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应变观测数据自洽与失洽的辩证法: 热度 4 池顺良 2017-1-2 09:28; 我国钻孔应变观测所用的四分量钻孔应变仪，采用四路径向测微传感器，相邻两路间交角 45 °，平面上呈米字型布置。美国 PBO 项目（板块边界监测计划）采用的 Gladwin 分量钻孔应变仪开始只有三个分量，相邻两路间交角为 60 °，之后又在 1 路与 2 路的角平分线上增设了第 4 路。力学家潘立宙用带孔弹性平板模型推导了在区域应力作用下，圆钻孔径向位移的弹性理论模型。其中的一个结论是：任何两组互相垂直方向孔径相对变化测值之和都等于面积应变变化，于是有： S1+S3 = S2+S4 （ 1 ）利用 4 个分量测值满足（ 1 ）式的自洽条件对数据进行自检，成为检查钻孔应变仪观测数据可靠性的重要手段。自洽方程 S1+S3=S2+S4 牵涉到 4 个精密测微传感器的输出。要求 4 组数据满足自洽方程，要解决传感器格值的准确性和稳定性、探头与岩孔良好耦合等一系列问题。在 2000 年前，相关系数 k 少有超过 0.8 的，多年长期观测数据的 k 值更低。经过 30 年的长期试验、改进，十五期间建设的“数字地震观测网络工程” YRY-4 型四分量钻孔应变观测分项有 38 个观测台，已积累了 9 年多观测数据。其中大部分台站表征观测数据自洽性的 k 值超过了 0.99 ，我国的 YRY-4 分量钻孔应变观测仪器已达到科学观测对仪器的基本要求。图 1 是上海佘山地震台的八年半观测数据， S1+S3 与 S2+S4 的相关系数达到 0.999 。图 1. 上海佘山地震台四分量钻孔应变仪 S1+S3 与 S2+S4 数据的相关系数 k ＝ 0.999 。大地震发生是小概率事件。地震前兆观测仪器的故障概率往往大于大地震发生概率。四分量钻孔应变数据具有的数据自检功能使这类仪器在判别异常与故障时比没有自检功能的前兆仪器有更多的判别依据。如果某个台站钻孔应变仪器的 k 值多年来一直 0.99 ， k 出现变化是异常还是仪器故障？ 38 个台九年多观测积累的经验告诉我们：第一，正常工作的仪器 k 值出现变化是很罕见的现象；第二， k 值出现变化有两种可能，一是仪器工作出现故障，如某路传感器工作超出线性区，未及时注意调整出现的 k 值变化（只要检查信号电压值就能判别）；二是与附近地震活动加强有关。出现 K 值逐渐偏离 0.99 ，同时四路应变的固体潮和地震波照常显现，就要考虑周围断裂活动和地震活动的可能。原来，在潘立宙的理论推导中隐含了一个前提：无穷大弹性薄板是均匀、连续的。均匀、连续假定是实际地层状况的近似。我国分量钻孔应变前兆台网建成后，一批 YRY-4 台站多年观测的数据表明，无论是几天的短期数据还是多年的长期数据， k 值都能超过 0.99 ，说明均匀、连续性假定是足够精确的。但正在孕育强震的地区却不会始终满足“均匀、连续”假定。强震孕育必定在“出现裂隙，并且裂隙系统在不断扩展”的区域中发生。潘立宙模型是只适用于无大地震孕育、地震不活动地区的力学模型。大地震预测预报还需要“出现裂隙、并且裂隙系统在不断扩展”的“带孔平板模型”，才能为用四分量钻孔应变数据预测预报强震提供理论支持。遗憾的是，潘立宙理论推导完成后，已过去四十多年，带有裂隙模型的工作仍未出现。潘立宙的“无限大、均匀、无裂隙模型”只有一种，而“出现裂隙、并且裂隙系统在不断扩展”的模型可以有无数种。也许这是这方面工作难以作出的一个原因吧。本人没有作这方面工作的能力，曾委托某有限元公司就最简单的裂隙模型作了计算，结果证明出现裂隙前 k ＝ 0.99 ，裂隙出现后 k ＝ 0.96 。图 2 ～图 13 是有关的计算结果。图 2. 图 3. 图 4. 图 5. 图 6. 图 7. 图 8. 图 9. 图 10. 图 11. 图 12. 图 13. 有限元数值模拟中，带圆孔有限元平板模型数据的 k 值达到 0.99 ，设置裂隙后 k 值降到 0.96 ；说明应变探头安装的地层附近出现裂隙或原先不活动的断层开始活动，会造成应变观测数据出现失洽现象。