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地层应变观测的科学价值―――（七下）: 池顺良 2011-12-6 21:45; 地层应变观测的科学价值――― （七下）以记录地层构造应变为目标，向超低频段进军。 * 我国“数字地震观测网络工程”分量应变仪网络记录的长期信号目前钻孔应变观测的优势频段在分钟至数十天时间段。降低仪器系统零漂以观测地层长期构造应变变化是钻孔应变观测技术发展的重要方向。对长期信号的研究需要积累数年观测数据，是个耗费时日并需要坚持不懈的工作。我国分量应变观测网已经积累了 5 年数据，有了对长期观测数据做初步评价的条件。我国分量应变观测网一个观测站上只布设一台仪器，无法作同一场地上多台仪器观测数据的比对；但若 4 路观测数据对观测到的固体潮、地震波及长期变化数据都能满足（ 1+3 ）＝（ 2+4 ）严格的自检条件，说明各路应变都反映了真实的地层应变信息，也部分弥补了单台观测的不足。对这些单台数据的分析研究也能提供许多有价值的信息。 ★ 甘肃高台地震台高台地震台位于华力西中期侵入花岗岩基上，基岩完整，曾是我国测震仪放大倍率最高的台站。 YRY-4 型分量钻孔应变仪于 2007 年 6 月 19 日安装在该台 44 米深的钻孔底部。图 1 是甘肃高台地震台分量钻孔应变仪 2007 年 8 月 10 日到 2011 年 10 月 31 日四年的连续记录数据。图 1. 甘肃高台地震台分量钻孔应变仪四年连续记录数据将 4 路应变数据分解成体应变和差应变来分析。（ 1+3 ）和（ 2+4 ）体应变在 4 年中一直同步变化，表明 4 路应变数据满足自检条件，仪器系统工作正常。仪器安装初期受水泥膨胀、井温变化、井孔收缩等影响 , 体应变急速向受压方向变化，以后压缩速率逐渐降低。第 4 年一年中地层体应变向受压方向变化了 1.2 × 10 -6 应变，远大于构造应变量级，表明压缩速率虽有降低但影响仍在继续。该台东北数百米处有一大型采石场（图 2 ），裸露岩石的温度应变使应变曲线上叠加了明显的年变化。图 2. 台站东北方向的大型采石场两路差应变在 4 年中始终以大致稳定的速率变化。地层差应变（ 2-4 ）的平均年漂移速率为 8.9 × 10 -8 应变，比观测规范的漂移指标降低了 40 倍。因为没有同台多台仪器比对，也未与 GPS 等大地测量比对，无法确定平均年漂移中究竟有多少长期构造应变成分 , 有多少属仪器漂移或外界干扰影响。但从这 4 年来应变平稳变化情况可知，除了正弦型的年温度应变外，未知的构造应变、仪器漂移、外界干扰大致具有线性平稳变化形态。 ★ 上海佘山地震台佘山地震台位于上海松江佘山山脚下。基岩为安山岩，岩体坚硬、完整。 YRY-4 型分量钻孔应变仪于 2006 年 3 月 24 日安装在该台 40 米深钻孔底部。图 3. 是上海佘山地震台分量钻孔应变仪 2006 年 3 月 25 日到 2011 年 10 月 31 日五年半的连续记录数据。图 3. 上海佘山地震台分量钻孔应变仪五年半连续记录数据仪器安装初期，体应变急速向受压方向变化，以后压缩速率逐渐降低。（ 1+3 ）和（ 2+4 ）体应变在 5 年中一直同步变化， 4 路应变数据满足自检条件。第 5 年一年中地层体应变向受压方向变化了 1.4 × 10 -6 应变，压缩速率虽有降低但仍在继续。佘山台应变数据也叠加了裸露岩石温度应变年变化的影响。仪器安装后两路差应变较快地稳定下来。在后 4 年中，扣除年变化后地层差应变（ 1-3 ）的年漂移速率为 8 × 10 -8 应变。因为未与 GPS 等大地测量比对，无法确定应变变化中多少属构造应变成分。但从 5 年来差应变平稳变化情况可知，除了正弦型年温度应变外，构造应变、仪器漂移、外界干扰大致具有线性平稳变化形态。说明在地震活动平静的地域和时段，应变活动可以相当微弱和稳定（不超出 10 -8 应变量级）。 ★ 青海格尔木地震台格尔木台台基为华力西期花岗岩基。台站建于山洞中，该地为无人居住地带，无人为环境干扰，基岩为完整的花岗岩，也不受降水等环境干扰，取得的记录数据十分宝贵。