抽水对泰安地震台钻孔分量应变的影响及其机制

引用本文

贾媛, 甘卫军, 李杰, 朱成林, 殷海涛, 卢双苓, 鞠佳斌. 抽水对泰安地震台钻孔分量应变的影响及其机制[J]. 地震地质, 2019,41(6): 1429-1443.
JIA Yuan, GAN Wei-jun, LI Jie, ZHU Cheng-lin, YIN Hai-tao, LU Shuang-ling, JU Jia-bin. INFLUENCE OF PUMPING ON FOUR-COMPONENT BOREHOLE STRAIN AT TAI'AN SEISMIC STATION AND ITS INTERFERENCE MECHANISM[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(6): 1429-1443. 复制到剪切板

DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.06.008
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抽水对泰安地震台钻孔分量应变的影响及其机制

贾媛¹⁾, 甘卫军^2),^*, 李杰¹⁾, 朱成林^1,²⁾, 殷海涛¹⁾, 卢双苓¹⁾, 鞠佳斌³⁾

1)山东省地震局, 济南 250014

2)中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029

3)吉林省通化地震台, 通化 134000

*通讯作者: 甘卫军, 研究员, E-mail: wjgan@gps.gov.cn。

〔作者简介〕贾媛, 女, 1984年生, 工程师, 2009年于武汉大学测绘学院获大地测量学与测量工程专业硕士学位, 现主要从事形变数据分析研究工作, E-mail: jiayuan84@126.com。

收稿日期: 2019-01-31

基金项目: 山东省自然科学基金(ZR2017LD009)、山东省重点研发计划项目(2018GSF120007)和山东省地震局科研基金(JJ1606Y)共同资助

摘要

抽水干扰在钻孔应变观测中常见且影响显著, 为了捕捉到真实的地震前兆信息, 必须对其干扰机制进行研究。统计结果表明, 近年来泰安台RZB-3钻孔分量应变受抽水干扰严重。对此, 文中以一个现场查明抽水信息的抽水干扰为例, 分正常抽水、中断抽水和恢复抽水3个时段计算了钻孔的主应变状态, 并利用集中载荷模型反演了应变仪相对抽水源集中力的深度和集中力, 在此基础上正演模拟计算了抽水干扰对周边区域的影响。结果表明: 1)反演的抽水源集中力位于抽水井底部及其下方附近, 与实际情况吻合, 模型较好地模拟了抽水干扰对钻孔应变的影响机制和程度; 2)钻孔分量应变观测的应变状态与抽水干扰模型正演结果较为一致, 根据观测结果计算的钻孔主应变反映了不同抽水状态下钻孔的应变状态; 3)反演的抽水源集中力与所抽出的水量载荷相比, 抽水过程对岩石孔隙压力的影响要显著得多。

关键词: 钻孔分量应变; 抽水干扰; 应变状态; 集中载荷模型; 干扰机制; 孔隙压力

中图分类号:P315.72⁺7 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)06-1429-15

INFLUENCE OF PUMPING ON FOUR-COMPONENT BOREHOLE STRAIN AT TAI'AN SEISMIC STATION AND ITS INTERFERENCE MECHANISM

JIA Yuan¹⁾, GAN Wei-jun²⁾, LI Jie¹⁾, ZHU Cheng-lin^1,²⁾, YIN Hai-tao¹⁾, LU Shuang-ling¹⁾, JU Jia-bin³⁾

1)Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China

2)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China

3)Tonghua Seismic Station of Jilin Province, Tonghua 134000, China

Abstract

Four-component borehole strainmeter (FCBS) is one kind of high-precision borehole strain observation instruments invented in China. As a kind of near-surface deformation observation instrument, FCBS is also easily disturbed by the external environment factors. As a common factor, pumping has significant influence on FCBS observation. Existing studies mostly identify the pumping interference from the perspective of observation curve morphology, relatively few studies focus on its interference mechanism. In order to truly capture earthquake precursor information, it is necessary to study the interference mechanism. In recent years, RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station has been seriously affected by pumping, so it is necessary and also feasible to study the interference mechanism of pumping. Since the influence of pumping interference on borehole strainmeter is common, this work would be very practical and be used for reference by other borehole strain observation stations.
We find that the original observation curves and observed surface strain, shear strain from RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station have the characteristics of synchronous change with the borehole water level, in which the linear correlation coefficient between the two observed shear strain curves and borehole water level reached 0.70 and 0.82 respectively. We further find that the principal strain direction of borehole and borehole water level after normalization meet the nonlinear function as y=1.217arctan( x)^0.224-0.284. The above phenomenon indicates that the observation of RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station is significantly affected by the borehole water level, and the influence is more obvious and the gradient is larger at the stage of low water level. Pumping interference often appears in low water level stage and changes the rock pore pressure state. Statistics show that pumping interference affects the borehole strain state.
To investigate the interference mechanism of pumping to RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station, we take a known pumping as an example, in which we study the principal strain state of the borehole in three periods of normal pumping, interruption of pumping and resuming pumping respectively. During each period, we solve 3 parameters of the principal plane strain state, i.e. the maximum principal strain rate, the minimum principal strain rate and the maximum principal strain direction from four observation equations of FCBS by nonlinear iterative least squares algorithm. On the other hand, concentrated load model (CLM) is used to simulate the mechanical mechanism of pumping. Firstly, the depth of FCBS relative to pumping source and the concentrated load at pumping source are inversed, then, the strain state surrounding the pumping well, including the state at RZB-3 borehole, is simulated by forward modeling. By comparing these results, we find that:
(1)The concentrated load at pumping source inversed by CLM during periods of normal pumping and resuming pumping are both located at or near the bottom of the pumping well, which is consistent with the actual situation, indicating that mechanism and degree of the influence of pumping on borehole strain are well simulated by CLM.
(2)The observed strain state is consistent with the simulation result of pumping interference by forward modeling, indicating that the principal strain state of borehole calculated based on observation of FCBS reflects the true strain state of borehole under different pumping states.
(3)The inversed concentrated load at pumping source during pumping periods is significant greater than the load of the pumped water, indicating that the pumping process has more significant influence on the pore pressure of rocks than the load of the pumped water.
Even though CLM is an approximate simulation since it's based on some elastic assumptions, the interference mechanism of pumping on RZB-3 type FCBS at Tai'an seismic station is well explained, which is maybe very helpful for studying the influence of pumping interference on other deformation instruments, locating the unknown pumping source and studying the characteristics of pore pressure of rocks.

