天津?qū)毰_(tái)體應(yīng)變與氣壓關(guān)系的譜分析

天津?qū)毰_(tái)體應(yīng)變與氣壓關(guān)系的譜分析

0鉆孔體應(yīng)變觀觀測孔體變形是監(jiān)測地殼變形的重要方法?！熬盼濉?、“十五”期間,中國地震局在數(shù)字化鉆孔應(yīng)變觀測方面進(jìn)行了較大規(guī)模的改造與建設(shè),并在我國大陸布設(shè)了80多套鉆孔體應(yīng)變觀測儀。華北地區(qū)體應(yīng)變觀測結(jié)果表明,氣壓是影響鉆孔體應(yīng)變觀測的主要因素之一(劉瀾波等,1986;張凌空等,1996;王梅,2002;李杰等,2002;蘇愷之等,2003),但氣壓如何對體應(yīng)變產(chǎn)生影響則有不同的看法,為此,本文以寶坻臺(tái)為主要范例,討論不同周期氣壓波與體應(yīng)變相關(guān)性的差異及可能的機(jī)理。1井底基巖巖石結(jié)構(gòu)寶坻體應(yīng)變臺(tái)位于天津市寶坻縣城關(guān)鎮(zhèn)圣人莊,是20世紀(jì)80年代后期由聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署援助建成的首都圈Sacks體應(yīng)變綜合觀測臺(tái)網(wǎng)的一個(gè)子站。該臺(tái)觀測井深253m,地下水位埋深約5m,第四系覆蓋層厚度為182m,主要由粉細(xì)砂、亞粘土和粘土層組成,基巖分為兩部分,上部為白云巖,下部為含有頁巖夾層的砂巖(張凌空,2005a)。城關(guān)鎮(zhèn)位于強(qiáng)富水區(qū)(鄭文俊等,2007),水源主要來自北部燕山廣泛發(fā)育的以白云巖為主的巖溶裂隙水,含水層特點(diǎn)是連通性和導(dǎo)水性好。Sacks-Evertson鉆孔體應(yīng)變儀外殼由4m長的不銹鋼筒組成,用膨脹水泥固結(jié)在井底基巖上。該儀器觀測動(dòng)態(tài)范圍大(響應(yīng)頻率從0到幾赫茲),應(yīng)變靈敏度高(可達(dá)10-11),當(dāng)巖石應(yīng)力發(fā)生變化時(shí),鋼筒會(huì)產(chǎn)生變形,并由差動(dòng)變壓器測量到。自2001年下半年開始進(jìn)行的“九五”臺(tái)站數(shù)字化改造中,該測站實(shí)現(xiàn)了整點(diǎn)值采樣和數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。2原始觀測結(jié)果的凈化將寶坻臺(tái)體應(yīng)變與氣壓觀測結(jié)果用別爾采夫?yàn)V波法將其日波、半日波濾除,再用一般多項(xiàng)式分段曲線擬合法將周期在1～2個(gè)月內(nèi)的月波信號(hào)濾除,即可對原始觀測結(jié)果進(jìn)行分離。圖1(a1)、(a2)表示相應(yīng)的體應(yīng)變與氣壓觀測原始值,圖1(b1)、(b2)為分離出的日波與半日波,圖1(c1)、(c2)表示濾除日波、半日波后的體應(yīng)變?chǔ)?d與氣壓P-d,圖1(d1)、(d2)為分離出的周期在1～2個(gè)月內(nèi)的體應(yīng)變與氣壓。3體應(yīng)變與空氣年周期對氣壓與體應(yīng)變原始觀測結(jié)果((圖1(a1)、(a2)))分別進(jìn)行傅立葉譜分析,結(jié)果表明,體應(yīng)變與氣壓均具有年周期(365.25天),體應(yīng)變初相為-59.55天,振幅166.15×10-9,氣壓初相2.60天,振幅1114Pa,體應(yīng)變滯后氣壓62.15天。由譜分析得到的最大振幅可算出體應(yīng)變受氣壓影響系數(shù)為14.91×10-11/Pa。