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用应变固体潮测到山西裂谷新一波扩张信号: 池顺良 2016-2-23 10:36; 序：板块碰撞难以解释中国大陆内部发生的大地震。如在山西裂谷区中发生的原平 7.5 级（ 512 年）、洪洞赵城 8 级（ 1301 年）、临汾 8 级（ 1695 年）等破坏性大地震就无法用板块碰撞解释。山西裂谷形成始于上新世，至今仍在扩展，强震伴随裂谷扩张发生。本文介绍由山西裂谷区应变观测得到潮汐玫瑰图的有序变化。日本东海 9 级地震后，山西裂谷区出现新一波扩张活动，扩张活动的特征信号被应变仪观测到。山西裂谷系位于吕梁隆起与太行隆起之间，南起渭河裂谷，经运城、临汾、太原、忻－定、蔚－广盆地，向东北延至大同、延庆、怀来盆地，总的走向形态呈“ S ”形，在地貌上为一连串的山间谷地。（图 1 ） 2011-2012 年，山西地震局在三个地震台布设了分量钻孔应变仪，已记录到四年清晰的应变固体潮数据。固体潮是地球科学中唯一有理论值可计算并可预测其变化的可观测力学量。通过固体潮观测值与理论值比较，能够有根据地判断裂谷区断块间接触状态紧密或松弛的变化，由此可以判断裂谷区处于相对稳定状态还是正在经受拉伸、扩张。图 1 中由红三角标志的由北向南的三个观测站以 1 、 2 、 3 号观测台称呼。图 1. 山西河北裂谷系展布图及三个应变观测站位置地壳被拉伸，地层断块一侧失去支撑，发生侧倾。掀起部位形成大山，如五台山、吕梁山；断块倾没处被沉积层覆盖形成盆地。强震则在断块位置发生调整过程中发生。图 2 是山西裂谷带两侧断块山与山间盆地形成的示意机制图。图 2. 大同－五台掀斜断块构造横剖面（图 1-2 引自杨承先， 1981 ） a. 地质剖面示意图 b. 断块掀斜倾侧活动形成大山与盆地机制示意地壳被拉伸是裂谷区形成的力学背景。华北地区新生代拉分盆地从始新世开始发育，此时正是青藏高原快速隆升时期。高原物质的重力势能推动塑性的中、下地壳物质向洋流动。脆性的上地壳，在从底部来的拉张力作用下，地层产生张性正断层，在重力作用下形成掀斜倾侧的众多断块，发育出一系列断层走向垂直于中、下地壳物质流动方向的拉分盆地。华北地区形成了近 70 个半地堑或地堑式断陷盆地。由地质资料估算，盆地的伸展速率约 0.12mm/ 年，图 3 是中地壳塑性向洋流动带动上地壳形成拉分断陷盆地的示意图。图 3. 中地壳塑性层向洋流动带动上地壳形成拉分断陷盆地（（引自马杏垣主编，重力作用与构造运动，地震出版社， p.133 ， 1989 ） 1．壳内物质重力扩展塑性向洋流； 2 ．沉降断陷盆地高热流区； 3 ．上地幔分辨率与观测精度越来越高的 GPS 和北斗系统，通过多年观测数据积累虽有可能观测到裂谷的扩张。但每年 0.12mm 的扩张速率实在太小，难以实时监测到裂谷扩张运动。布设于裂谷周边或内部，钻孔应变固体潮观测则能敏感地发现裂谷区断块间接触状态紧密或松弛的变化，由此判断裂谷区是处于相对稳定状态还是正在经受新一波拉伸、扩张。图 4 是台站观测四路应变中某一路应变分量的一个月应变固体潮记录，图上的地震是尼泊尔 7.5 级地震震波。图 4. 台站一个月应变固体潮数据，清晰的固体潮记录是绘制玫瑰图的基础数据。图 5 是根据山西 2 号台固体潮数据分析计算得到的，从 2012 年 10 月到 2016 年 1 月的 6 条潮汐响应方向玫瑰图曲线。图 5. 