在 38 个台近十年观测实践中，记录到 4 次数据失洽实例，其中前 2 次显示了数据失洽与后续发生的地震明显相关；后 2 次数据失洽已发生，后续会发生什么尚待观测。 1) 汶川大地震前，距离汶川最近的姑咱地震台分量钻孔应变仪在震前 550 多天中记录到 3600 多次压性脉冲和压性阶跃。这种持续时间长约十余分钟，叠加在固体潮背景上的应变脉冲和阶跃是摆式地震仪难以观测到的“慢地震”活动现象。脉冲和阶跃的幅度大致是应变固体潮幅度的 10 ％～ 60 ％。初期，从固体潮背景上分离出的脉冲数据的 k 值在 0.998 ～ 0.999 ，随着大地震临近， k 值不断下降，临震前 k 值降低到 0.4 ，但固体潮数据的自洽性始终没有降低，临震前的 2008 年 5 月 4 日，离强震发生还有 8 天，是固体潮上没有出现脉冲、阶跃异常应变罕见的一天， S1+S3 与 S2+S4 固体潮曲线的相关系数 k 达到 0.99978 （图 14 ）。大震发生 4 年后脉冲逐渐消逝。为什么异常应变脉冲数据的自洽性随着汶川地震临近逐渐失洽，而固体潮应变数据的自洽性始终不变呢？固体潮应变是日月对地球质量引潮力引起，地幔是地球质量主要部分，地壳质量贡献很小，在地表钻孔中观测到的固体潮应变主要来自地幔应变向上传递，经过大地震孕震裂隙生长区传递到测站的比例很小。而异常脉冲应变来自大地震孕震裂隙扩展区，汶川地震成核过程中伴随大量断层蠕动、静地震与慢地震活动的应变扰动要传递到姑咱台，必须通过微裂隙不断扩展的介质连续性遭到破坏的区域，数据失洽越来越严重。其它，如大渡河水位变化、出露基岩温度应变引起的幅度不小的应变年变化，不经过孕震区就传递到仪器探头，其自洽性自然没有变化。（图 15-17 ）图 14. 2008 年 5 月 4 日两路面应变数据曲线，未出现脉冲、阶跃应变异常， k 值达 0.99978 图 15. 姑咱地震台 2006 年 11 月 1 日至 2014 年 8 月 31 日的整点值数据， k 值达到 0.9996 。大渡河水位引起的年变是幅度最大的变化。固体潮和异常脉冲要在此图放大两次后才能看到。因幅度很小，异常脉冲数据失洽不影响长期整点值数据自洽。图 17 是图中放大框的局部放大图。图 16. 姑咱地震台距大渡河岸约 400 米，水位变化对岸壁压力引起应变变化的 k 值为 0.9979 。图 18 是对一段记录再次放大后显现的固体潮及异常应变阶跃图形。图 17. 再次放大后显现的固体潮及异常应变阶跃图形。可以设计出一个有限元数值模型，包含有主要来自地壳下方传来的固体潮应变及来自汶川震源区因裂隙扩展发出的应变脉冲源。计算圆孔中四分量径向位移数据中的固体潮应变与异常脉冲应变数据的 k 值，应该会有随着裂隙扩展，异常脉冲应变数据的 k 值在降低，而固体潮应变的 k 值、因水位变化的年变化总是自洽的结果。当然，这样的有限元计算需用三维模型。 2) 2014 年 8 月 3 日，云南鲁甸发生 6.5 级地震。昭通台距震中 34km ，震前也出现了应变数据从自洽到失洽、震后恢复自洽的现象。图 18 是昭通台 2007 年 12 月 1 日至 2014 年 12 月 31 日的分量应变观测数据。图 19 是昭通台和鲁甸 6.5 级地震及 2 年前发生的彝良 5.7 、 5.6 级双震及该地区主要断裂位置分布图。图 18. 云南鲁甸发生 6.5 级地震前、后，昭通台应变数据从自洽到失洽、震后恢复自洽的现象图 19. 昭通台及鲁甸 6.5 级、彝良 5.7 、 5.6 级双震及该地区主要断裂位置分布图 2014 年 8 月 3 日鲁甸发生 6.5 级地震，两年前昭通台两路面应变 1+3 与 2+4 出现分叉， k 值从 0.997 下降到 0.24 。昭通台数据出现不自洽，但固体潮与地震波仍记录清晰，究竟是异常现象还是仪器问题一直难以判断，直到鲁甸发生 6.5 级地震后，两路面应变又重合 k 值恢复到 0.999 ，对仪器故障的怀疑才消除。为何鲁甸地震前昭通台数据失洽，鲁甸地震后为何又恢复自洽？答案应该同该地区断裂构造和断裂活动方式有关，但问题的解答需要了解更细致的关于该地区地质断裂构造、区域应力场作用分布等方面更清楚的认识。