Keyword: borehole component strain; pumping interference; strain state; concentrated load model; interference mechanism; pore pressure

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0 引言

钻孔应变观测作为一种在小空间尺度上监测地壳形变的重要手段具有不可替代的优势(苏恺之, 2005)。四分量钻孔应变仪是一种由中国发明的高精度钻孔应变观测仪器(邱泽华, 2017)。近年来, 四分量钻孔应变观测在汶川地震(邱泽华等, 2010; 刘琦等, 2011)和庐山地震(池顺良等, 2013; 刘琦等, 2014; 邱泽华等, 2015)前观测到了地震前兆异常, 为地震预报研究提供了可信线索。由于钻孔分量应变具有严格的仪器标定程序, 其观测数据具有方向性和自洽性(Qiu et al., 2013), 并且可获得丰富的辅助观测数据, 近年来逐步得到推广应用。钻孔应变仪的探头埋深一般为数十m, 观测结果反映地表附近的应变变化(邱泽华, 2017), 与其它形变观测手段相同, 钻孔分量应变观测容易受到外界环境的干扰(李杰等, 2003; 苏恺之等, 2005; 卢双苓等, 2010; 马栋等, 2014)。研究和实践表明, 抽水干扰在钻孔应变观测中常见且影响显著(赖爱京等, 2010; 李罡风等, 2011; 卢双苓等, 2016)。为了能从钻孔分量应变观测结果中分离出抽水干扰信息, 进而捕捉到真实的地壳形变和地震前兆, 必须对其干扰机制进行深入研究。

泰安基准地震台(简称泰安台)附近居民钻井抽水对台站仪器观测结果造成常年干扰(卢双苓等, 2016; 孟建国等, 2016), 对包括钻孔分量应变、洞体应变和体应变在内的形变仪器造成显著影响。泰安台于2012年底安装了RZB-3型井下综合观测仪(含四分量钻孔应变测项), 正常情况下观测的2组面应变的自洽相关性较强(相关系数达0.999), 但其受抽水干扰严重, 相关的影响机制还有待研究(卢双苓等, 2016)。 2015年以来台站受周边抽水干扰愈加严重, 有必要针对抽水干扰机制开展深入研究。由于抽水干扰对钻孔分量应变的影响较为常见, 此项工作对其它钻孔应变观测台站也具有借鉴意义。已有研究多从曲线形态上对抽水干扰进行识别, 对其干扰机制的分析相对较少。本文针对一处已明确干扰信息的抽水干扰, 研究在干扰的不同阶段泰安台RZB-3钻孔分量应变状态的变化, 通过力学模型定量模拟抽水干扰的影响以研究其机制。

1 台站及观测系统概况

泰安地区在大地构造上处于鲁西断块区的中部, 位于沂沭断裂带以西、齐河-广饶断裂以南, 是鲁西中新生代泰山断块凸起的重要组成部分(图1)。泰山山前断裂是该地区目前发现的惟一一条晚更新世活动断裂(孟建国等, 2015), 最新活动时代为距今(14.2± 1.2)ka, 属强震发震构造(晁洪太等, 1999)。近年来该地区地震活动水平较低、分布较为零散。泰安台位于泰山南麓红门风景区, 处于泰山山前断裂北侧和第四纪早期活动断裂泰山西麓断裂的东侧(图1), 台基为太古代花岗片麻岩, 结晶基底岩体完整、致密、均匀。台站附近无大型工矿企业, 北、东、西3面为山丘。

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图 1 泰安台周围地区的断裂分布和地震活动概况
右上方插图表示左侧大图在中国华北地区的位置, 其中蓝色矩形框为左侧大图所指区域, 黑色三角形表示泰安台。实心圆为2007年以来的地震震中。黑色实线为断裂: F₁ 沂沭断裂带; F₂ 泰山山前断裂; F₃ 泰山西麓断裂; F₄ 齐河-广饶断裂Fig. 1 Distribution of faults and seismic activity around Tai'an seismic station.

