TJ-Ⅱ型钻孔应变仪是一种地壳应变动态观测仪器，已有许多专家对其产出资料特征、干扰因素、映震能力等进行分析研究^[1-5]。不同的测点因其所处的地质构造背景、钻孔环境、安装质量等差异，所产出的资料质量、图像特征、干扰因素各不相同，观测曲线表现出较复杂的形态。目前对安徽钻孔体应变台站数据分析较少。为进一步提高对安徽省体应变数据，特别是同片区资料的认识，需要进行系统研究。

1 资料概况

安徽省钻孔应变台网目前共有体应变观测点14个(分别为合肥、肥东(合肥形变台)、黄山、六安、桐城、滁州、嘉山、定远、五河、凤阳、来安、全椒、蒙城、蚌埠)，其中蚌埠台因观测环境破坏严重、桐城台因优化改造已停止观测。体应变台站主要分布在郯庐断裂带沿线及皖中北部地区，附近断裂构造复杂。

观测仪器均为TJ-Ⅱ型应变仪，可进行体应变、气压、温度、水位观测，精度达到10^-9，如表 1所示。

表 2给出2016年各仪器连续率和完整率情况，其中市县台站仪器由管理系统直接采集原始数据，未计算完整率。合肥、黄山、嘉山台连续率较高，达到98%以上，定远、凤阳、滁州台连续率较低。通过调研发现，仪器数采故障且故障处置速度慢是导致连续率低的主要原因；而仪器产出错误数据时没有及时检查和处理，使得仪器一直产出错误数据，影响了数据的完整率。

2 典型特征

对12个台站体应变资料进行分析发现，各台站数据变化可归纳为3种典型的图像特征。

2.1 数据连续漂移上升

嘉山、六安、全椒、五河4个台站的体应变观测数据自安装以来呈现漂移上升的变化，仪器开阀频繁，数据始终处于“上升-开阀-上升”形态。图 1(a)、(c)为嘉山、六安体应变数据长期形态，其日变化能记录到明显的固体潮汐(图 1(b)、(d))。安装时月漂移速率较大，半年后趋于稳定，目前月漂移速率低于1×10 ^-6，符合技术要求。

六安台在2012-09更换主机后数据漂移速率较之前增大，而M₂波潮汐因子从0.6上升到1.3。更换仪器时对仪器进行标定，按要求设置了格值，理论上不会出现这一变化，这一现象是否说明仪器参数存在差异，需要进一步核实。

分析认为，气压是这4个台站体应变资料的主要干扰因素。短时的强对流天气或长趋势的大幅波动会引起体应变数据曲线的同步畸变，但变化幅度不大(图 2(a)、2(b))。而水位变化对体应变资料干扰不明显，强降雨时，水位、体应变均未出现明显的即时效应(图 2(c)、2(d))。

2.2 体应变和水位同步变化

肥东、合肥、滁州、定远、黄山台体应变年周期均呈现出和水位观测同步的变化，如图 3。表 3为5个台站体应变和水位连续3个月的相关系数，合肥、肥东、滁州、定远均超过0.90，黄山超过0.85，均呈显著相关，而肥东台相关程度最高。结合降雨资料发现，5个台站井水位的变化和降雨关系密切，降雨时水位上升，降雨后水位下降。地下水位变化又引起体应变的同步变化，因此降雨造成的大地负荷效应导致的体应变变化不易被区分开。而在强降雨天气，5个台站降雨、水位、体应变记录到了同步的即时效应，其中肥东台即时变化最明显，驱动体应变即时变化的降雨量约8 mm，降雨时地下水位突升，体应变同步出现上升，两者变化的开始、结束时间完全同步(图 3(c)、3(d)、3(e))。5个台站在水位等干扰较小时，体应变能记录到明显的气压干扰。