山西 2 号台从 2012 年 10 月到 2016 年 1 月潮汐玫瑰图的收缩变形地震活动性小的地区，潮汐玫瑰图图形相对稳定。图 6 中大的玫瑰图是地震不活动地区的， 9 年中潮汐因子变化不超过 6 ％。与山西裂谷区 2 号台站测得的图 5 对比，不难发现两者间有两点重要区别。一是稳定区潮汐因子值明显大于裂谷区；二是稳定区图形稳定，裂谷区多变，三年中潮汐因子变化达到 46 ％。图 6 是将图 5 的玫瑰图形与稳定区玫瑰图放在一起的图件。图 6. 稳定区玫瑰图与山西 2 号台玫瑰图大小的比较，小玫瑰图为 2 号台的。两个台玫瑰图大小相差竟如此之大！应变固体潮潮汐因子值变化的经典解释是地壳介质弹性模量等物性常数变化所致，按此解释变化量不会超过 3 ％。造成理论与观测不符的原因是：理论固体潮计算将地壳圈层简化为无断裂的连续体，实际地层中到处是断裂，这些断裂在构造稍有活动时，两侧地层及底下断层的接触状态就会发生松或紧的变化，位移量很小， GPS 或地表应力测量均难以发现，却能明显改变应变固体潮通过断层传导的能力。固体潮是日月引力作用在地球整体上的反映，质量最大的部分是地幔，地壳圈层质量小，对固体潮的贡献很小。在地表观测到的应变固体潮主要由地幔通过地壳介质，从下方及四周传导上来，通过断裂系统后被地表仪器接收到。稳定地区也有断层，长期稳定断层会逐渐“愈合”，潮汐波传递效率提高，因而潮汐因子数值大而稳定少变。裂谷区断层接触状态不稳定，潮汐玫瑰图就多变。接触状态不稳定的断层难以 “愈合”，潮汐波传递效率很低，于是玫瑰图形明显小于稳定区。 2 号台玫瑰图变化的特征是，南北向潮汐因子变化不大， 90 °东西方向潮汐因子变化率最大，达 59 ％，也是潮汐因子缩得最小的方向。由此，我们推断， 2 号台地块下部的断裂系统东西向的松弛最为显著而使东西向潮汐波的传递效率不断降低。断裂系统东西向松弛，正是裂谷在东西方向被拉张扩张的结果。图 7 是 1 号台从 2011 年 12 月到 2015 年 12 月的潮汐玫瑰图。该台玫瑰图的特点是：从 2011 年 12 月到 2012 年 1 月，一个月时间东西向（ 100 °方位）潮汐因子从 1.28 降至 1.19 ，降低了 7 ％。从 2012 年 1 月到 2012 年 12 月，潮汐因子从 1.19 降至 1.02 ，降低了 14 ％，收缩速率降低了 5 倍。从 2012 年 12 月后，收缩速率越来越慢， 2014 年与 2015 年玫瑰图已基本重叠。南北方向潮汐因子基本没有变化。图 7. 山西 1 号台 2011 年 12 月到 2015 年 12 月潮汐玫瑰图东西方向的收缩变形图 8 是 3 号台从 2011 年 11 月到 2015 年 12 月的潮汐玫瑰图。图 8. 3 号台 2011 年 11 月到 2015 年 12 月潮汐玫瑰图东西方向的收缩－扩张变形该台玫瑰图的特点是：从 2011 年 11 月到 2011 年 12 月，一个月时间北东向（ 50 °方位）潮汐因子从 0.53 降至 0.44 ，降低了 17 ％。 2011 年 12 月到 2012 年 12 月，一年中潮汐因子从 0.44 降至 0.425 ，仅降低了 3.4 ％。从 2012 年 12 月的绿线，收缩成 2013 年 6 月的淡兰线，半年后收缩变为扩张到 2013 年 12 月的粉红线。之后两年仍在扩张，但速率已变慢。