RZB-3型井下地壳形变综合观测仪由中国地震局地壳应力研究所研制生产, 是一套含有钻孔分量应变、钻孔倾斜及钻孔温度、水位和气压观测的井下综合观测仪。探头安装于台站院内的T-5钻孔, 该钻孔于2011年底建成, 孔径130mm, 孔深100.75m。钻孔分量应变探头深约98m, 探头四周分布完整的花岗岩, 分量应变各分量的方位角见表1。 2015年6月29日经厂家重新标定仪器参数后运行至今。

表 1 钻孔分量应变各分量方位角 Table1 Azimuth of each component of four-component borehole strainmeter

2 钻孔水位变化的影响

钻孔分量应变各观测时刻满足双衬套模型观测方程组(式(1))(张凌空等, 2013):

$\begin{array}{l} S_{1} = A (ε_{1} + ε_{2}) + B (ε_{1} - ε_{2}) \cos 2 (θ - φ) \\ S_{2} = A (ε_{1} + ε_{2}) - B (ε_{1} - ε_{2}) \sin 2 (θ - φ) \\ S_{3} = A (ε_{1} + ε_{2}) - B (ε_{1} - ε_{2}) \cos 2 (θ - φ) \\ S_{4} = A (ε_{1} + ε_{2}) + B (ε_{1} - ε_{2}) \sin 2 (θ - φ) \end{array}$ (1)

式中, S_i (i=1, 2, 3, 4)为钻孔分量应变的4个观测分量, ε ₁为最大主应变, ε ₂为最小主应变, φ 为最大主应变方向, θ 为第1个分量的方位角, A、 B是与钻孔各层材料的弹性参数和套筒半径相关的耦合系数。据此方程组可以得到:

$S_{1} + S_{3} = S_{2} + S_{4} = 2 A (ε_{1} + ε_{2})$ (2)

式(2)即为四分量钻孔分量应变观测特有的自洽方程。区别于面应变(Δ =ε ₁+ε ₂), 式(2)中的S₁+S₃和S₂+S₄称为观测面应变(邱泽华, 2017)。类似地, S₁-S₃和S₂-S₄称为观测剪应变。根据泰安台RZB-3钻孔分量应变观测曲线(图2)计算了2组观测面应变曲线和2组观测剪应变曲线(图3)。钻孔应变观测的基值没有明确意义, 所有观测值均减去起点值。结果显示, 2组观测面应变曲线整体上趋势一致, 自洽特性良好。泰安台RZB-3钻孔分量应变仪所观测的应变曲线受钻孔水位的影响显著(图2, 图3), 其中2组观测剪应变曲线的形态较为一致, 其与钻孔水位经归一化处理后的线性相关系数分别达到0.70和0.82(图4, 统计样本量为721)。由于本研究主要涉及钻孔水位而非固体潮对泰安台RZB-3钻孔分量应变的影响, 因此上述相关系数的计算基于日均值进行。

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	图 2 钻孔分量应变的原始观测曲线和水位观测曲线的对比Fig. 2 Comparison between original observation curves of four-component borehole strain and borehole water level.

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	图 3 钻孔分量应变观测面应变、剪应变曲线和水位观测曲线的对比Fig. 3 Comparison between observed surface strain, shear strain of four-component borehole strain and borehole water level.

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	图 4 钻孔分量应变S₂-S₄与钻孔水位的散点分布Fig. 4 Scatter distribution between S₂-S₄ of four-component borehole strain and borehole water level.

式(1)中存在3个未知数(ε ₁, ε ₂, φ ), 每个观测时刻的4个观测方程可通过最小二乘法平差求解, 但须确定耦合系数A、 B。 A、 B与套筒的材料和尺寸、水泥的材料和尺寸以及周围岩石的性质都有复杂的关系, 目前可通过反演(邱泽华等, 2005; Roeloffs, 2010)和正演(Gladwin et al., 1985; 骆鸣津等, 1989; 张凌空等, 2013)等方法来确定, 但是计算方法有相当的难度, 而且存在模型和输入参数不确定等原因导致的未知误差(邱泽华, 2017)。观测系统正常观测期间各观测时刻均满足式(1), 耦合系数A、 B恒定不变, 因此本文将A、 B作为未知数, 利用式(1)对各观测时刻建立联合方程组, 并直接求解应变参数。假设分量应变观测了n组数据, 据式(1)可以建立4n个方程, 每1组数据具有3个未知数(ε ₁, ε ₂, φ ), n组数据共有3n个未知数。将观测期间恒定不变的耦合系数A、 B作为未知数, 则未知数的个数为3n+2。当n足够大时可以满足4n≫3n+2, 由此可组成非线性超定方程组求解这些未知数。为使不同组数据建立的观测方程之间相互独立并提高解算可靠性, n组数据需要离散分布且具有足够的数量。利用非线性迭代最小二乘算法(Marquardt, 1963; Coleman et al., 1996)对此方程组进行求解。确定耦合系数A、 B后, 可以带入每个观测时刻的观测方程组(式(1)), 利用最小二乘法估计每个观测时刻的未知数(ε ₁, ε ₂, φ )。最大主应变方向φ 是3个应变参数里最为可靠的(邱泽华等, 2018)。经计算, 泰安台RZB-3钻孔分量应变的最大主应变方向序列与钻孔水位之间的线性相关系数为0.69(统计样本量为721), 散点分布如图5所示。基于调整确定系数(Adjusted R-square)和均方根误差(RMSE)可知, 非线性函数y=1.217arctan(x)⁰^.²²⁴-0.284可较好地拟合钻孔水位和主应变方向的关系。

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	图5 钻孔主应变方向和钻孔水位的散点分布Fig. 5 Scatter distribution between principal strain direction of the borehole and its water level.

