池 顺 良 的 博 客 分享 http://blog.sciencenet.cn/u/池顺良

博文

钻孔应变观测能够告诉我们些什么?

已有 1012 次阅读 2019-11-27 16:55 |个人分类:钻孔应变仪地震前兆观测技术|系统分类:科研笔记| 钻孔应变, 前兆, 固体潮汐, 预报

 

前言:对地震预报来说,最重要的是观测,获取信息。没有观测取得与地震孕育有密切关系的信息和数据,地震预报就是无稽之谈。对于观测来说什么最重要?当然是仪器,特别是灵敏、精确、可靠、能够长期连续观测的仪器。

这种仪器提供的应该是地下真实的应变变化信息;能够长期连续工作极少出现故障;能够稳定提供长周期变化信息也能记录快速的应变变化如近震和地声信号或者突然快速的应变变化。

YRY-4型四元件钻孔应变地震仪(也被称为YRY-4型四分量钻孔应变仪)全国四十多个台站连续十多年不间断观测已取得一批观测资料。有缓慢的长期应变变化、有每日两峰两谷的固体潮汐、全球发生的大地震、附近发生的小地震、地震发生后的地震应变阶、汶川和芦山地震一年前即出现的不断增强的异常应变信号、玉树地震前的大幅度应变变化、汶川和芦山地震前夕异常信号消失反常平静的5日、日本311特大地震前两个月我国华北地区多个台站潮汐玫瑰图提前出现明显的图形收缩、全国各地潮汐玫瑰图图形幅度的巨大差别、汶川地震十年后异常应变基本消失、观测数据的自洽性变化等现象。

让我们看一看,这些数据和现象能够告诉我们些什么?


一.   长期信号---从多年应变记录看地块的稳定与活动性

大地震是地质活动的反映,地质变化过程缓慢,决定了地震预报观测的长期连续性。

图1.是地震活动相对平静的上海佘山台八年半应变观测的整点值数据。从观测资料可以得出几点认识:1)由八年1+3与2+4数据的相关系数k值达到0.999,可知4路应变数据均真实反映了地下的应变变化。记录的应变数据中,包括构造应变、各种地面人为干扰及机井抽水、水库或河流水位变化引起的干扰应变及我们关心并着意寻找的地震前兆应变;2)由1-3,2-4差应变年变速率为10-8量级应变(与GPS同量级)能反映构造活动应变;3)四条应变曲线总体上平稳变化,是上海处于地震活动相对平静区的反映;4)1-3差应变明显的年变化是佘山出露基岩温度年应变传递到40米深探头安装处所致。


图1.上海佘山台2006-2014年8年半应变观测整点值数据。

图2是玉树台在玉树7.1级地震发生前整点值应变记录。与佘山台比较,明显的区别是记录曲线曲折不平滑。说明区域性的应变变化频繁且幅度大。尤其是玉树7.1级地震前9个月时,差(剪)应变、面应变同步出现大幅度变化时间长达三个月。


图2.青海玉树台在玉树7.1级地震发生前三年的整点值应变记录。

图3是四川姑咱台在汶川8.0级地震发生前后八年整点值应变记录。两路面应变相关系数为0.9996。说明记录数据真实反映地下应变。记录曲线上明显的应变年变化是近旁大渡河水位及岸壁岩层温度变化所致。汛期的水位剧变引起应变剧变。将年变消除后,姑咱台的长期应变变化也平稳。从长期应变的整点值数据中,看不到汶川8级地震的影响。该台距汶川地震震中150千米。


图3.四川姑咱台在汶川8.0级地震发生前后八年的整点值应变记录。

图4是青海格尔木台12年应变整点值记录。该台的k=0.998,两路剪应变12年的变化在10-8量级。汶川8级地震前,两路剪应变出现明显的分岔变化,之后缓慢恢复。通常面应变漂移随时间逐渐减小,该台面应变向压缩方向漂移反而加大,反映2001年8级大地震后,构造压应变又在积累。