这三个台中， 2 号台的变化最值得注意：一是这个台的潮汐因子值小得出奇；二是玫瑰图东西向收缩的速率至今没有降低的迹象， 2015 年 12 月到 2016 年 1 月一个月时间， 60 °方向潮汐因子从 0.0692 降到 0.0637 ，降低 8 ％，至今速率未降还有所增加！之后会发生什么，我们完全没有经验。对一个尚处于生长期的裂谷带，出现一波接一波扩张活动，也许只是常态活动，但也可能是值得注意的异常信号。欣慰的是我们已经能够摸到它活动的脉搏了！玫瑰图还会接着缩小还是之后又逐渐恢复或是发生想象不到的其他变化我们不得而知。我们要密切跟踪这三个台玫瑰图的变化。至少要完整记录下全部数据，留下一份资料。; 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|6789 次阅读|0 个评论

小中见大--看应变固体潮汐强各向异性响应现象的发现: 热度 5 池顺良 2013-8-29 14:28; 固体潮是固体地球在日、月引潮力作用下产生的周期形变现象。根据已知地球模型直接解算出理论固体潮值，同固体潮的观测值比较，可进一步阐明地球内部结构和物理性质。地球科学家利用重力固体潮的精密观测数据，对地球的内部结构、滞弹性性质及其对地球在空间运动的影响有了更深入的了解。可观测到的地球固体潮现象主要有重力固体潮、倾斜固体潮和应变固体潮。上世纪八十年代，地震预测地壳形变观测领域开始用伸缩仪观测地壳的微弱形变。随着观测精度的提高，应变固体潮成为伸缩仪观测的重要对象。由已知的地球模型给出的应变固体潮理论值，成为伸缩仪观测数据比对的依据。但是，三十年的实地观测与理论值的比对结果却令人一头雾水。 “中国地震局兰州地震研究所”唐九安研究员统计了全国 76 台伸缩仪观测应变固体潮的幅度，与理论值相比差别甚大：由 76 台伸缩仪应变固体潮观测数据计算的 M2 波潮汐因子 ( 观测值与理论值之比 ) ，大者 2.41 ，小者仅 0.09 。重力固体潮观测值的潮汐因子与理论预期通常相差很小，重力潮汐因子均在 1.15 ～ 1.17 附近小幅波动。伸缩仪记录的应变固体潮的观测值与理论值为何会有如此大的差别？之后发展起来的钻孔体应变仪和分量钻孔应变仪记录的应变固体潮数据的潮汐因子同伸缩仪一样，波潮汐因子，大者 2.70 ，小者仅 0.07 ，数值同样十分离散。对于这种现象，不少分析研究人员将其归于应变仪器格值不准。应变仪的研制者们尽力检查仪器标定可能存在的问题并不断改进仪器的标定方法，提供更精确的仪器格值。但情况依然如旧，看来问题并不一定出在仪器上。相对于较为成熟的重力固体潮观测，新发展起来的应变固体潮观测，理论与观测间的不符可能包含着尚未认识的要素，只是我们还不清楚其中的原因。至今，无论在国内还是国外，应变观测仍以理论应变固体潮值作为比较的范本。 2007 年底，中国地震局在全国布设的 40 个 YRY-4 型四分量钻孔应变仪观测台投入观测，记录数据源源产出。由这些数据计算的各个台的体应变 M2 波潮汐因子，大者 0.84 ，小者 0.13 ，数值同样离散。而各个台不同方向应变分量的潮汐因子，大者 1.56 ，小者 0.02 ，数值更离散。应变固体潮观测值与理论值之间的巨大差异表明应变固体潮研究还处于不完全科学的状态，科学研究者必须找出观测与理论不符的原因。钻孔应变观测中的位移测量以纳米为单位，由于纳米级微位移测量的困难，给出的格值可能存在某种系统误差，但对同一台多分量仪器不同方向应变分量，系统误差应该相同，不会影响同一台仪器不同方向应变分量格值之比的准确性。