上述分析表明泰安台RZB-3钻孔分量应变受钻孔水位的影响显著。钻孔水位的改变存在以下2种常见因素: 1)降雨造成的水位变化, 表现为雨季钻孔分量应变和水位同步变化; 2)抽水引起的水位变化, 表现为旱季受台站周边地下抽水以及抽水中断影响产生的趋势转折及固体潮畸变。抽水和降雨干扰引起的应变观测曲线趋势转折方向相反, 实践中根据干扰出现的时间较容易进行区分, 本研究重点关注抽水对钻孔分量应变的影响机制。图 5显示钻孔分量应变的主应变方向在低水位阶段受水位影响的梯度更大, 且更加会聚于拟合曲线, 出现这一现象可能存在以下2种原因: 1)低水位阶段岩石孔隙为非饱和状态, 钻孔水位的变化将直接反映岩石孔隙压力的变化, 进而反映岩石应力、应变状态的变化; 2)低水位阶段(旱季)常出现抽水干扰改变岩石孔隙压力状态, 进而改变岩石应力、应变状态的情况。

3 抽水前后的应变状态分析

2015年以来泰安台受到周边多口抽水井的抽水干扰, 且抽水干扰逐步严重。已查明的距离台站249m的红门景区管理委员会家属院抽水井(简称抽水井)对泰安台形变仪器的影响显著。该井每天抽水1~2h用于存储, 抽水量约4m³, 由于抽水过于频繁, 抽水中断时段引起了钻孔分量应变的趋势转折变化。受此影响, 泰安台RZB-3钻孔分量应变于2018年3月25— 29日出现趋势转折变化, 其中SN分量累计变化达2.8× 10^-7(图6)。据现场调查了解到此变化前后其它抽水井没有抽水, 此变化是由于该抽水井抽水泵故障中断抽水所致^①(① 异常核实———2018年3月30日山东泰安RZB钻孔分量应变，山东省地震预报研究中心，2018年4月7日), 3月29日恢复抽水。上述过程相当于为钻孔应变观测进行了一个研究抽水干扰机制的实验, 可以通过对比不同时间段钻孔分量应变观测的应变状态来研究抽水的干扰机制。

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	图 6 泰安台RZB-3钻孔分量应变受抽水干扰的观测曲线红色线框范围内的曲线为抽水井中断抽水时段导致的2018年3月25— 29日的趋势转折Fig. 6 Observation curve of RZB-3 four-component borehole strainmeter at Tai'an seismic station influenced by pumping.

如果将式(1)中的S_i由观测的应变变化更换为一段时间内的观测应变率, 则ε ₁、ε ₂相应地变为最大主应变率和最小主应变率。利用式(1)可以建立4个观测方程, 各时段各分量观测的应变率S_i可以利用K-L线性拟合方法从整点观测数据中提取, 耦合系数A、 B通过前文所述的方法确定, 此时存在最大主应变率ε ₁、最小主应变率ε ₂和最大主应变方向φ 3个待求的未知数。利用非线性迭代最小二乘算法(Marquardt, 1963; Coleman et al., 1996)求解此非线性方程组, 便可以根据钻孔分量应变的观测值确定主应变状态。计算出主应变率后, 根据式(3)计算任意方向θ 的应变状态:

$ε_{θ} = \frac{1}{2} (ε_{1} + ε_{2}) + \frac{1}{2} (ε_{1} - ε_{2}) \cos 2 (θ - φ)$ (3)

据此, 分别计算了正常抽水(图7a)、中断抽水(图7b)及恢复抽水(图7c)3个不同时段的主应变率状态, 以反映应变状态的演化过程。

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图 7 钻孔分量应变不同时段的应变状态
a 正常抽水时段(3月20— 25日)的主压应变方位角为N7.9° ^E; b中断抽水时段(3月25日11时— 3月29日08时)的主张应变方位角为N1.8° ^E; c 恢复抽水时段(3月30日— 4月5日)的主压应变方位角为N8.9° ^E; d 恢复抽水时段(3月30日— 4月5日)模型正演的应变状态。红色表示拉张, 蓝色表示收缩Fig. 7 Strain states measured with four-component borehole strainmeter during different periods.