也为今后建设钻孔应变观测台的选点提供了重要经验。图 4 为该台外景照片，十分荒凉却是钻孔应变观测的好场所。 YRY-4 型分量钻孔应变仪于 2006 年 9 月 21 日安装在该台山洞口 40 米深的钻孔底部。图 4. 格尔木地震台是建于山洞中的无人值守地震台，无人为环境干扰。格尔木地震台在昆仑山断裂边上，位于构造活动地带， 2001 年附近发生昆仑山 8.1 级地震， 7 年后在其东南方又发生汶川 8.0 级地震（图 5 ）。格尔木地震台分量钻孔应变仪从 2006 年 10 月 1 日开始工作，离汶川地震还有一年八个月，从该台的记录数据中能发现汶川地震的前兆构造应变活动吗？图 5. 格尔木台（图上绿色圆点）位于昆仑山断裂带边上，汶川地震位于其东南方。该台仪器工作状态良好，记录到的应变固体潮和地震波十分清晰（图 6 ）。图 6. 格尔木地震台分量钻孔应变仪两天的应变固体潮记录及叠加其上的远震记录图 7. 是青海格尔木地震台分量钻孔应变仪 2006 年 10 月 1 日到 2011 年 11 月 14 日五年的连续记录数据。图 7. 青海格尔木地震台分量钻孔应变仪五年连续记录数据格尔木地震台仪器安装初期，体应变也急速向受压方向变化，以后压缩速率降低，但水泥膨胀、井温变化、井孔收缩等影响仍在继续。受裸露岩体温度应变影响，也存在年温度应变但幅度较小。（ 1+3 ）和（ 2+4 ）体应变在 5 年中一直同步变化， 4 路应变数据满足自检条件，仪器系统工作正常。差应变具有很强的抗共模干扰能力，仅 70 天时间就稳定了下来，此时离汶川地震还有约一年半时间，前一年时间中两路差应变在年温度应变背景下水平向前，后半年分别向上、下分岔。根据两路差应变变化计算，台站所在地块受到逐渐增强的东西向挤压。汶川地震半年前出现的台站地块东西向受压逐渐增强的应变事件与汶川地震的关系是值得进一步研究的。汶川 8.0 级地震后两路应变的分岔继续发展，大约 4 个月后分岔结束改为水平平稳发展。在 2010 年全年中，地块的（ 1-3 ）路差应变年变速率仅 2 × 10 -8 。三个多月后，日本东海发生 9 级特大地震，但震前格尔木台并无应变变化。 1 个多月后，两路差应变向相反方向分岔变化，台站地块所受东西向压力逐渐释放。格尔木台这份记录资料之所以珍贵，一是在稳定时段（ 2010 年）差应变的变幅能保持在 10 -8 应变量级，这在钻孔应变观测历史上是罕见的；二是在中国和邻区发生重大构造活动事件（汶川 8 级和日本 9 级地震）前后，记录到了时间上相关的应变变化。如何认识格尔木台在汶川 8.0 级地震前和日本东海 9 级特大地震后的应变变化？众多研究指出，汶川地震与昆仑山断裂南面巴彦喀拉地块向龙门山持续的挤压有关，在应力积累到临界点后平衡局面打破，出现临震前应力活动（从地质时间尺度，震前半年出现的应变变化也可视为临震变化）。格尔木台在昆仑山断裂北侧，昆仑山断裂是左旋走滑断裂。断裂若活动，格尔木台将受东西向挤压。（图 5 ）日本东海大地震后， GPS 观测到东海海底向东移动二十多米，远离震中一千公里的我国东北地区也向东移动了数十毫米。地壳具有流变性，大陆的东侧向东后退经过一段滞后时间，东西向的应力松弛会传递到格尔木地块。也许这就是东海地震一个多月后，格尔木台站地块所受东西向压力逐渐释放的原因。 ★ 四川攀枝花地震台四川攀枝花地震台基岩为前震旦系会理群花岗片麻岩，基岩完整，记录的应变固体潮、地震波十分清晰，观测数据不受降水影响。 YRY-4 型分量钻孔应变仪于 2007 年 4 月 5 日安装在该台 60 米深的钻孔底部。图 8. 是攀枝花地震台分量钻孔应变仪 2007 年 4 月 7 日到 2011 年 6 月 30 日 4 年的连续记录。图 8. 四川攀枝花地震台地震台分量钻孔应变仪四年连续记录数据该台采用了无膨胀水泥的安装方式，体积压缩大幅减少。但因钻孔孔径偏大，探头未能定位在钻孔中心等原因（ 1 － 3 ）差应变经历了较长时期的稳定过程。但（ 1+3 ）和（ 2+4 ）体应变在 4 年中一直同步变化， 4 路应变数据满足自检条件，仪器系统工作正常。