2.3 年变化不明显，数据形态多变

蒙城、凤阳台体应变数据长时间处于毛刺状态，年变化不明显(图 4(a))，偶有月份数据曲线光滑能记录到潮汐变化，但稳定性差(图 4(b))。从台站记录可以看出，凤阳台、蒙城台钻孔探头位置为中风化花岗岩、中风化泥灰岩，岩性较完整、有少量裂隙，仪器能记录到内精度较高的数据，说明钻孔条件及安装情况尚可，产出毛刺不规则的数据应该和仪器运行情况有关，产出畸变数据时得不到及时处置，仪器长期处于运行稳定状态。

3 原因分析

本文试图根据仪器产出数据图像结合气压、水位的干扰原理、钻孔环境及探头安装情况来了解体应变不同特征变化的原因。

3.1 气压、水位干扰原理

水位和气压对体应变的影响主要是通过钻孔孔隙压力体现。体应变测量的水位为套管中的静水位，如果钻孔岩性坚硬、完整，附近没有裂隙和破碎带且套管和井壁、探头、钻孔基岩及水泥耦合完全，套管中的静水位受降雨影响不大，不会产生降雨的即时响应，水位改变一般不会带来体应变的明显干扰。气压的压力负荷主要通过大地地表的作用，影响也不会很大。如果钻孔有水且探头附近存在裂隙、破碎带(图 5(a))，压力负荷不仅通过大地表面，而且还能通过钻孔进入破碎带内壁，将压力更为贴近地传向应变仪器四周的岩体。地下水在气压的作用下还会产生流动，一旦有孔隙水压力变化即可导致地下水的变化，同时导致其上下方岩体应变状态的变化，而导致孔隙水压力的改变和气压干扰过程的复杂化^[6-7]。

体应变Δa与孔隙压力P的关系为：

$ \Delta a = \frac{P}{K} $

(1)

式中，K为含水层体积压缩模量；P与水位H、气压的关系为：

$ P = \rho gH + {P_0} $

(2)

式中，ρ为水的密度，g为当地的重力加速度，P₀为大气压力。将式(2)代入式(1)，得：

$ \Delta a = \frac{{\rho {\rm{g}}}}{K}H + \frac{{{P_0}}}{K} $

(3)

假设大气压P₀不变，K为常数，则体应变随水位变化而变化；假设H不变，K为常数，体应变随气压变化而变化，水位和气压干扰规律相似。这在肥东、合肥、滁州、定远、黄山台得到验证，如图 5(b)、图 5(c)所示，5个台站在气压干扰较小时，体应变和水位相关系数均在0.85以上。

3.2 钻孔环境及安装情况

对第一种数据特征的台站调研发现，六安、全椒、五河台探头所在岩层均较完整、致密、裂隙少，而嘉山台探头和岩层中间有约15 m的水泥砂浆(65.2~80 m)。钻井时，由于钻孔在64.8~65.3 m处有软弱岩层现象，继续加深至80.0 m。而65.3 m以下至80.0 m均为软弱岩层凹凸棒石，后用水泥砂浆封孔，这种情况可能对观测资料有一定影响。但从产出数据来看，仪器能记录到清晰的固态潮汐变化。

用Venedikov调和分析方法^[8]对上述4个台站资料的月精度进行计算，以M₂波的相对中误差作为评定观测质量的指标，而同型号仪器M₂波潮汐因子能反映钻孔记录地球固体潮汐情况，如图 6、7所示。可以看出，这4个台站数据的相对中误差基本小于0.05，M₂波潮汐因子稳定，数据精度较高。而嘉山台产出精度高的数据，进一步说明钻孔底部遇到不好岩层时，用水泥回填是一种较好的方法。