 


图4.青海格尔木台12年应变整点值记录。

下图是山西神池台6年半应变整点值记录。该台的k=0.998,说明数据可靠。该台剪应变变化幅度大。


图5山西神池台6年半应变整点值记录。

下图是山西沁源台5年应变整点值记录。


图6.山西沁源台将近4年应变整点值记录。

前面4个台,除玉树台外,剪应变变化都比较平缓,沁源台剪应变变化幅度大,与神池台类似。说明山西地质构造活动比较活跃。

 

二.   潮汐玫瑰图告诉我们的信息

固体潮是地球科学中唯一能预测其变化的物理量。长期来,认为应变固体潮潮汐因子是各向同性的,潮汐因子值(观测值与理论值之比)应该接近1,受地层介质弹性模量变化,潮汐因子仅发生1-3%的变化。因此,包括美、日等国常用理论应变固体潮来检验观测值,并由此评价仪器格值准确性。

图7是上海佘山地震台4分量钻孔应变仪2008年3月3日到5日,3天的固体潮记录资料。


图7. 上海佘山地震台YRY-4分量钻孔应变仪2008年3月3日到5日,3天的固体潮记录资料。

我国分量应变仪四分量布置设计具有数据自检功能,仪器分辨率、观测频宽均处领先地位,优于美国PBO方案。(《地球物理学报》“对当前四分量钻孔应变观测的审视”201410月) “十五”项目产出的数据无论是短周期地震波还是十年长期数据,自检相关系数均达0.99以上。在此基础上,分量钻孔应变网投入观测后,很快就发现固体潮观测值应该符合理论值的认识并不符合实际,不少台站观测值与理论值相差大,而且具有强烈的方位各向异性图。(《地球物理学进展》“钻孔应变观测中潮汐因子离散性与各向异性原因探讨”2007,12月)

图8是图7中(S1+S3)面应变和(S2+S4)面应变图形,两种面应变的相关系数k=0.996。


图8.  图1四路数据自检的结果,‘1+3’与‘2+4’相关系数为0.996。

固体潮理论在分层地球模型基础上导出,各层均假设为连续介质。处于高压下的地幔和地核可看作连续介质,但地壳圈层中断裂密布,连续介质假设距实际颇远。固体潮起因于日月引力对地球质量吸引,地幔是地球质量主要部分。应变固体潮从地幔传递到地表,必定要穿越地壳中密布的断裂系统。构造运动使断裂接触状态出现松或紧的变化,因此出现某些方向潮汐因子值很小的情况,由此也带来了深部地壳断裂结构松紧状态变化的信息。当地层受张、断裂松弛,潮汐应变传递衰减致使潮汐因子缩小;地层受压、断裂压紧,潮汐应变传递效率提高使潮汐因子增大。

位于不同构造地块,台站玫瑰图及时间变化各有特点。从各台站潮汐玫瑰图形的时空变化中,我们可以寻找到我国大陆地质构造运动的特性及力源。

至今我们仍不清楚是什么力量引发了国内的大地震。山西、华北甚至北京,历史上都发生过8级地震。167992日三河平谷8级大地震,京区损失惨重。这里的地震很难用印度、太平洋板块冲撞来解释。

华北地区的钻孔应变台站已取得十年观测数据。通过对潮汐因子玫瑰图的分析,可对北京平谷、河北邢台、山西忻州这些地区为什么会发生大地震,作出以科学观测为根据的解释:这些地区的地壳和其它地区一样各个地块间由断裂分割和连接;不同的是,这里由断裂连接的各块体形成的地壳整体,结构上松散而“不结实”。