图 9 是经三年多稳定后， 2011 年的记录数据。地层体应变和差应变的年变率均在 10 -8 量级内。记录中明显的变化是日本东海 9 级大地震后约一个月时，（ 2 － 4 ）差应变出现的转折。图 9. 四川攀枝花地震台地震台分量钻孔应变仪 2011 年的记录数据格尔木和攀枝花地震台应变观测的噪声、干扰和漂移率都极低，因而有可能观测到特大地震孕育、发生，大陆块体微小的应变变化。我国大陆上目前这样的应变观测点还很少，对这些观测数据还难以进行深入的分析，但记录到的这些数据却给我们以启发。它们在日本东海 9 级大地震后同时间观测到的有规律的应变变化应该受到我们关注。实践经验告诉我们，钻孔应变观测技术要以记录地层构造应变为目标，向超低频段进军，且目前已经取得了可喜的进展，但还要努力解决仪器系统、站点选址、安装技术方面的有关问题， * 我国“数字地震观测网络工程”中布设的 40 台分量应变仪中，安装在足够坚硬、完整、大块基岩上的一部分应变仪，年应变变化速率已经相当低。为实现观测构造应变的目标打开了前进的道路。 * 经验表明，随着仪器安装造成井下温度差异等因素渐趋平衡，观测数据漂移随时间逐步降低。运行时间越久的台站其数据越显珍贵，这就要求仪器的寿命越长越好。设计长工作寿命的仪器系统成为不能回避的问题。 * 总结观测实践中发现的问题，进一步改进仪器系统；加强测站选址中的地质、物探基础工作，选好测点；严格钻井工艺和安装技术。这些措施能将应变观测水平进一步提高，钻孔应变观测将逐步达到记录所在地块构造应变活动的目标。尽管美国 PBO 项目中这 6 个应变比对观测小网的比对结果令人失望。但也要看到这 6 个小网是 PBO 计划执行初期，仪器的性能和安装技术都不甚成熟时布下的第一批仪器。经过实践和不断的改进， PBO 项目后续仪器的漂移速率已有相当大改善，可惜对比小网已布设完毕。作者相信，钻孔应变观测技术向超低频段扩展，实现对大地构造应变活动的长期监测目标是能够达到的。; 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|5277 次阅读|0 个评论

地层应变观测的科学价值―――（七上）: 热度 2 池顺良 2011-12-5 14:31; 地层应变观测的科学价值―――（七上）以记录地层构造应变为目标，向超低频段进军。国际上发展钻孔应变观测的一个重要原因是测震仪和 GPS 两种观测技术在分钟至数十天时间尺度上存在观测弱视区（图 1 中的 A 区），而钻孔应变观测则在这个频段具有观测优势。图 1 GPS(1) 、钻孔应变 (2) 、地震 (3) 三种观测手段的观测频域，为便于比较，统一采用应变标度。钻孔应变仪可以在 A 、 B 两个区域中发挥其特殊作用。为实现对长期构造应变活动的监测，曲线 (2) 需要沿红线大幅向右延伸。地震是构造运动的产物，要深入了解地震活动就要研究大地构造应变活动。当前主要依靠 GPS 观测数据获得构造应变活动图像。 GPS 通过固定在地表的接收天线，接受 GPS 星座发出的无线电信号，测出各测站的位移。但位移随参照点选择而变，并非不变量，所以位移本身没有确定的物理意义。只有从位移导出的应变才是不变量，具有确定的物理意义。 GPS 测量的价值要体现在给出的应变场图件上，但它又只能给出各地块平均的应变变化。从科学认识的角度， GPS 测量方法迫切需要一种能直接测量地层应变的方法作为对比和参照。钻孔应变正是通过测量岩层钻孔孔径变化，直接测量岩体应变变化的方法，来获得特定点位连续而精细的应变活动图像。虽然钻孔应变观测技术目前的优势频段在分钟至数十天时间尺度上，但若向超低频段扩展，能有效反映构造应变活动，将两种应变观测方法结合，无疑可以加深我们对大陆构造应变活动的了解。这两种观测手段能否与如何实现结合，需要通过比对观测来发现问题和解决问题。 * 美国人遇到了挫折美国科学家在“ Earth Scope ”计划中提供了 GPS 与钻孔应变比对的条件，在西部构造活动地区，同时布设了密集 GPS 观测网和分量钻孔应变仪，便于两种观测数据比对。在与 GPS 观测数据比对前，要首先解决同一场地上两台钻孔应变仪观测数据的一致性。