對去除潮汐與月周期變化后的體應(yīng)變與氣壓年周期信號(hào)(圖1(e1)、(e2))進(jìn)行一元線性回歸分析,得到相關(guān)系數(shù)r=-0.796,回歸系數(shù)b=-13.35×10-11/Pa。殘差分析結(jié)果表明,體應(yīng)變年周期最大振幅已由163×10-9降為12.3×10-9,可以看出氣壓的年變形態(tài)影響已基本被消除干凈(圖2)。4體應(yīng)變與空氣的關(guān)系對分離出的周期在1～2個(gè)月范圍內(nèi)的體應(yīng)變與氣壓(圖1(d1)、(d2))進(jìn)行傅立葉譜分析的結(jié)果表明:在該頻段上,體應(yīng)變(εm)與氣壓(Pm)正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=0.780,回歸系數(shù)b=7.489×10-11/Pa。消除氣壓影響后,體應(yīng)變大部分周期的振幅明顯減小。圖3給出了其中2003年1月相關(guān)分析的結(jié)果。5體應(yīng)變與固體潮涌關(guān)系在體應(yīng)變潮汐觀測中,固體潮汐對體應(yīng)變的影響較氣壓大,為研究氣壓對體應(yīng)變觀測結(jié)果的影響,可首先借助理論潮汐計(jì)算結(jié)果進(jìn)行消除處理。圖4給出了2003年1月1～10日體應(yīng)變、理論固體潮汐、氣壓及相關(guān)消除曲線。對圖4(a)與(b)進(jìn)行一元線性回歸分析,體應(yīng)變(ε)與固體潮汐(g)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=0.803,回歸系數(shù)b=0.577。消除固體潮汐影響后,得到剩余體應(yīng)變?chǔ)?g,其幅值變小(圖4(c))。再對消除理論潮汐后的體應(yīng)變(圖4(c))與日、半日周期氣壓波(圖4(d))進(jìn)行回歸分析,則二者呈顯著線性正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=0.868,回歸系數(shù)b=5.390×10-11/Pa。消除氣壓干擾后,得到體應(yīng)變殘差ε-gP,其幅值又進(jìn)一步縮小(圖4(e))。從寶坻臺(tái)體應(yīng)變與氣壓相關(guān)性分析結(jié)果可知,不同頻段的氣壓對體應(yīng)變觀測結(jié)果的影響不同。在年周期變化上,氣壓與體應(yīng)變呈負(fù)相關(guān),即氣壓增加,體應(yīng)變反是張性變化(數(shù)值下降)。而周期在月或潮汐頻段上,則表現(xiàn)為氣壓增加,體應(yīng)變壓性增強(qiáng)(數(shù)值上升)。6月、月周期體應(yīng)變與大氣負(fù)相關(guān)與對寶坻臺(tái)體應(yīng)變和氣壓關(guān)系的研究方法一樣,本文還對北京東三旗臺(tái)美國產(chǎn)Sacks體應(yīng)變儀及河北張家口臺(tái)國產(chǎn)TJ-1A型體應(yīng)變儀的觀測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。東三旗臺(tái)體應(yīng)變觀測井深285m,第四系覆蓋層198m,基巖為震旦紀(jì)白云質(zhì)灰?guī)r(張凌空,2005b);年周期體應(yīng)變與大氣壓負(fù)相關(guān),體應(yīng)變滯后氣壓變化約2個(gè)月。與寶坻臺(tái)一樣,月、日周期體應(yīng)變與氣壓同步正相關(guān)(表1)。河北張家口臺(tái)體應(yīng)變觀測井深63.2m,沒有第四系覆蓋層,全部為侏羅紀(jì)火山巖,井水為基巖裂隙水(池海江等,2005);與前兩個(gè)臺(tái)站不同,年周期體應(yīng)變與氣壓正相關(guān),滯后氣壓約18天;日、月周期體應(yīng)變與氣壓同步正相關(guān)(表1)。