于是，我们检验同一台站 4 个不同方向应变分量 M2 波的潮汐因子，看是否一致。结果发现，台站 4 个不同方向应变分量的潮汐因子也不一致。如攀枝花台互成 45 °夹角的 4 个应变分量的潮汐因子分别为 0.279 ， 0.584 ， 0.823 ， 0.265 ，大小相差达 3 倍之多。造成不同方向响应差别的应该不是格值误差而有其它原因。要搞清问题所在，先要了解方位各向异性的情况：响应大小的分布是随机的还是具有某种规律性？为此，我们用钻孔应变 4 分量的潮汐记录计算地面任意方向的潮汐波，得到该台站不同方向潮汐响应（潮汐因子）的玫瑰图。图 1. 是格尔木、麻城、门源、攀枝花、湟源、金河 6 个台潮汐应变方位响应玫瑰图。图 1. 格尔木、麻城、门源、攀枝花、湟源、金河6个台潮汐应变方位响应图见到应变固体潮汐不同方向响应玫瑰图的 8 字形状，由弹性理论知识推断这可能是仪器台站附近存在断层所致。于是，寻找这些台站附近的断层发现：格尔木台位于柴达木盆地边缘，盆地与昆仑山交界断层为北西西－南东东走向，正与该台应变响应的长轴方向平行。攀枝花台西北方向，距台站15公里处有一条北偏东30°的断层，断层的走向和方位响应的长轴方向一致。门源台地处大阪山断裂北15公里，祁连山断裂南缘，该台应变响应的长轴方向与断裂也大致平行。麻城台地处秦岭—大别造山褶皱带东段，西侧的麻城—团风地震构造断裂带距离台站约5公里远，该断裂带走向北北东向，该台应变响应的长轴方向与断裂走向平行。在马杏垣主编的“中国及邻近海域岩石圈动力学图”上，湟源台附近有一条北西－南东向的走滑逆断层，与湟源台应变方位响应图的长轴方向大致平行。图2.是南京高淳台的应变潮汐响应方向玫瑰图，图3.是高淳台附近的断裂分布图。图2.南京高淳台应变潮汐响应方向玫瑰图图3.高淳台附近的断层分布图，黑三角为高淳台位置。图2和图3表明，高淳台应变固体潮汐响应玫瑰图的长轴和台站附近茅山断裂的方向一致。由此看来，正是断层阻断了潮汐应变的传递路径，与断层平行方向的潮汐应变基本不受影响而垂直断层方向的潮汐应变被隔断，这就造成了应变固体潮汐响应的各向异性。之后，又请地质力学研究所武红岭研究员对一有垂直断层的有限元地层模型，计算断层旁侧点位对不同方向应变传递的响应，得到应变传递系数的方向玫瑰图也是长轴平行于断层走向的 8 字图形。至此，我们初步搞清了应变固体潮观测值与理论值为何不符的原因。体应变固体潮的离散性相对较小的原因也自然清楚了，体应变为两相互垂直方向的线应变之和，相当于作了一次平均，离散度自然就小了。现有的潮汐理论建立在分层均匀弹性地球的假定上，由这个理论，各个台站的仪器记录到不同方向的潮汐因子应该都相同，方向玫瑰图应该是个单位圆。从牛顿到恺尔文、勒夫、史密斯、瓦尔，潮汐理论取得了巨大成功，观测和研究者很少怀疑理论存在问题。只是在实在无法解释观测结果的情况下才去寻找现有理论与实际观测不符的原因。其实，地球表面到处是深度达到数公里到数十公里的断裂！除了数十公里深处的上地幔和下地壳在巨大地层压力作用下可大致看作连续介质，上层地壳更接近于若干不连续块体的拼合体。安装在各个“活动地块”上的钻孔应变仪，接收到的潮汐应变来自地块底部传上来的部分和相邻地块通过断层接触，衰减后传来的潮汐应变两部分之和。若安装仪器靠近的断层刚有过活动，断层还没有被充填和“焊接”，与断层走向垂直方向的分量就可能完全不能接收到潮汐应变，潮波的潮汐因子就会特别小。 