为此，美国人在 6 个应变测站上相互间距数百米内安装 2-4 台钻孔应变仪组成一个小台网。但是， 5 年的观测数据却表明，同一个测站上几台仪器的观测数据不一致，更别说去同 GPS 数据比较了。地壳所的欧阳祖熙先生长期来一直在关心和跟踪这 6 个测站仪器记录数据间的比对。最近在《国际地震动态》上发表了“美国 PBO 计划：钻孔应变仪台网遭遇挑战”的文章。认为这 6 个小台网的 5 年观测数据的互相间符合很差，表明美国的钻孔应变仪记录不到真实的地层构造应变变化。更无法与 GPS 观测比对了。我引用文章中介绍一个小台网的数据，加以说明。在奥林匹克半岛同一测站上有 B005 、 B006 、 B007 三台钻孔应变仪组成一个小台网，三台仪器间相距约几百米。图 2 是这 3 个台的位置。图 3 是同一测站上 B005 、 B006 、 B007 三台钻孔应变仪 5 年观测数据的比对。图 2. 位于奥林匹克半岛同一测站上的 B005 、 B006 、 B007 三台钻孔应变仪。应变探头安装在 140-160 米深度。图上标出了 29 台仪器。图 3. B005 （ a ）、 B006 （ b ）、 B007 （ c ）三台仪器的五年观测数据。 B006 探头井下定向失败，缺方位角。探头中 4 路应变元件的方位标示在图中。纵坐标的应变单位为 10 -10 应变。（引自：欧阳祖熙，美国 PBO 计划：钻孔应变仪台网遭遇挑战，国际地震动态， 2011,10 ）。欧阳祖熙的分析结论是： B005 、 B006 、 B007 三台钻孔应变仪观测到的地壳应变各不相同。 B005 显示持续性北北西向挤压； B006 却显示受到周期性压缩和松弛的围压； B007 在变形相对稳定后却显示北东向挤压。其实， B005 的 CH-1 、 CH-3 路数据大约在每年 12 月份记录到应变阶跃信号，但另两路上却没有阶跃信号，表明 B005 探头的 4 路数据不满足自检条件，探头工作有缺陷。 B007 也有类似问题。加上超过构造应变达 3 个量级的漂移速率，这就失去了实现监测长期构造应变活动这一高难度监测目标的基本条件。对这些数据进行任何构造应变变化的分析就是无意义的了。对其它 5 个小网的分析结论是类似的。结论是：这些钻孔应变仪虽然都能记录到地震波、应变固体潮，但在超长周期频段记录到的信息中却并不包含长期构造应变活动信息（或构造应变信息被噪声淹没了），基本上是局部因素变动造成的干扰，正反映了图 1 中当前钻孔应变观测特性曲线在长周期频段较早收敛的状况。从技术上，想用钻孔应变仪观测长期构造应变活动，首先要做的是努力降低仪器系统的零漂，将图 1 中的观测曲线（ 2 ）向右尽量延伸。 * 美国人遭遇挫折的原因？欧阳祖熙认为，原因可能出在以下环节： PBO 钻孔应变仪观测系统的总体设计、观测井钻孔施工工艺、仪器下井安装技术等环节。下面也来谈谈我的看法。根据 GPS 实测数据，大陆构造应变年变速率大致在 6 × 10 － 8 到 5 × 10 -9 范围。只有当钻孔应变仪的自身漂移速率能降到 1 × 10 -8 / 年，甚至更低，才有可能观测到地层构造应变活动。图 3 所示 PBO 项目中这三台仪器的年漂移速率都在 10 -5 ～ 10 -6 量级，比构造应变大了约 3 个数量级，是不可能反映构造应变活动的。所以，从钻孔应变仪观测系统总体设计的角度，若无法将仪器的自身年漂移速率降到 10 -8 量级，就谈不上用钻孔应变仪观测地层的长期构造应变活动。 * 中国地震科学工作者作出的努力在十五“数字地震观测网络工程”中，全国布设了 40 余台 YRY-4 型分量钻孔应变仪。《中国地震前兆台网技术规程》中，定点应变观测规范允许的年漂移为 4 × 10 － 6 ，比构造应变速率大 2 个多数量级。按这一规范设计的应变仪能够观测到较剧烈的应变变化，但无法观测到长期构造应变活动。必须将年漂移速率降低到 10 － 8 量级，钻孔应变仪才有可能观测到长期构造应变活动。为此，需要从钻孔应变仪观测系统总体设计上分析造成漂移速率的影响因素，并逐一设法解决。分量钻孔应变测量中，数据的零漂大致来自以下几项因素： 1. 