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探讨青岛台体应变短周期气压系数的影响因素

2020-07-08 272 上传者：管理员

摘要：青岛台体应变短周期(小于128min)气压系数2018-01出现阶变,通过对观测系统、台站周边施工情况、监测环境等逐项现场核实,排除观测系统、周边施工的影响。利用离散小波变换和回归分析发现,钻孔水位的气压系数与体应变气压系数同步阶变,结合台站钻孔施工当天体应变钻孔水位变化、体应变趋势变化、其他相邻台站水位气压系数变化等数据认为,台站钻孔施工是导致体应变气压系数变化的原因,并定性分析其变化机理。

关键词：
体应变
大气现象
气压系数
钻孔施工
钻孔水位
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钻孔应变观测是监测地壳形变的一种重要手段,研究表明,气压是影响钻孔体应变观测结果的主要因素之一[1]。由于大部分钻孔应变仪都处于井下几百米,作用于地表的气压波动会对其产生10-9量级的地壳形变,该影响在现代地壳形变观测资料分析中不容忽视[2]。体应变除受气压、水位和降雨影响外[3],钻孔环境(包括钻孔倾斜度、井孔深度、围岩弹性模量和泊松比、裂隙发育和耦合情况)也会对其造成复杂的影响,形成各种形态不同的干扰[4]。苏恺之等[5]已系统总结钻孔环境对地形变观测的影响,并对钻孔穿过破碎带时的气压系数、相邻钻孔间的水流沟通等进行分析。

对于同一钻孔,其环境变化相对平稳,而体应变气压系数与钻孔环境,特别是围岩性质(弹性模量、泊松比等)密切相关[1,2],因此气压系数的变化可以反映钻孔围岩性质的变化。本文通过对青岛台体应变观测资料进行研究,分析体应变短周期气压系数的变化规律[6],探讨气压系数在2018-01产生畸变的原因。选取体应变及辅助测项的数据进行回归分析和相关性分析,并借助其他监测手段进行对比分析[7],讨论其变化机理。

1、观测井概况

青岛台监测仪器为TJ-2型体积式应变仪,安装钻孔孔径为130mm,钻孔深度为66m,仪器安装深度为55m,具有气压、水位和钻孔温度3个辅助测项。根据施工报告,该钻孔的岩石性质主要为花岗岩,裂隙发育,由地表至66m深处岩体坚硬而破碎,仅在58～59m和54～55m处相对完整,岩石节理面与裂隙倾角近于垂直。在井孔注水后约1min水位即恢复正常,因此该钻孔水位变化除受降雨、气压等因素影响外,也受围岩裂隙影响。

2、观测数据处理

青岛台体应变仪观测到的固体潮形态清晰,变化趋势稳定,本文选用2017～2019年数据,采样间隔为1min。首先利用离散小波变换将数据分解为不同周期,再利用相关分析和回归分析计算相关系数和气压系数[6]。具体计算过程为:采用db4小波,利用离散小波变换将2017-01-01～2019-07-20的气压和体应变单日数据按6层小波变换分解,分解后的周期分别为2～4min、4～8min、8～16min、16～32min、32～64min和64～128min,对应尺度1～6,最后计算全部尺度的气压系数,结果见图1。由图1可知,2018-01-17各尺度气压系数均向低值阶变,2019-03-24左右向高值阶变并恢复正常。对正常段(高值)和异常段(低值)各尺度的体应变气压系数进行统计分析,计算结果见表1、图2。

图1体应变气压系数随时间变化曲线

表1正常和异常时间段体应变气压系数平均值及其变异系数

由表1可知,各尺度体应变气压系数异常段比正常段低,其中尺度3～6的差值约为1.5×10-9/hPa。由图2可知,2个时间段气压系数的变异系数变化趋势基本一致,即尺度3～6趋于稳定,尺度4～5最为稳定。相同尺度下异常段比正常段气压系数的变异系数大,变化更不稳定。

图2正常段和异常段气压系数的变异系数

3、异常变化分析

为探究体应变气压系数阶变的原因,对其他气象要素及仪器工作状态、周边施工环境、研究区内距离较近的其他台站的观测数据进行分析[8,9]。

3.1温度调查

在分析过程中,按照体应变气压系数的计算方法,得到钻孔温度与体应变的相关性,结果显示,体应变与钻孔温度在尺度1～6的相关系数均在0值附近波动,相关系数平均值的绝对值小于0.05,表明在短周期内(尺度1～6)钻孔温度和体应变相关性较小,即短周期的温度变化对体应变的影响基本可忽略不计。研究表明[6],青岛台体应变的短时波动主要与气压波动有关,且在体应变气压系数阶变的前后一段时间内,青岛台钻孔温度变化平稳,可排除由温度变化导致体应变气压系数阶变的可能。