通過對體應(yīng)變與氣壓的觀測資料分析可知,不同周期氣壓波對體應(yīng)變影響的特征不同:(1)在體應(yīng)變包含的各種周期成分中,以年、月和日、半日周期氣壓波的作用最為顯著,其相關(guān)系數(shù)絕對值皆在0.7～0.8之間,回歸系數(shù)絕對值隨周期延長而增大,且短周期(月、日)氣壓波的影響系數(shù)大約是年周期的(2)短周期氣壓波與體應(yīng)變正相關(guān),而年周期氣壓波對體應(yīng)變的影響機(jī)制則比較復(fù)雜,有的與其呈正相關(guān),有的呈負(fù)相關(guān),相位超前體應(yīng)變約18～62天。7有利于控制開放系數(shù)的封閉設(shè)備根據(jù)彈性力學(xué)可知,鉆孔在垂直方向受到大氣壓的直接作用,在水平方向上則受到側(cè)向圍壓的作用?？紤]到鋼筒、水泥層和鉆孔巖石的復(fù)合結(jié)構(gòu),可以從理論上推導(dǎo)出大氣壓對體應(yīng)變的影響模型(蘇愷之等,2003)ε=bΔPa(1)b=[(4?1.8μ)μ/(1?μ)+0.9?2μ]E(2)ε=bΔΡa(1)b=[(4-1.8μ)μ/(1-μ)+0.9-2μ]E(2)式中ε為鉆孔體應(yīng)變,ΔPa為大氣壓增量,b為氣壓影響系數(shù),E為巖石彈性模量,μ為泊松系數(shù)(0.20～0.35)。式(1)表明一般情況下體應(yīng)變隨氣壓增大而增大(探頭壓縮),減小而減小(探頭膨脹),也就是正相關(guān);式(2)表明氣壓影響系數(shù)與巖石彈性模量E成反比。寶坻臺(tái)測得的巖石彈性模量E=3.25×1010Pa,泊松系數(shù)μ=0.25,東三旗臺(tái)為E=8.13×1010Pa,μ=0.29,二者E值相差2.5倍(張凌空等,1996),由式(2)可算得二者理論氣壓影響系數(shù)b值相差2.3倍。因此,對于不同測點(diǎn)而言,氣壓波對體應(yīng)變影響系數(shù)很大程度上依賴于鉆孔周圍介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)。從表1給出的寶坻、東三旗及張家口臺(tái)體應(yīng)變與氣壓的回歸系數(shù)可知,3個(gè)臺(tái)站體應(yīng)變隨短周期(月、日)氣壓增加皆壓性增強(qiáng),且基本同步,此特征在285m深度范圍內(nèi)沒有因?yàn)榫咨顪\變化而顯現(xiàn)出差異。這主要反映了大氣壓引起的巖石側(cè)向圍壓大于井孔軸向大氣壓的作用時(shí),對探頭起主導(dǎo)因素;另一方面也反映了變化速率較快的短周期氣壓波(比年周期約大30～60倍)在地層中的傳播速度也較快。但年周期氣壓波對體應(yīng)變影響則較為復(fù)雜。寶坻、東三旗臺(tái)體應(yīng)變隨年周期氣壓波的增加而呈張性,并且相位滯后氣壓的時(shí)間較長(約2個(gè)月),而張家口臺(tái)體應(yīng)變隨年周期氣壓波的增加呈現(xiàn)壓性,相位滯后氣壓的時(shí)間也相對較短(約18天)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是什么?筆者認(rèn)為可能與各井含水層結(jié)構(gòu)存在差異和氣壓周期有關(guān)。寶坻和東三旗臺(tái)測井深度是張家口臺(tái)測井的4倍,其中土層占70%,因而變化速率比較慢的年周期大氣壓傳導(dǎo)到井下基巖的時(shí)間比較長;張家口臺(tái)測井最淺(63.2m),沒有土層,氣壓直接作用在巖石上對探頭產(chǎn)生側(cè)向圍壓,因而年周期大氣壓傳導(dǎo)到井下基巖的時(shí)間比較短,相位滯后也相對較小;與短周期氣壓波相比,年周期氣壓波在地層中的傳播速度明顯要慢得多。另外一個(gè)因素是,寶