变化的间接原因进行分析，降雨作用效果如图6所示。

① 降雨；虚线部分指地表岩石块体受压变形；② 岩石因发生形变向下传导应力；③ 岩石块体受压后产生水平向的应力应变；④ 体应变测量得到的应变数据图6 降雨干扰作用力效果图Fig.6 Effects of rainfall interference

从变化的间接原因分析，降水变化引起地表负荷增加。地表水的重力作用挤压地表岩石块体，造成压力向下传递，引起岩石孔隙水渗出，造成水位上升。降雨是大面积的地表作用，不同于小范围注水。大面积的地表应力增加，使得地下岩石受到压迫，地壳岩石体应变量增大，造成体应变仪数据增大。由上面的数据和图形得出，降雨是大范围事件，造成大范围的地表应力变化。这种地表应力直接传到地下壳体，地下壳体的孔隙水空间饱和，造成孔隙压力增大，辅助水位和体应变仪传感器探头周围岩体挤压，数据明显增大。所以，降水、辅助水位、体应变三者表现为明显的正相关。 注水实验的效果图如图7所示。

① 原有的水位位置；② 注水以后的水位位置；③ 注入水；④ 测得的应变数据图7 注水实验作用示意图Fig.7 The effect of water injection test

由图7可知，在做注水实验的过程中，水注入到了观测井中，水位由①位置上升到②位置。体应变仪在注水时间内，受注水造成的波动影响，数值略有变化。一段时间后，回复正常的固体潮曲线，无大趋势的上升或者下降。说明注水只对仪器造成干扰，对仪器周围地壳岩石块体的应力应变不会产生明显影响。注水会造成井内水位的上升，但不会影响观测井周围岩体的应变。

4 结论

(1) 在降雨后辅助水位明显上升的情况下，地壳岩石发生正相关的应变。认为降雨是大范围事件，造成大范围的地表应力变化[4-5]，地壳岩石可以看作粘弹性体，垂直的应变作用在岩体表面，在岩体内部造成水平方向的应变。这种地表应力直接传到地下致使孔隙压力增大，造成辅助水位和体应变仪传感器探头受周围岩体挤压，数据明显增大。所以，降水、辅助水位、体应变三者表现为明显的正相关。

(2) 注水造成井内辅助水位明显上升的情况下，地壳岩石未发生相应的应变。表明，注水只是改变探头周围地壳应变的事件，没有造成大范围的应力变化。注水虽然造成井内水位的上升，但不影响观测井周围岩体的应变。所以，注水实验只是短时间对仪器本身的干扰。

参考文献：

[1] 王梅.数字化体应变与气压、水位相关性研究[J].大地测量与地球动力学，2002(4)：85.

[2] 李占录.易县地震台体应变受降雨干扰的异常变化[J].地震地磁观测与研究，2005，26(10)：176.

[3] 苏恺之.TJ型钻孔式体应变仪井孔注水试验[G]//地壳构造与地壳应力文集.北京：地震出版社，2003：141.

[4] 李惠玲，程冬焱，胡玉良，等.宽频带倾斜仪及其观测干扰因素分析[J].山西地震，2017(2)：16-21.

[5] 李惠玲，高云峰，程冬焱，等.VP宽频带垂直摆倾斜仪观测干扰识别[J].地震地磁观测与研究，2018，39(2)：100-107.