4 抽水机制分析与讨论

岩石孔隙中富含流体时会产生孔隙流体压力效应, 岩石孔隙内流体的压力称为孔隙压力, 其可以抵消岩石构造围压的作用(曾佐勋等, 2013)。水井抽水会造成局部孔隙压力降低, 进而改变周边的应力、应变场。红门家属院抽水井深入水位线以下, 抽水时水井周边的地下水会出现 “ 漏斗” 式下降, 造成孔隙压力消失。当停止抽水时, 周围的地下水会向 “ 漏斗” 区域汇聚, 孔隙压力逐步恢复, 类似一个弹性变形及恢复的过程。失去孔隙压力引起的 “ 漏斗” 变化, 可以等效为在抽水源 “ 漏斗” 区域存在一个方向向下的集中力作用, 因此可以用集中载荷模型来近似模拟(邱泽华, 2017)。在集中力处(抽水源)建立圆柱坐标系, 集中力F在目标点T(r, θ , z)产生的平面应变张量可以用式(4)描述:

$\{\begin{array}{l} ε_{r} = \frac{F (1 + v)}{2 π E} [\frac{1 - 2 v}{R (R + z)} - \frac{(3 - 2 v) z}{R^{3}} + \frac{3 z^{3}}{R^{5}}] \\ ε_{θ} = - \frac{F (1 + v)}{2 π E} [\frac{1 - 2 v}{R (R + z)} - \frac{z}{R^{3}}] \\ ε_{rθ} = 0 \end{array}$ (4)

式中, R= $\sqrt[]{r^{2} + z^{2}}$ 为集中力到目标点T(r, θ , z)的距离, E为介质弹性模量, v为泊松比。

当抽水井已查明时可以在圆柱坐标系下确定T的平面极坐标r=249m, θ =104° (图8a), 此时根据式(4)可知应变参数ε _r、 ε _θ仅与目标点相对于抽水源的深度z和集中力F有关(岩石弹性参数作为已知常数, 计算中E取4× 10⁴MPa, v取0.25(徐志英, 1993))。由于ε _r、ε _θ和F呈正比, 可以假设F为任意常数(如F₀=1× 10⁹N)来研究ε _r、ε _θ和z的关系。结果表明, 当平面相对位置确定时, 抽水干扰处T的应变状态和其相对于抽水源的深度z高度相关(图9a), 因此确定抽水的干扰状态必须确定深度z。尽管可以假定抽水源位于抽水井的底端进行模型的正演模拟计算, 但在本研究中, 为与实际情况对比进而确定所用力学模型的可行性, 决定采用模型反演来确定深度z。根据式(4)可知ε _θ/ε _r和F无关, 仅和z有关(图9b)。根据式(3)可基于钻孔应变观测的应变状态(图7a— c)获取 ${ε^{o}}_{r}$ (相对于钻孔的方位角为θ , 用上标o表示基于钻孔应变观测结果, 下同)和 ${ε^{o}}_{θ}$ (相对于钻孔的方位角为θ -90° ), 此时可用钻孔应变实际观测的 ${ε^{o}}_{θ}$ / ${ε^{o}}_{r}$ 代替ε _θ/ε _r并确定深度z。以恢复抽水时段(3月30日— 4月5日)为例, 计算得到此时段的 ${ε^{o}}_{θ}$ / ${ε^{o}}_{r}$ =-2.43, 根据图9b的曲线可获得此时段对应的深度z=32.1m

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	图 8 钻孔分量应变仪和抽水井的相对位置 a 平面相对位置; b 垂直相对位置Fig. 8 Relative position of four-component borehole strainmeter and the pumping well.

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	图9 应变参数随深度变化曲线(深度辅助虚线表示表2中3个时段的深度)Fig. 9 Variation curve of strain parameters with depth(the dotted auxiliary lines indicate the depths of the three periods in Table 2).

(图中淡蓝色辅助虚线指示位置), 即抽水源集中力F位于钻孔应变探头上方32.1m处。由于ε _r、ε _θ和F呈正比(式(4)), 可根据实际观测的 ${ε^{o}}_{θ}$ 和图9b曲线z=32.1m处确定的 $ε_{θ}^{z}$ 得到F=F₀· ${ε^{o}}_{θ}$ / $ε_{θ}^{z}$ 。通过相同方法可反演正常抽水时段(3月20— 25日)的最优深度z(图中紫色辅助虚线指示的位置)和集中力F(表2)。对比图7b和图7c可知, 抽水状态发生逆转时应变状态整体上随之产生逆转, 中断抽水类似于弹性形变的恢复过程, 因此中断抽水时段(3月25日11时— 3月29日08时)利用-F(方向向上的集中力)进行模拟, 所反演的最优深度z(图中黄色辅助虚线指示的位置)以及集中力F列于表2中。

表2 3个时段深度和集中力反演结果 Table2 Inversion results of depth and concentrated load during three periods

抽水井和分量应变钻孔的垂直相对位置如图8b所示, 两者井(孔)口高差约9m, 钻孔应变仪的安装深度约98m, 抽水井深60m, 据此可知抽水井底部位于钻孔应变仪上方约47m。利用集中载荷模型反演得到正常抽水时段和恢复抽水时段钻孔分量应变仪相对抽水源集中力的深度z分别为47.7m和32.1m, 因此2个抽水时段的集中力F均位于抽水井底部及其下方附近。当确定相对抽水源集中力的深度z和集中力F后, 便可以根据式(4)正演计算抽水干扰对周边区域某一深度层面水平应变状态产生的影响。以恢复抽水时段为例, 正演结果如图 10所示, 其中对钻孔处(图 10中黑色箭头所指位置)造成的应变曲线正演结果如图7d所示。可见, 抽水干扰影响的正演结果与泰安RZB-3钻孔分量应变观测的应变状态(图7c)较为一致。对于上述工作, 以下几点值得讨论:

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	图 10 在抽水源集中力F作用下的z深度的水平应变正演分布绿色圆形表示抽水井; 应变张量用交叉箭头表示, 红色表示拉张, 蓝色表示收缩; 黑色箭头指向的应变张量为钻孔所处位置, 其量级见图7dFig. 10 Distribution of horizontal strain at z depth under the concentrated load at the pumping source by forward modeling.