对比麻城、平谷、大同、沁源、神池的潮汐因子玫瑰图及其时间变化。麻城的玫瑰图相对稳定,平谷、大同、沁源、神池的玫瑰图就不稳定,潮汐因子值也小。

麻城台地处秦岭—大别造山褶皱带东段,该区域地震活动性弱,历史上没有发生过6级以上地震。台站西侧约5公里远是走向北北东向的麻城—团风断裂。图9是麻城台潮汐玫瑰图。


图9.湖北麻城台潮汐玫瑰图11年中潮汐因子的变化幅度不超过5%。

(注意图中心昌平、神池两台小得出奇的玫瑰图。)

麻城台11年中玫瑰图潮汐因子相对变化不超过5%。图形形态相对稳定。玫瑰图长轴大致与麻城—团风断裂平行。长轴方向潮汐因子接近1,北西为短轴方向,潮汐因子也在0.5以上。下图是贵阳台潮汐玫瑰图。


图10.贵州贵阳台潮汐玫瑰图8年的变化

贵阳台南北分量潮汐因子接近1,东西分量潮汐因子仅0.08。八年中潮汐玫瑰图形态稳定,潮汐因子变化最大不超过5%。日本东海9级地震没有影响麻城和贵阳玫瑰图的稳定性。

 

位于华北地区的台站,在日本9级大地震前后,玫瑰图形状却发生大幅度、有规律的同步变化,十分引人关注。潮汐因子变化幅度最大超过50%,用现有理论根本无法解释。如果只有一个台发生这类变化,还可解释为仪器问题,但多个台发生形态相类似的同步变化,其中一定有其原因。

图11是华北南部的徐州台日本东海9级地震前后6年的潮汐玫瑰图。


图11.徐州台潮汐玫瑰图在日本东海9级地震前后(2009年-2015年)形状的变化

徐州台位于华北平原东南部。该台潮汐玫瑰图2009年12月(红线)和2010年12月(兰线)图形基本重叠。2011年1月,仅一个月时间,图形就收缩到绿线位置,60°方位潮汐因子从0.851降到0.766,减小了10%。又一个月后,绿线收缩到淡兰线位置,60°方位潮汐因子减小了12%。从2011年2月到9级地震发生的2011年3月,仅一个月时间60°方位潮汐因子减小了32%,玫瑰图缩到粉红线最小位置。2012年回复到2009年位置,2013年玫瑰图形向外扩展,2014、2015年图形扩张趋于稳定。

图形急剧收缩开始在东海9级大地震发生前2个半月9级地震发生一年半后的201212月,玫瑰图又恢复到20092010年时位置。201312月后,玫瑰图形态稳定下来。

位于华北平原北缘的平谷台的玫瑰图也发生了类似变化。图11a是平谷台2008-2015年7年玫瑰图的演变。图6b是平谷台2011年2月至2011年12月的玫瑰图变化。


图11a.平谷台潮汐玫瑰图在日本东海9级地震前后(2008年-2015年)形状的变化


图11b.平谷台潮汐玫瑰图在日本东海9级地震前后(2011年2月-12月)形状的变化

 

平谷台仪器2008年12月60°方位潮汐因子为0.34,2009、2010年潮汐因子减少到0.29,缩小了15%。东海9级地震后的2011年12月潮汐因子为0.21,比2008年时缩小了38%。之后4年中,玫瑰图形又逐渐向2008年形态回复。

 

2011年分量应变试验项目在山西沁源、神池、大同新建了三个无人值守台。虽然时间已在311大地震之后,这三个台中的沁源台仍然记录下了这次9级大地震的影响信号,虽说缺失早期数据,但后续变化与徐州台相似。图12给出了沁源台2011年11月至2015年12月间玫瑰图形演变的过程。

沁源台位于山西省中南部,地处太岳山东麓。沁源台潮汐玫瑰图,记载了在日本东海9级地震后,2011年11月-2017年12月玫瑰图形状的变化。


图12.沁源台潮汐玫瑰图在日本东海9级地震后(2011年11月-2015年12月)形状的变化

沁源台分量应变仪于2011年10月22日安装,2011年11月的黑线仅一个月时间就收缩到红线位置,2012年12月收缩到兰线位置,2013能6月到绿线位置。半年后快速扩张到2013年12月粉兰线位置,与徐州台类似之后四年玫瑰图形状大致稳定下来。