可以确定的是，鲁甸 6.5 地震前昭通台出现数据失洽现象与 6.5 级地震的孕育和发生有关。 3) 海原台位于祁连活动地块外缘边界带，褶皱和断裂变形强烈，其中尤以山盆交界构造－北西西向海原活动断裂带规模最大。台站周围人烟稀少，无明显干扰源。应变仪探头安装于灰岩地层36.5米钻孔底部。应变仪自安装运行以来，资料稳定，数据完整率99.5%。图20是该台2007年9月17日至2016年4月30日的整点值观测数据。图 20. 宁夏海原台 2007 年9月17日至2016年4月30日的整点值观测数据。海原台观测数据两路面应变从 2013 年 12 月 6 日开始出现分叉。检查仪器工作状态， 4 路应变都在线性区。数据失洽段 k 值降到 -0.9669 ，四个月后恢复自洽。在数据失洽时段，固体潮与地震波仍显示清晰。将失洽归于仪器故障缺乏根据。根据汶川和鲁甸震例，海原台数据失洽也有可能由台站所处地域地层出现连续性受破坏事件的影响而发生。这对于曾发生 8 级大地震的海原地区这种可能是不应排除的。必须加强观测，记录下变化过程，以积累更多经验。果然，一年后的 2014 年 12 月 14 日开始，海原台原先光滑的固体潮记录曲线上突然出现大量“毛刺”（图 21 － 23 ）。这种现象从来未出现过，台站人员先是关机检查仪器，没有发现问题，但脉冲和毛刺似乎越来越多，更换数采器，情况依旧。之后，毛刺一直不断，一直持续到 2016 年底仍未完全消失（图 24 － 25 ）。图 21. 宁夏海原台从 2014 年 12 月 14 日开始固体潮曲线上开始出现大量应变脉冲图 22. 上图 21 中放大框 1 中图形的放大。 12 月 14 日之前的固体潮曲线光滑无毛刺。图 23. 图 21 放大框 2 中图形的放大。 12 月 14 日之后的固体潮曲线上叠加大量应变脉冲图 24. 到 2016 年 2 月，海原台固体潮曲线上仍有大量“毛刺”形状的应变脉冲。图 25. 到 2016 年 10 月，海原台固体潮曲线的“毛刺”逐渐消失。由此证实，仪器并没有损坏。根据地震学近年的观测和发现，这种时间周期在数十至数百秒，持续出现的应变脉冲属于一种“振颤”现象，通常在断层两盘间相互缓慢错动时发生，因其时间常数大，较少被摆式地震仪记录到。持续发生三年的“振颤”现象我们是第一次观测到， 2015 年 4 月，又在另一个台－腾冲台发现记录到“振颤”现象，至今振颤的幅度还在增大，腾冲台的“振颤”频率更高一些，台站同海原台一样也位于地震活跃地区。海原台从 2013 年 12 月 6 日两路面应变分叉数据失洽开始， 2014 年 12 月 14 日固体潮曲线上出现应变“毛刺”，并一直持续了近三年时间，最近毛刺逐渐消散。这说明了什么呢？一种有一定根据的解释是：海原台近旁的断裂系统在开始活动。我们仍不清楚之后会发生什么，加强对这个区域的监测，会更多了解我们的敌手－有关地震的情报。 4) 最近，华北北部地区某台站出现两路面应变分叉的数据失洽现象。检查仪器没有发现问题，固体潮和地震记录正常。到底是仪器有问题，还是这里的地层连续性出现问题了？鉴于以上例子，在怀疑仪器有问题同时，要警惕是地层活动性增强的可能，加强对这个区域的监测。观测到更多能相互验证的资料，进一步搞清这些现象的原因并根据更多的资料作出安排。一定要保证现有仪器正常工作，时刻关注观测数据变化和发展。从上世纪六十年代，李四光开创地应力观测探索地震预测预报道路，组织力量攻关研制钻孔应力应变观测仪器以来，经过半个世纪两代人的努力，表征仪器达到科学观测要求的 k 值终于达到了 0.999 。随着大量仪器的 k 值满足自洽性要求，在使用钻孔应变数据时， k 值出现不自洽往往被认为是仪器故障，而忽略了另一种出现概率虽小，但与地震孕育有关的重要现象――地层的连续性出了问题。先是关注仪器 k 值上不去；等 k 值大家都达到了 0.999 ，又关注起那些 k 值严重偏离自洽的事件。这种表面上的矛盾，正是事物发展内在辩证规律的表现。辩证法三大规律，即“对立统一规律”、“量变质变规律”、“否定之否定规律（或肯定、否定规律）”。这三个辩证规律中最核心的是“对立统一规律”。