(1)利用集中载荷模型反演的正常抽水时段和恢复抽水时段的抽水源集中力均位于抽水井底部及其下方附近, 与实际情况相吻合, 说明所用模型较好地模拟了抽水干扰对钻孔应变的力学影响机制和程度。中断抽水时段反演的抽水源集中力也位于抽水井底端下方, 但比2次抽水时段的深度更深。实际上, 与抽水时段引起的孔隙压力变化相比, 中断抽水引起孔隙压力变化的方向相反但影响区域较为发散, 不如抽水时段影响区域那么 “ 集中” , 基于集中载荷模型可能在集中力的定位结果上有所偏差。

(2)对比正常抽水和恢复抽水2个时段和中断抽水时段的主应变状态(图7)可知, 2个抽水时段的主压应变方向与钻孔、抽水井的连线更趋于垂直。恢复抽水时段钻孔分量应变观测的应变状态与抽水干扰的模型正演模拟结果较为一致, 表明根据钻孔分量应变观测结果计算的钻孔主应变状态反映了不同抽水状态下钻孔的应变状态。

(3)正常抽水时段反演的抽水源集中力为1.12× 10⁹N(表2), 即该时段抽水干扰引起的应变日变化量相当于在抽水源位置受到1.12× 10⁹N集中载荷的干扰。在恢复抽水时段, 由于之前的中断抽水, 井下出水量增多, 抽水造成的影响更为显著, 抽水干扰引起的应变日变化量相当于在抽水源位置受到3.06× 10⁹N集中载荷的干扰。在正常抽水时段抽水井每天的抽水量约4m³, 所抽取水的自身载荷约3.92× 10⁴N。前文的抽水机制分析认为抽水通过影响岩石孔隙压力并作用于钻孔分量应变的过程可以通过集中载荷模型近似模拟, 正常抽水时段反演的抽水源集中力为1.12× 10⁹N, 远大于该抽水时段每天抽水量的自身载荷, 因此与所抽水的自身载荷相比, 抽水过程对岩石孔隙压力的影响要显著得多。

(4)集中载荷模型较好地模拟了2个抽水时段的抽水干扰引起的应变变化, 但该模型基于弹性力学的很多假设, 例如假设岩石为弹性体且岩石力学参数具有各向同性的特点。因此, 集中载荷模型是对抽水干扰机制的一种近似模拟, 存在不确定性。除了模型误差外, 还存在参数误差。本研究中计算涉及的岩石弹性参数从文献获取并设为常数, 实际上孔隙流体可能造成岩石强度和弹性参数的改变(刘新荣等, 2000; 曾佐勋等, 2013)。除此之外, 钻孔应变观测系统自身的不确定性以及台站所处位置的复杂地形条件也不可忽略, 上述不确定性在以后的研究中值得进一步探讨。即便如此, 本研究通过集中载荷模型的近似模拟, 较好地解释了抽水干扰对钻孔分量应变的影响机制, 对研究抽水干扰对其它形变仪器的影响、定位未知抽水源以及研究岩石孔隙压力特征都很有帮助。

5 结论

本研究中, 通过观测曲线可发现泰安RZB-3钻孔分量应变和钻孔水位具有同步变化特征, 两者具有线性相关性。进一步分析发现钻孔主应变方向与钻孔水位在归一化后满足非线性函数y=1.217arctan(x)^0.224-0.284。上述现象说明泰安RZB-3钻孔分量应变受钻孔水位影响显著, 且在低水位阶段更加明显、梯度更大。由于低水位阶段(旱季)常出现抽水干扰改变岩石孔隙压力状态的情况, 故统计结果表明抽水干扰影响了钻孔的应变状态。

为了研究抽水干扰对泰安RZB-3钻孔应变的影响机制, 本文以一个现场查明抽水信息的抽水干扰为研究对象, 对正常抽水、中断抽水和恢复抽水3个时段分别研究了钻孔分量应变的主应变状态, 并利用集中载荷模型反演了钻孔分量应变仪相对抽水源集中力的深度和集中力, 在此基础上正演模拟了抽水干扰对周边区域以及钻孔应变状态的影响。结果表明: 1)在模型反演的正常抽水时段和恢复抽水时段, 抽水源集中力均位于抽水井底部及其下方附近, 与实际情况相吻合, 说明集中载荷模型较好地模拟了抽水干扰对钻孔应变影响的机制和程度; 2)钻孔分量应变观测的应变状态与抽水干扰的模型正演模拟结果较为一致, 表明根据钻孔分量应变观测结果计算的钻孔主应变状态反映了不同抽水状态下钻孔的应变状态; 3)模型反演的抽水阶段的抽水源集中力显著大于所抽出水的载荷, 抽水过程对岩石孔隙压力的干扰影响与所抽水的自身载荷相比非常显著。

致谢泰安基准地震台提供了部分基础资料; 审稿专家为本文提出了宝贵的意见。在此一并表示感谢!

参考文献

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1999

0.0

... 2)^ka, 属强震发震构造(晁洪太等, 1999) ...