徐州、平谷、沁源三台在311大地震前后,玫瑰图形演变经历了十分相似的过程,不同的是位于112°经度带上沁源的变化在时间上要比经度117°徐州台滞后大约一年时间。

2006到2016十年间,是东亚地区一次较大的地质、地震活动事件。接下来是一段相对平静期,然后新的活动期将到来。下面资料进一步支持此结论。让我们作好迎战的准备!

 

我国华北地区强震是难以用“板块碰撞”解释的。我国多位作者研究过日本大地震与我国华北地区强震之间的关联性。日本大地震与华北强震之间的关联又是由怎样的物质运动过程联系起来的?

马杏垣“重力作用与构造运动”中提出,银川断陷区、山西断陷区、河北平原断陷区都起因于西部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。(图13)


13.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.1331989

 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

刘国栋“华北地区壳内高导层及其与地壳构造活动性的关系”;徐常芳“中国大陆壳内与上地幔高导层成因及唐山地震机理研究”也提出华北地区强震发生与壳下物质流动的关系。

东海大地震后,日本列岛东移2米,可解释为太平洋板块俯冲对日本挤压的反弹,也可解释为日本列岛对来自大陆物质流的阻挡被突破。布设在中国大陆上的众多应变观测台记录到的潮汐玫瑰图在大震前后的有序变化将有助于对哪种解释更符合实际作出判断。

 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。对于如此小的扩张速率,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的钻孔应变固体潮观测则能敏感发现裂谷区断块间接触状态由紧密向松弛的变化,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、扩张或压缩、挤压。

平谷、徐州、沁源台玫瑰图演变的时差中还能估算对这种“影响力流”的传递速度。如果能够掌握更多站点的演变过程,我们或许对华北地区未来可能发生强震的地点、震级给出某种判断。

潮汐玫瑰图有可能成为继“地震活动性”这一经典的地震活动分析手段之后,判断地壳稳定与地震活动性的新手段。

 

图14给出了位于山西裂谷带盆地西侧山区神池台2012年10月至2018年1月间玫瑰图形演变的过程。


图14.神池台潮汐玫瑰图在日本东海9级地震后(2012年10月-2018年1月)形状的变化

 

神池台仪器于2012年9月3日安装。2012年10月的黑线两个月就收缩到红线位置,说明在仪器安装前,玫瑰图正处于快速收缩中。之后,逐年收缩到兰、绿、淡兰、粉红线位置。收缩发生在东西方向。80°方位潮汐因子最大变化达到70%。

南北向潮汐因子的变化要小得多,0°方位潮汐因子最大变化仅10%。如前所述,某方向潮汐因子缩小是该方向地层受拉伸,穿越此方向断层或裂隙的缝隙加大,潮汐应变传递系数降低所致。

神池台玫瑰图缩小主要发生在北东东方向,北东东方向玫瑰图收缩正巧发生于311大地震之后,可否认为是311大地震后,阻挡大陆扩张的阻力消失,日本向海沟滑动,华北地块得以向洋伸展,因断裂裂隙扩张该方向潮汐因子值缩小。2016年后扩张暂停告一段落,潮汐因子值稳定下来。

神池台玫瑰图的另一个特点是潮汐因子值特别小,将神池台最外圈的玫瑰图同麻城玫瑰图同一比例画在一起,神池玫瑰图之小就显得特别醒目。

图15是位于山西裂谷带北侧大同台2011年11月至2017年12月间玫瑰图形演变的过程。

该台YRY-4钻孔应变仪系在311大地震之后的2011年10月19日安装。玫瑰图数据从2011年11月开始,到2011年12月一个月中东西向潮汐因子就缩小了12%。之后,继续缩小,直到2013年12月缩小的趋势大致结束。从11年11月至此,东西向潮汐因子缩小了26%。