3.2监测环境调查

通过检查台站体应变主机的工作状态、供电系统和线路接口,确认体应变观测系统在异常期间未发生故障,同时检查数据采集及传输系统,发现仪器实时记录正常,资料处理方法正确。青岛台体应变在2016年进行标定后结果正常,此后未再进行标定,现场核实台站仪器运行状态稳定。另外,对青岛台外围建筑施工、工程爆破、地貌改变、地下水开采等情况进行调查,由于青岛台位于城市核心区,四周已无待开发用地,未发现建筑施工及工程爆破情况,同时也无地下水开采等,地表普遍硬化,无地貌改变情况。通过对台站周边观测环境进行调查发现,2018年以来台站周围未发现明显的环境干扰情况,基本可排除外围环境干扰造成气压系数阶变的可能。

3.3钻孔施工原因分析

3.3.1施工当天数据分析

根据值班工作记录,2018-01台站存在钻孔施工。根据项目规划,2018-01青岛地震台新增CZB型竖直摆钻孔倾斜仪,其钻孔距体应变观测井约8m。根据项目需要采用潜孔锤-400型钻机进行钻孔钻进和护井管安装,该潜孔锤的工作原理是将压缩机产生的超高压空气通过能量转换装置转换为高频的冲击能量,当冲击能量达到岩石的破碎极限时便产生体积破碎。为探究钻孔施工与气压系数阶变的关系,首先对2018-01-17～01-19施工期间体应变及辅助测项进行分析,具体见图3。

图3钻孔施工期间青岛台钻孔水位、气压、体应变数据

由图3可知,2018-01-17～01-19钻孔水位和体应变数据存在2个明显畸变。由于护井管在水泥浆的作用下上浮力较大,因此需要施加很大外力。在01-18灌浆过程中钻孔水位快速上升57cm,之后迅速降低77cm,灌浆前后钻孔水位降低20cm。在水位变化过程中,气压未出现短时剧烈变化,因此可确定钻孔水位的变化是由钻孔施工引起。

3.3.2钻孔水位气压系数分析

当气压短时变化时,钻孔内水体在大气压作用下流出孔隙,而当含水层与井孔之间仅存在水平向的流体流动时,高频水位气压系数主要受井径和含水层水平向渗透率影响[10,11]。由于渗透率与岩石孔隙度、固体格架和孔隙形状有关[12],水位气压系数的变化可间接反映钻孔孔隙度的变化。为探究钻孔水位气压系数变化与体应变气压系数变化是否具有同步性,采用与体应变气压系数相同的处理方法和参数对其进行分析,计算结果见图4。

图4钻孔水位气压系数随时间变化曲线

由图4可知,各尺度钻孔水位气压系数在2018-01-17左右向高值阶变,在2019-03-24左右向低值阶变并恢复正常,对正常段(低值)和异常段(高值)的水位气压系数进行统计分析,结果见表2。

根据青岛台体应变钻孔施工报告可知,该钻孔裂隙发育,井孔内水体在裂隙和井孔之间的流动性较强,若水位气压系数小,说明钻孔渗透率较小,反之则说明渗透率较大。由表2可知,水位气压系数在正常段比异常段小,变异系数较小的尺度3～5的气压系数均值由0.14cm/hPa增加到0.66cm/hPa,表明钻孔渗透率变大,即等量气压变化时,异常段比正常段的水位变化幅度大。而渗透率与孔隙度、固体格架和孔隙形状有关,因此可推测异常段井孔孔隙度等岩体结构已发生变化,如孔隙度变大、固体格架发生改变等,使得钻孔与围岩孔隙的流通阻力变小。

表2正常段和异常段钻孔水位气压系数平均值及其变异系数

3.3.3体应变趋势分析

为排除区域性张性应力增强导致渗透率变化的可能,对青岛台及邻近的莱阳台、相公庄台体应变仪进行趋势变化分析。由图5可知,原始数据在异常时间段内体应变处于压性阶段,2016-01～2018-02原始数据与拟合值的差值处于张性阶段,但其拟合值变化量远大于差值变化量,因此相加后的原始数据变化仍为压性;而2018-02～2019-03其偏离差值曲线的正常趋势,表明该时段内压性变化更加明显。由图6可知,另外2个台站体应变也处于压性变化状态,说明影响青岛台体应变渗透率(孔隙度、固体格架和孔隙形态等)的变化不是由区域张性应力所引起(注:该压性趋势变化已经过省局形变专家核实,应为钻孔施工导致)。