2013

0.0

... 刘琦等, 2011)和庐山地震(池顺良等, 2013 ...

2010

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... 研究和实践表明, 抽水干扰在钻孔应变观测中常见且影响显著(赖爱京等, 2010 ...

2011

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... 李罡风等, 2011 ...

2003

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... 钻孔应变仪的探头埋深一般为数十m, 观测结果反映地表附近的应变变化(邱泽华, 2017), 与其它形变观测手段相同, 钻孔分量应变观测容易受到外界环境的干扰(李杰等, 2003 ...

2011

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刘琦, 张晶. 2011. S变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用[J]. 大地测量与地球动力学, 31(4): 6—9.

LIU

, ZHANG

Jing

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It is found that some abnormal signals like compressive pulses and tidal distortion of the 4component borehole strain observation at Guza station about a year before the Wenchuan Ms8.0 earthquake in 2008 and even continued to occur occasionally after the earthquake. The S transform was tried to apple to the field in order to carry out a further research into the abnormal signal characteristic from a different perspective. An analysis of 4component borehole strain observation from over 20 stations within 1500 kms from the Wenchuan epicenter showed that only in the observations at Guza station there were significant abnormal signals with the following characteristics: On the basis of the background signals, the signals with period of about 10 to 60 minutes increased before the Wenchuan earthquake and gradually decreased after the earthquake, meanwhile, the most powerful signals were background signals with the power enhanced before the earthquake and weakened after it.

Institute of Earthquake Science, CEA, Beijing 100036

引入时频分析中的S变换方法，对姑咱台四分量钻孔应变观测曲线中出现的“压性脉冲”和“潮汐畸变”异常信号进行分析。结果表明，在背景信号的基础上，周期约10~60分钟的信号在汶川地震前开始大量出现，震后逐渐衰减；能量最大的信号仍然是背景信号，其能量幅度随地震发生时间的临近而增大，震后逐渐减弱。

... 刘琦等, 2011)和庐山地震(池顺良等, 2013 ...

2014

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... 刘琦等, 2014 ...

2000

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... 本研究中计算涉及的岩石弹性参数从文献获取并设为常数, 实际上孔隙流体可能造成岩石强度和弹性参数的改变(刘新荣等, 2000 ...

2016

0.0

卢双苓, 郝军丽, 孟建国, 等. 2016. 分量应变和体应变可靠性检验及特殊事件影响对比分析[J]. 大地测量与地球动力学, 36(12): 1117—1120.

Shuang-ling

, HAO

Jun-li

, MENG

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This paper compares the observation data of different borehole strain meters of Taian fiducial seismic station. We analyze the self-testing reliability of component borehole strain. The correlation of component borehole strain meter and volume strain meter in the normal state and during drawing water conditions is also studied. The correlation coefficient between S1+S3 and S2+S4, two orthometric components of RZB-3, is 0.999 9. The correlation coefficient between S1+S3 and S2+S4 of RZB-3 and volume strain is above 0.998. However, there is poor correlation when the instruments are disturbed by pumping.

对泰安台不同类型钻孔应变仪的产出资料进行研究，分析分量应变仪的自检可靠性及其与体应变资料的相关性，以及在抽水干扰情况下的相关性。RZB-3仪两组互相正交的分量应变之和S1+S3、S2+S4的自检相关性达到0.999 9,其与体应变的相关性达到0.998以上。但在抽水干扰情况下，S1+S3、S2+S4自检相关性及与体应变的相关性均较差。

... 卢双苓等, 2016) ...

... 泰安基准地震台(简称泰安台)附近居民钻井抽水对台站仪器观测结果造成常年干扰(卢双苓等, 2016 ...

... 999), 但其受抽水干扰严重, 相关的影响机制还有待研究(卢双苓等, 2016) ...

2010

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... 卢双苓等, 2010 ...

1989

0.0

... 骆鸣津等, 1989 ...

2014

0.0

... 马栋等, 2014) ...

2015

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... 泰山山前断裂是该地区目前发现的惟一一条晚更新世活动断裂(孟建国等, 2015), 最新活动时代为距今(14 ...

2016

0.0

... 孟建国等, 2016), 对包括钻孔分量应变、洞体应变和体应变在内的形变仪器造成显著影响 ...

2017

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... 四分量钻孔应变仪是一种由中国发明的高精度钻孔应变观测仪器(邱泽华, 2017) ...

... ₂), 式(2)中的S₁+S₃和S₂+S₄称为观测面应变(邱泽华, 2017) ...

... 张凌空等, 2013)等方法来确定, 但是计算方法有相当的难度, 而且存在模型和输入参数不确定等原因导致的未知误差(邱泽华, 2017) ...

... 区域存在一个方向向下的集中力作用, 因此可以用集中载荷模型来近似模拟(邱泽华, 2017) ...

2005

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... A、 B与套筒的材料和尺寸、水泥的材料和尺寸以及周围岩石的性质都有复杂的关系, 目前可通过反演(邱泽华等, 2005 ...

2018

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... 是3个应变参数里最为可靠的(邱泽华等, 2018) ...

2015

0.0

邱泽华, 杨光, 唐磊, 等. 2015. 芦山 M7. 0地震前姑咱台钻孔应变观测异常[J]. 大地测量与地球动力学, 35(1): 158—161.