在我们关心的大地震孕育问题中，核心问题就是一个区域的地层是如何在地应力作用下从连续体向发育大量裂隙的非连续体的演变，是作用力与抗力、连续与非连续的矛盾。应变观测数据从自洽向失洽的转变及震后逐渐恢复，这种“肯定－否定－肯定”现象，正是地震孕育过程中矛盾对立面发展过程的反映。在汶川震例中，随着异常脉冲数据失洽程度量变的累积，质变－大地震－终于发生！参考文献：池顺良、张晶、池毅，汶川、鲁甸、康定地震前应变数据由自洽到失洽的转变与地震成核［J］．国际地震动态，2014，(12)：3 ~ 13 ．; 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|5403 次阅读|7 个评论

汶川地震的可信应变前兆: 池顺良 2010-10-12 13:04; 汶川地震的可信应变前兆 1. 前言地震能否预测决定于地震是否有前兆。汶川 8.0 级大地震发生前我国地震工作者记录到了两例应变前兆。这是人类第一次在 8 级地震发生前记录到的应变前兆。地应力变化是地震发生的原因，地震是由贮藏在地壳硬岩层中的弹性应变能释放所致。地层应力应变是与地震孕育关系密切的本质物理量，抓住本质物理量地震预测将从经验预测向物理预测推进。 2. 汶川地震前观测到的两例应变前兆一例是在汶川 8.0 级地震发生前的 5 月 6 日，地壳应力研究所郭启良团队在位于龙门山地震带青川一带作工程项目。在多个 420m 深的钻孔中开展水压致裂原地应力测量。在 300 ～ 400m 深度上测得最大水平主应力值高达 21 ～ 22MPa ，最小水平主应力值为 13 ～ 14MPa ，均大于垂直主应力。主应力方向 NW 至 NWW 向，与构造应力方向符合。表明龙门山断裂带此时水平构造应力强烈。图 1. 是龙门山断裂带上原地应力测孔位置。一个星期后汶川大地震发生。大震发生后的 7 月初，郭启良团队又到青川测孔的各相同测段复测，发现大震前后的应力变化显著，大震后主应力值降低约 30 ％。图 2. 是汶川发震断裂大震前后水压致裂原地应力重复测量原始记录曲线。图 2. 汶川发震断裂大震前后水压致裂原地应力重复测量原始记录曲线图中兰色为汶川地震前的测试曲线，红色为地震后测试曲线地震是由贮藏在地壳硬岩层中的弹性应变能释放所致。汶川地震临震前，郭启良在发震断裂带上观测到的地应力高值异常是强震孕育和发生的警示标志，是汶川大地震的确定性地震前兆。这一观测事例告诉我们，寻找地应力异常高值的构造带，可以成为我们圈定强震危险区，进行跟踪监测并进而进行强震预测的科学依据。另一例是数字地震观测网络分量钻孔应变项目中最靠近汶川的姑咱台，在汶川地震前后观测到反映汶川大地震孕育过程中地层破裂发展过程的应变信息。图 3. 是我国十五期间在西南地区布设的 20 个分量钻孔应变台站的分布图。姑咱台距汶川 140 公里，其它台的距离都超过了 300 公里。图 3. 汶川周围地区 20 个钻孔四分量应变台站的分布。三角是应变台站，红圈是汶川地震及余震（图 2. 和图 3. 引自中国地震局地壳应力研究所编《 2008 年汶川 8.0 级地震科学考察图集》，地震出版社， 2009 年 5 月） 2010 年 8 月，在《中国科学：地球科学》上刊登了邱泽华汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化一文。该文摘要指出：汶川地震前一年多开始，位于龙门山断裂带西南端的姑咱台钻孔应变仪，记录到异常应变变化。这种异常变化以短周期（数分钟至数小时）的毛刺形态为特征。在全国 100 多个钻孔应变台中，姑咱台距震中最近，也只有该台记录到这种异常变化。姑咱台钻孔应变观测良好的自检结果，说明了观测应变变化的可靠性。这种持续出现的异常变化与季节变化明显不同步，不是环境干扰因素造成的。异常变化与与长期趋势变化以及同震阶跃变化的一致性，进一步说明这种异常应该是构造运动的表现。超限率分析结果显示：这种异常变化在汶川地震主震前逐渐增大，震时特别剧烈，震后逐渐衰减，显示了与该地震相当密切的相关性。这种变化的机制可能是当地附近的小尺度岩石破裂。小波分解结果表明：主震前，比较长周期的异常成分出现得比较晚，这是破裂尺度在增大的表现。