图5青岛台体应变2016～2019年整点值曲线

3.3.4其他监测手段辅助分析

将青岛地震监测中心市南地震台井水位和莱阳台及相公庄台钻孔水位数据进行对比,采用与青岛台钻孔水位相同的处理方法和参数进行处理。市南地震台与青岛台直线距离为7km,是青岛监测中心的流体观测井,井深140m,主要观测花岗岩基岩裂隙水,其中30～40m为主要出水段。本文通过分析市南地震台2017-12～2018-03共93d(图7(a))和2019-02～08共193d(图7(b))的数据,同时计算莱阳台2017-01-01～2019-07-20、相公庄台2017-07-01～2019-07-20的数据(图8),此处只显示尺度4～6的结果。

图62016～2019年体应变整点值曲线

由图7、8可知,在青岛台水位气压系数阶变的时间节点,市南地震台、莱阳台和相公庄台的水位气压系数均未出现阶变现象,因此青岛台水位气压系数畸变不是区域共性异常,可以判定为钻孔施工所导致。

3.4气压系数变化机理定性分析

由§3.3可知,体应变仪探头受大气压力、钻孔内水体、岩层及岩层孔隙水压力影响,短时间内岩层压力基本不变,主要是大气压力发生变化,而短周期大气压力变化则通过直接作用于钻孔内水体和地表传递给体应变仪探头。当正常段水位气压系数很小(0.14cm/hPa)时,说明大气压力变化时水位的变化量很小,此时体应变承受的外界压力变化量主要为大气压力;而当异常段水位气压系数较大时(0.66cm/hPa),说明大气压力变化时水位的变化量较大,此时体应变的变化量既受大气压力影响,又受钻孔内水体和岩层孔隙水影响。

图7市南地震台水位气压系数随时间变化曲线

图8钻孔水位气压系数随时间变化曲线

假设当大气压变化时岩层骨架基本不变,只有钻孔内水位和孔隙水发生变化。以大气压短时间内减小1hPa为例,正常段体应变减小3.5×10-9,与大气压负相关的水位升高0.14cm;异常段体应变减小2.0×10-9,水位升高0.66cm,比正常段高0.52cm。由图3可知,当水位升高57cm时,体应变增大约241×10-9,因此异常段比正常段水位升高的0.52cm会使体应变增大约2.2×10-9,此时异常段体应变减小量应为3.5×10-9与2.2×10-9之差1.3×10-9,而实际异常段体应变减小2.0×10-9,推测0.7×10-9的差值是由于孔隙水在压力差作用下渗流进入井孔,导致岩层孔隙水对体应变的压力变小。

一般情况下,渗透率的变化并非永久性[10],体应变和水位气压系数在阶变之后会恢复正常,定性分析推测其恢复机理是在施工结束后,钻孔周围裂隙在原始地应力作用下逐渐减小,导致渗透率降低,水位气压系数减小,从而影响到体应变气压系数的变化。

4、结语

在对青岛台体应变观测系统、周边施工环境、监测环境及周边台站体应变和水位数据调查分析基础上,对青岛台体应变气压系数出现畸变的情况进行分析和讨论,得出以下结论:

1)体应变气压系数畸变与地面测量仪器无关,且与台站周边施工关系较小。

2)异常开始时间点与台站钻孔施工时间一致,钻孔水位气压系数分析表明体应变钻孔渗透率增大。对比邻近台站体应变数据和水位资料可知,青岛台水位气压系数变化不是区域共性异常,与区域张性应力无关,应由台站钻孔施工所引起。因此在具体施工过程中应尽量避免大能量的施工方式,如必须使用则需做好详细施工记录。

3)体应变仪受围岩、井孔内水体、孔隙水和大气压力影响,当渗透率增大时,钻孔内水体在大气压力作用下更易流入及流出孔隙,从而导致体应变气压系数变小。

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基金:中国地震局“三结合”课题(3JH-201901087).

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期刊名称：气象研究与应用

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期刊详情

主管单位：广西壮族自治区气象局

主办单位：广西气象学会

出版地方：北京

专业分类：科学

国际刊号：1673-8411

国内刊号：45-1356/P

创刊时间：1958年

发行周期：季刊

期刊开本：大16开

见刊时间：4-6个月

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