对第二种数据特征的台站资料分析发现，合肥台岩性为红砂岩，岩性偏软，有少量裂隙，钻孔周边5 m内有3个井孔，安装时有坍塌现象，钻机现场清理了井孔；滁州台钻孔岩性为石灰岩，有一定的溶蚀现象，黄山台为泥岩，两个台站的岩性记录均有少量裂隙，而近年来两台附近施工较多，周边环境受到一定破坏。分析认为，这3个台站体应变探头安装的膨胀水泥和基岩耦合及套管四周与水泥固接应该不理想，存在裂隙，使得钻孔内的静水位受地层和地面水流动干扰严重。而肥东台钻孔揭露岩层主要为花岗岩，其中35~70 m为全风化花岗岩，原岩结构破坏，风化裂隙较发育，含石英、长石及云母；而70~82 m为中风化花岗岩，块状结构，节理网状发育。从肥东记录的数据看，笔者认为其探头可能安装在裂隙发育的35~70 m全风化花岗岩附近，而该台又处于郯庐断裂带及池河-西山驿断裂上，岩体较为破碎，井孔中静水位受地表水影响大，在降雨时地下水位出现即时响应，驱动水位上升的降雨量非常小。山东烟台体应变资料有类似特征^[9]。烟台体应变钻孔在51.0~54.0 m之间有一破碎带，且距探头安装位置仅3~4 m。破碎带向东(偏南)方向朝上延伸到地表，而该处恰为山沟，汇集的水容易沿破碎带渗到钻孔中，导致体应变观测值发生变化。肥东台资料特征和烟台台基本相同，进一步说明是降雨导致了含水层或破碎带中孔隙水压力的突变。

鉴于以上分析，嘉山、六安、全椒、五河4个台站数据受干扰小，安装之初的大幅度漂移可能是由水泥膨胀、岩孔蠕变收缩、裂隙收缩、孔隙水压力调整等多种因素所致，是正常现象^[10]，长期的漂移变化应该是仪器自身的漂移导致。六安台2012-09更换数采后仪器漂移量增大，也证明了数据的漂移和仪器有关。

另据文献[7]记载，如果破碎带和裂隙的面积越大，流动性越好，以及距离井下仪器越近，水位干扰系数越大, 由此可以解释不同台站水位干扰系数是不同的，同一井孔在不同周期条件下水位干扰系数也有区别。5个台站中肥东、合肥、滁州、定远4个台站记录的M₂波潮汐因子均在0.2以下，相对中误差基本超过0.05，精度较低。

定远台体应变基础资料缺失，而来安台资料精度低，固体潮汐形变记录不清晰，水位探头产出畸形数据较多，对这两个台站资料不作详细分析。

4 结语

根据体应变数据资料显示的图像特征，结合内精度指标、干扰因素、钻孔条件等因素进行分析认为，嘉山、六安、全椒、五河体应变产出数据曲线平滑，固体潮汐记录清晰，受干扰较小，钻孔适合体应变观测。数据图像呈现连续的漂移上升变化，应该是仪器自身的漂移导致。肥东、合肥、黄山、定远、滁州体应变年变化形态和水位同步，潮汐记录不好，通过数据图像特征对钻孔情况的反演认为，应该是钻孔条件较差、岩性存在偏软、岩体有裂隙、探头安装时膨胀水泥与基岩耦合及套管四周与水泥固接可能存在裂隙等，降雨、水位、体应变即时变化明显，使得钻孔内静水位受地层和地面水流动干扰严重。蒙城、凤阳体应变年变化不清晰，数据内精度不稳定，畸变数据主要由仪器不稳定导致，而仪器运维跟不上是数据长期畸变的主要原因。

值得关注的是，嘉山台钻孔底部遇到较软岩层时，采用水泥回填至较好岩层，仪器产出数据质量较好，说明这是一种较好的方法。而六安台2012-09更换数采后数据漂移量增加，M₂波潮汐因子增大1倍，是否可以认为仪器本身参数标准存在差异；肥东台水位受降雨干扰严重，驱动水位变化的降雨量非常小，认为探头附近岩性破碎，而探头安装时膨胀水泥和基岩耦合及仪器套管四周和水泥固接有明显裂隙；同片区如滁州地区6个台站产出数据仅嘉山和全椒台数据特征相似，其他4个台站资料均不相同，对同片区资料应用参考价值不大。