姑咱台的观测应变变化与唐山地震前观测到的应力变化有相似之处。文章在结语中说： IASPAI （国际地震及地球内部物理学协会）对地震前兆的检验表明，目前还没有一种公认的方法，可以最终证明地震前的某种变化是地震前兆。研究人员只能使用归纳法的逻辑推理来进行这种讨论。如果所有面前的事实都指向可能，而不可能已变成小概率事件，那么这就有意义了。姑咱台观测到的异常应变变化可能是极其重要的。如果应变地震前兆是这种形态的，那么中短期地震预报研究就有希望迈出关键的一步。这不仅因为这种应变变化包含丰富的信息，还因为它与正常变化以及众多干扰影响都不同，容易识别，并且是持续发展的，使我们有可能把握其进程作出比较可靠的判断。针对这种难得的观测资料，要做的研究工作很多，特别是应结合震源机制建立应变场变化的模型进行对比。我们的这种时间序列分析为进一步的研究打下了比较可靠的基础。这两例震前应变异常告诉我们：导致地震发生的，在 14 公里震源深度使地层破裂的构造应力是能够传递到断裂带地壳表层的；在离开震中一百多公里地方，埋设在数十米深基岩钻孔中高灵敏应变探头能够接收到大地震孕育过程中发出的具有特征性的高频应变信息。地球的不可入性不是不可克服的障碍。 3. 结语地震监测是地震预测的基础。地震预测的成败取决于地震前能否捕捉到地震前兆及捕捉到前兆的品质。最有价值的地震前兆是确定性前兆，即可以在大地震之前被无一例外地观测到，并且一旦出现必将发生大地震的异常变化。这类前兆观测量的另一特点是：物理意义清楚，与地震孕育关系直接。应力应变前兆就具备这样的属性而首先为李四光倡导。汶川地震 8 万生命遇难。地震工作者为没有能够及时作出预测而深感内疚。地震工作者要努力工作，设法捕捉住灾害来临前大自然发出的前兆信息，为人民站好岗放好哨。参考材料：郭启良、王成虎、张彦山、丁立丰，汶川大震发震断裂带临震前的地壳深部绝对应力异常分析，国际地震动态， 2009 年第 4 期， 27 ～ 29. 邱泽华、张宝红、池顺良、唐磊、宋茉，汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化，中国科学：地球科学， 2010 年 8 月，第 40 卷第 8 期， 1031 ～ 1039. 邱泽华的博文：令人吃惊的汶川地震相关异常 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=272248; 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|8356 次阅读|0 个评论

关于钻孔应变观测的一桩错案: 邱泽华 2009-12-24 10:39; 现在所谓钻孔应变仪，观测的对象到底是什么物理量？这种观测搞了这么多年，竟然还提出这样的问题，看起来有点可笑。但是这里面确实有错误，并且这个错误的影响非同小可。所谓钻孔分量应变仪观测的是什么呢？这要从这种观测的理论基础说起。垂直地表往地下打一个圆孔到一定深度，把分量应变仪的圆筒形的探头放进去，用特殊水泥将探头与孔壁耦合在一起。探头内是水平放置的位移传感器，用来测量圆筒探头直径的变化。根据弹性力学的圆孔问题的解，某方位圆筒直径的变化 S 与附近应力的变化有对应关系 S ＝ A （ s1 ＋ s2 ）＋ B （ s1 － s2 ） cos 2C 其中 s1 、 s2 和 C 分别是主应力 1 、主应力 2 和主方位角， A 和 B 是两个与探头材料和尺寸、水泥材料和尺寸以及周围岩石性质有关的参数。这就是钻孔分量应变观测的理论基础。由此可知，根据观测数据，可以换算得到应力的变化情况。也就是说，这种所谓应变仪应该叫应力仪！当然，由应力变化，很容易利用岩石的杨氏模量和泊松比换算出相应的应变变化。把这种仪器归类于应变仪，在国外是无所谓的。但是在行政条块严格划分的国内，其直接后果是使应力观测无以为继，以致地震局取消了应力观测学科的设置，这对这种观测的发展有多大影响不用多说。; 个人分类: 学术思想|3239 次阅读|0 个评论

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