QIU

Ze-hua

, YANG

Guang

, TANG

Lei

, et al. 2015. Abnormal strain changes observed by a borehole strainmeter at Guza station before the M_S7. 0 Lushan earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 35(1): 158—161(in Chinese).

For several days just before the M7.0 Lushan earthquake, the YRY-4 four-gauge borehole strainmeter at Guzan, Sichuan, recorded prominent abnormal changes. The strain anomalies are striking on the smooth background of several years recording after Wenchuan earthquake. However, as the small town of Guzan is in rapid development presently, constructions of various kinds significantly affect the observation. Whether or not the observed anomalies before the Lushan earthquake were caused by any of the constructions is a question that must be answered. Among all the interferences, apartment building, sports ground reconstruction and tunnel cutting can be first excluded by an analysis of the typical figure of the anomalies. Two other possible interferences are: the road construction in front of the station, and the flow variation of the nearby Daduhe river due to the building of an upstream reservoir. Local investigation, comparison of strain and seismographic recordings, comparison of strain and Daduhe river flow recordings, and analysis of the sense of the strain anomalies have been carried out. It is concluded that the abnormal variations cannot be attributed to any interferences, but should be related to Lushan earthquake.

1 nstitute of Crustal Dynamics, CEA, 1 Anningzhuang Road,Beijing 100085, China 2 uzan Seismic Station, Earthquake Administration of Sichuan Province, Kangding 626001, China

芦山M7.0地震前数天，姑咱台YRY-4型钻孔应变仪记录到显著的异常变化。对照异常变化的形态特征，可以首先排除建设楼房、修整操场和开凿隧道等影响。最可能的干扰剩下两个：台站观测院门前的道路施工和水库蓄、放水导致大渡河水位变化。结合实地调查，对比应变和测震观测的相关性、应变和大渡河流量变化的相关性，以及对观测应变变化特征的分析，姑咱台的观测异常不是这两种干扰因素的影响，应该与芦山地震有成因联系。

... 邱泽华等, 2015)前观测到了地震前兆异常, 为地震预报研究提供了可信线索 ...

2010

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... 近年来, 四分量钻孔应变观测在汶川地震(邱泽华等, 2010 ...

2005

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... 0 引言钻孔应变观测作为一种在小空间尺度上监测地壳形变的重要手段具有不可替代的优势(苏恺之, 2005) ...

2005

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... 苏恺之等, 2005 ...

1993

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... 25(徐志英, 1993)) ...

2013

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... 4 抽水机制分析与讨论岩石孔隙中富含流体时会产生孔隙流体压力效应, 岩石孔隙内流体的压力称为孔隙压力, 其可以抵消岩石构造围压的作用(曾佐勋等, 2013) ...

... 曾佐勋等, 2013) ...

2013

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张凌空, 牛安福. 2013. 分量式钻孔应变观测耦合系数的计算[J]. 地球物理学报, 56(9): 3029—3037. doi: 106038/cjg20130916.

ZHANG

Ling-kong

, NIU

An-fu

. 2013. Calculation of coupling coefficients for component-type borehole strain observations[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56(9): 3029—3037(in Chinese).

Based on the double bushing borehole strain observation mechanical model, we deduced the calculation formulae of two coupling coefficients(A,B)of each strain component under plane stress. This provides a basis for further determining the value and direction of maximum and minimum principal strain of the crustal strain field, and has a positive meaning for carrying out borehole strain observation of earthquakes, volcanoes and plate boundaries. Using a two-ring model and the complex variable function method to calculate the c (area strain response coefficient) and d (shear strain response factor), A and c, B and d have a relationship as c=2A, d=2B. And the variation curves are identical. Their physical meanings are respectively the crust rock area strain and shear strain observation borehole coupling coefficient.

Zhang Ling-Kong 1 ;Niu An-Fu 1 ;

根据双衬套钻孔应变观测力学模型,推导出平面应力作用下各分量应变观测中两个耦合系数( A、B )的计算公式,为进一步确定地壳应变场最大、最小主应变的数值及方向提供了必需的前提条件,对当前国内外开展的利用钻孔应变进行地震、火山和板块边界的观测研究具有一定积极意义.研究结果表明, A、B 与用双环模型和复变函数法解算出的 c (面应变响应因子)、 d (剪应变响应因子)之间分别存在2倍的关系( c =2 A , d =2 B ),并且二者绘制的曲线完全一致, c、d 的物理含义分别是地壳岩石面应变与剪应变观测的井孔耦合系数.

... 2 钻孔水位变化的影响钻孔分量应变各观测时刻满足双衬套模型观测方程组(式(1))(张凌空等, 2013): ...

... 张凌空等, 2013)等方法来确定, 但是计算方法有相当的难度, 而且存在模型和输入参数不确定等原因导致的未知误差(邱泽华, 2017) ...

1996

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... Coleman et al ...

1985

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... Roeloffs, 2010)和正演(Gladwin et al ...

1963

0.0

... 利用非线性迭代最小二乘算法(Marquardt, 1963 ...

2013

0.0

... 由于钻孔分量应变具有严格的仪器标定程序, 其观测数据具有方向性和自洽性(Qiu et al ...

2010

0.0

... Roeloffs, 2010)和正演(Gladwin et al ...