基于潛水層研究鉆孔應力-應變對降雨的響應

陸明勇 牛安福 張凌空 劉天海 高福旺

1）中國地震應急搜救中心，北京 100049

2）中國地震臺網中心，北京 100045

鉆孔應力-應變觀測是在地表下數十米的基巖中(或土層中)安裝儀器探頭對地震應力－應變前兆變化進行觀測；但仍存在環境因素影響如降雨，如進行輔助地下水位觀測的鉆孔應力-應變觀測消除降雨的影響，主要是通過降雨引起地下水位的變化來進行分析研究并消除降雨影響，其方法為擬合相關分析、運用巖土應力-應變理論建立模型進行研究等；無地下水位觀測資料的鉆孔應力-應變消除降雨影響研究不多，主要是進行簡單相關分析或運用巖土應力-應變理論進行定性分析。而水文地質等領域基于水量平衡原理(質量守恒定律)即降水入滲系數乘以降雨量等于地下水位上升與給水度之積，得到降雨量與潛水位上升幅度之間的計算公式，以及由此得到降雨與應力-應變公式；但降雨對潛水位變化的影響是一個過程，不僅需要定量關系，而且需要反映過程變化的信息如降雨滲透延遲或滯后效應，這些關系為不能反映變化過程信息的近似公式且無法回答降雨停止后潛水位變化對降雨響應過程。

（1）我國鉆孔應力-應變觀測規范要求：鉆孔深度應該大于等于30 m(若在山洞中則＞2 m)；安置探頭的測量段要求巖孔應避開巖石裂隙密集區、巖脈、透鏡體，采芯率宜＞70%等，儀器觀測處應該在致密巖石處。據統計目前我國大部分鉆孔應力-應變鉆孔深度為30～80 m左右，“十一五”期間新上的鉆孔應力-應變鉆孔深度有兩種：30 m、60 m。而淺部地殼上部從地表之下依此可以分為：包氣帶、潛水層、第一穩定隔水層、承壓水層等，不同的地區以及不同的地形，上述分層的巖土性質、深度等特征變化較大，如太原盆地第四系全新統潛水含水巖系埋深0～50 m，太原市在100～150 m為壓縮性較強的粘土層、粉質粘土層及粉土層，即穩定的隔水層；長江三角洲(南部)區域地表總厚度200～350 m的全新世、更新世松散沉積物所覆蓋即為潛水層巖土。截止2011年6月，我國正式觀測的鉆孔應力-應變觀測共有118臺套，主要分布在華北、長江中下游、西南等地區。因此，目前我國鉆孔應力-應變觀測井鉆孔深度存在于第一穩定隔水層即潛水層和承壓水層分界面處的情況，第一穩定隔水層上面的地下水位實際上是潛水層水位，地下水位變化應為潛水層水位變化，如天津寶坻、安徽合肥與六安等地震臺的體應變觀測。

（2）運用水文地質、地下水動力學、數學物理方法以及地殼巖石中有效應力原理，基于潛水層在研究鉆孔應力-應變對降雨響應，獲得了考慮降雨滲透延遲或滯后效應的降雨與鉆孔應力-應變之間的隨時間變化定量關系：在降雨對潛水位影響的延遲或滯后效應過程中（t≤t0），鉆孔應力-應變對降雨未產生響應；在降雨影響潛水層水位變化后，鉆孔應力-應變對降雨的響應變化與降雨量累加和、降水滲入系數成正比，與潛水層的(重力)給水度成反比；另外，鉆孔應變對降雨的響應變化還與觀測處巖石拉梅常數、剪切模量成反比。在降雨完全停止以后足夠長的情況下，在其他條件不變的情況下，鉆孔應力-應變對降雨的響應變化與時間成反比。

（3）鉆孔應力-應變對降雨響應一般可以分為3個階段：①鉆孔應力-應變對降雨響應滯后(延遲)階段，是因為降雨滲透到潛水面需要一段時間、潛水面變化有一滯后(延遲)過程；②鉆孔應力-應變開始變化至降雨完全結束階段；在降雨率最大之前，鉆孔應力-應變快速變化；其后降雨開始減小，但鉆孔應力-應變仍然快速變化，是因為不同的地方潛水面高低不同，潛水面高的地方，潛水受重力影響要流向潛水面低的地方；另外降雨滲透到潛水面也需要時間即降雨仍然快速滲透到潛水里；在降雨完全停止前一段時間，降雨小、鉆孔應力-應變變化也小；③降雨完全結束后初期，由于降雨滲透未完全結束，整個潛水面在重力作用下緩慢調整變化直到整個潛水面水平，鉆孔應力-應變緩慢增大變化直到停止；然后降雨滲透結束、潛水蒸發和滲透，潛水面開始緩慢減小，鉆孔應力-應變緩慢減小即壓性減弱，在無降雨和其他條件不變的情況下，鉆孔應力-應變與時間成反比，時間越長，減小越多。