测长基准杆本身长度变化造成的漂移，这项变化可达到（ 10 -8 -10 -7 / 年）量级。 2. 安装探头处地层温度变化引起的漂移。 0.01 ℃ 温度变化将带来 10 -7 应变变化。钻井过程中使用与地层温度相差过大的水会带来长期温度漂移。 3. 采用膨胀水泥安装探头。安装初期造成大幅度应变漂移（ 10 -5 / 年），在较长时间的稳定期后，漂移速率仍可达到（ 10 -6 -10 -7 / 年）量级。 4. 地层打了钻孔后，在地层自身重力作用下，钻孔将产生“孔缩”。“孔缩”大小与钻孔深度、岩性、探头安装应力等诸多因素有关。 5. 电子测量电路元件参数变化引起的漂移。上述引起漂移的 1. 2. 项因素是很难消除的。但是，分量应变仪的测量数据可以分解为一路体应变和两路剪应变。体应变来自两路互相垂直的径向位移传感器测值之和；剪应变则来自两路互相垂直的径向位移传感器测值之差。因此，体应变数据无法摆脱 1. 2. 项因素影响。但对于采用同一批材料制造长度基准杆的分量钻孔应变仪，剪应变数据却可做到不受 1. 2. 项因素影响。（ 4 分量钻孔应变仪的原理参见本博客中“地层应变观测的科学价值―――（四）钻孔应变观测在实践中走向成熟”）对于安装在钻孔中心，四周水泥层厚度均匀的探头，其剪应变数据受水泥层应变变化的影响也会远小于体应变数据受到的影响。根据上述分析，要将钻孔应变仪的漂移速率降低两个多数量级虽说是件困难的任务，但在剪应变测量中有可能首先实现！有了剪应变数据，就可以绘出中国大陆构造剪应变年变速率和主应变方向图。然后再来设法解决体应变数据问题。要确认分量钻孔应变仪究竟是否测到了地块构造应变活动，还需要进行同场地多探头比对以及如何将分立的各观测点数据统一到一个参考框架与 GPS 测量资料比对等一系列严格的科学实验程序。根据上述分析，“数字地震观测网络工程”中 40 台分量应变仪在研发过程中并没有按照 PBO 的设计思路，而是采用了更合理的设计方案。 * 如 PBO 中分量应变仪 4 个分量在平面上， CH0 、 CH1 、 CH2 三路为相互 60 °交角布置， CH3 则与 CH1 垂直布置， 4 路应变分量处于不平权状态（见图 3 ）。其自检方程为： 3 × ch3 + ch1 = 2 × ch0 + 2 × ch2 （ 1 ）式中 ch0 、 ch1 、 ch2 、 ch3 为相应的观测值。 YRY-4 分量应变仪采用 4 个分量压缩在探头中部同一平面布置、平面上均匀对称分布格局。（参见本博客“地层应变观测的科学价值―（四）”中图 1 ）其自检方程为： ch1 + ch3 = ch2 + ch4 （ 2 ）利用自检方程可以检验各路格值的正确性。在格值偏差不大的情况下还可提供格值校正。（ 2 ）式的校正效果会明显优于（ 1 ）式。 * 在分析了 PBO 项目钻孔应变仪安装后都要发生大幅度漂移（可达到 10 -5 应变！）的情况后，决定发展全新的安装技术。采用新安装技术，仪器安装后的漂移大幅降低。 * 位于完整基岩区的多个台站，差应变的年漂移速率已到 10 -8 量级。在年漂移速率降到 10 -8 量级后，钻孔应变观测逐步具有了检测地层长期构造应变活动的可能。 * 十五期间安装的 40 台分量应变仪将近 5 年的实际观测资料初步揭示了地层长期构造应变活动，比 GPS 测出的大尺度平均应变变化速率具有更复杂而丰富的内容。在下一篇博文中，将介绍我国“数字地震观测网络工程”分量应变仪记录到的长期应变记录数据。参考材料： http://www.earthscope.org/index.php/es_inst http://www.gtsmtechnologies.com/index_files/faqs.htm 欧阳祖熙，美国 PBO 计划：钻孔应变仪台网遭遇挑战，国际地震动态， 2011,10; 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|5028 次阅读|2 个评论

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