2001 年的昆仑山 8 级地震，使地块已完全“松动”，断层之间还未能充填与粘结，断层的隔离作用十分彻底，因而位于此地的格尔木台与断层垂直方向应变分量的潮汐因子特别小，仅 0.03 ，而且长轴方向的潮汐因子值也只有 0.34 。《中国科学院计算地球动力学重点实验室》于 2010 年最早确认了这项发现。在实验室简介材料中，有这样的文字： “利用分量钻孔应变仪观测 ……世界上首次发现了应变固体潮汐响应各向异性现象，并提出这种各向异性由附近断层引起的成因解释，开拓了通过应变固体潮观测，了解断层走向及断层连接状态的新方法。为通过应变观测揭示断裂活动开辟了新途径”。在地震学中，地震波通过介质的传播速度也存在各向异性现象。但这种各向异性只有约3-5％的差异，应变固体潮汐响应的各向异性可堪称强各向异性现象了。这样强烈的各向异性现象从被伸缩仪观测首先接触到，直到被初步认识经历了三十多年时间，对科研探索确有值得思考之处。伸缩仪的尺度比钻孔应变仪要大 2 ～ 3 个数量级，仪器的标定只涉及微米级长度测量，格值的标定应该比钻孔应变仪更容易、更准确。但是，我国的伸缩仪台站大部分只布置了两条测边，无法由测量数据计算地面任意方向应变潮汐。少数台站布置了三条测边，可以由测量数据计算地面任意方向应变潮汐。但是，缺乏检验测量结果可靠性的手段，在测量结果与理论冲突的情况下，科研人员往往对测量结果缺乏信心。我们的分量钻孔应变仪有 4 个互成 45 °交角的径向应变传感器，传感器数比被测变量数多一个，因此，由（ 1 路应变＋ 3 路应变＝面应变）与（ 2 路应变＋ 4 路应变＝面应变）数据的相关性可以判断 4 路应变测量数据的可靠性。 YRY-4 型四分量钻孔应变仪的观测数据两种面应变数据的相关性可达到 0.99 以上，使我们对测量数据的可靠性有充分的信心。再对观测与理论不符的情形进行追踪和分析，终于找出了问题的所在，发现了应变固体潮汐响应的强各向异性现象及其与观测点附近断层间的关系。之后又发现地震活动区台站的潮汐因子有超出因弹性模量变化预期的变化幅度，对此，初步的解释是：地震活动区断层的接触状态经常出现变化所致。地球科学是一门观测科学，提供可靠的新观测数据始终是这门学科得以发展最重要的源头，而新型仪器正是获取新观测数据的手段。仪器的研发就是敲开学科发展大门的砖头，一项新观测仪器的研发往往需要耗费十数年时间才能达到基本完善的地步。但仪器的研发往往难以得到长久和有力的支持（ YRY-4 型四分量钻孔应变仪在通过国家鉴定后也遇到过经费支持中断的情况，有幸得到中科院测量与地球物理研究所开放实验室提供的支持，仪器的试验与改进得以继续）。而一些设计不完善的观测方案，取得的不充分的、无法检验其可靠性的数据在科学上能起的作用往往十分有限。正是这些不足之处，令一些重大研究项目进展迟缓。地球科学是一门与复杂性紧密联系的科学，多种理论的建立都经历了几代人的努力，我们对此除了崇敬之外，在发现观测与理论之间不符时，也要敢于怀疑现有理论的适用性。如果不敢怀疑现有理论，也就不会有发现。由此可见，一项科学发现的达成，需要各方面的条件：国家稳定和强盛是大前提，科研管理部门适当和持续的支持是必要条件；研究者对所用的观测仪器性能必须提出符合科学探索的高要求；对观测与理论的差异必须充分重视，绝不能视而不见；对现有理论既要敬畏也要敢于怀疑；同行间有良好的合作关系――该项工作所用计算钻孔应变的程序是河南省地震局骆鸣津、顾梦林、李安印研究员所编。这是目前唯一能找到的计算钻孔应变及潮汐分析的软件。这些环节中有一环扣不上，发现就会落空。这项工作是相当初步的，还有大量后续工作要深入去作。在空间大地测量数据处理中，固体潮位移是最重要的摄动因素。但以往的固体潮位移校正均是对无断层均匀地球模型进行的。应变是位移对方向的导数，既然断层会对地层应变产生如此大影响，高精度空间大地测量数据仅按均匀地球模型不考虑测点处断层影响所作的位移校正就不够合理了。固体潮是目前地球科学中唯一能被精确计算的作用于地球的外加作用。利用这种天然的外加作用可以帮助我们探测地层介质的构造与特性。潮汐应变观测有望在地质构造研究、城市断层探测、地块活动微动态、地震烈度区划、强震孕育过程探索与监测等研究领域发挥作用。应变固体潮汐强各向异性响应现象的发现无疑会对这些领域的研究工作产生一定的影响。参考文献：唐九安，中国固体潮观测数据库建设及共享服务（工作报告），中国地震局兰州地震研究所， 2006 年 2 月池顺良、武红岭、骆鸣津，钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨，地球物理学进展，2007，22(6)：1746～1753. 中国科学院计算地球动力学实验室简介（ 2009-2010 ）， 11 页。; 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|9576 次阅读|13 个评论

钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨——“十五" 数字地震观测网络分量钻孔应变仪首批观测资料分析解释: 池顺良 2009-2-8 22:24; 钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨十五数字地震观测网络分量钻孔应变仪首批观测资料分析解释池顺良1，武红岭2，骆鸣津3 (1．鹤壁市地震局，鹤壁458000；2．中国地质科学院地质力学研究所，北京100085； 3．河南省地震局，郑州450000) 摘要: 中国数字地震观测网络十五计划期间，在全国布设约40台我国自主研发的YRY一4型分量式钻孔应变仪．现已取得一批固体潮观测数据，计算M2波潮汐因子的结果表明，潮汐因子的相对精度最高达到了0．001．在此基础上，发现各观测点潮汐响应(潮汐因子)与理论模型比较有很大的离散性及有规律的方位各向异性．本文提出断层隔离是造成各台站潮汐因子偏离理论值及方位各向异性的主要原因．有限元断层地块模型应变方位响应与台站实测方位响应的一致，支持了这一观点．潮汐响应各向异性现象有望在地质构造研究、城市断层探测、地块活动微动态、地震烈度区划等研究领域发挥作用．也可为GPS等空间大地测量观测数据改进潮汐位移修正，提供参考．关键词: 钻孔应变，应变固体潮，潮汐因子，方位各向异性中图分类号P315 文献标识码A 文章编号1004-2903(2007)06-1746-08 收稿日期2007-07-10；修回日期2007-09-20．作者简介池顺良，男，1940年生，上海市人，1963年上海同济大学毕业．中国科学院测量与地球物理研究所客座研究员，中国地震学会地震观测技术专业委员会委员，地震学报编委．长期从事地震观测技术和大地构造成因研究，目前从事多分量钻孔应变仪的全国布网工作．( E-mail：chisl@263.net ); 个人分类: 钻孔应变仪地震前兆观测技术|6401 次阅读|0 个评论

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