图15.大同台潮汐玫瑰图在日本东海9级地震后(2011年11月-2017年12月)形状的变化。

从华北地区多个台站潮汐玫瑰图中,东西或北东向潮汐因子同步缩小的情况,我们可以得出:311大地震这个特大地震发生后,阻挡东亚大陆向洋扩张的障碍被突破,陆域由东向西蔓延扩张引起陆壳裂隙系的松弛,让各台站东西向潮汐因子值由东向西相继缩小。

 

三.大地震的前兆

大地震,象汶川8级、日本东海9级这样的大地震,一旦发生全国震惊。损失之巨不亚于一场战争-“特大地震,国之大事,不可不察也。”

大地震究竟有没有可靠的前兆、能不能被相当精确地预报?这里介绍2008年汶川8级大地震前后,距汶川最近的姑咱地震台记录到的海量应变异常记录。

根据这样的前兆信息,象汶川这样的大地震,有没有可能、或如何能够被提前、并准确地预报。(池顺良等,汶川地震和芦山地震的有助于预报的地震前兆,地球科学前沿, 2017, 7(2);邱泽华等,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 第40 卷 第 8 期: 10311039;刘 琦 张 晶,S变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用,大地测量与地球动力学,第31卷第4期,2011年8月,69

    姑咱台离汶川距离150千米。台上YRY-4型钻孔应变仪是2006年10月28日安装,11月1日正式产出数据。从2007年4月开始出现明显的应变异常,之后异常次数越来越多,幅度越来越大。图16是2007年1月1日至3日记录,离汶川大地震16个月,每日双峰双谷光滑的应变固体潮曲线上,只出现了一个很小的压性应变小台阶。之后,这种台阶和脉冲越来越多。离地震发生只有三个月时的记录已惨不忍睹”(图17)。

16. 姑咱台200711~3日,应变图形。       17. 姑咱台2008214-18日,应变图形。

1+3与2+4的k=0.9995。


18. 汶川地震前550天中,姑咱台异常应变阶跃与脉冲数的变化

汶川大地震发生前550天中有3766起阶跃或脉冲事件(图18),平均每天6.8次。到200710月,事件数增加到每天11次。奇怪的是,在1121日-25日五天中,没有出现一个异常事件,固体潮曲线十分规则、光滑,两路面应变相关系数的k值达到0.996(图19)。


19. 四川姑咱台200711月21-25日,14应变数据图形

如果这些事件在时间上是随机分布的,5天中一个事件也不出现的慨率几乎为零,连续五天没有一次事件、这种概率上几乎不可能状况的出现究竟意味着什么?

 

对岩石加载破裂声发射现象的研究指出,在加载接近峰值强度时监测到的声发射事件率明显下降,出现声发射平静期,岩土工程据此预测工程灾害事件。

将汶川地震孕震过程与岩石破裂实验类比,应变脉冲异常事件看成岩石破裂实验中的声发射现象,出现脉冲异常事件平静阶段,表明加载已达峰值强度。此时段与岩石破裂实验中的“强度极限点”对应。平静期后事件计数恢复上升表明加载已越过峰值强度,岩石破裂或地震发生已不可避免。这就像大战发生前夕的平静。

震前异常事件计数出现平静期,之后事件计数又恢复上升直至地震这一现象,在芦山地震中再次出现。这是人类在8级大地震发生前第一次记录到大自然发出“大震即将发生的前兆信号”。

汶川地震十年后,记录上已很少出现异常脉冲,固体潮已恢复到光滑、规则形态,说明震前的异常应变绝非仪器故障所致。(见下图)


20. 四川姑咱台201810月5-9日,4应变数据图形

 

     在战争中,指挥员要把握敌情决不会只派出一个侦察员。汶川大地震前,若有多个台站围绕震中,同步记录到海量的应变事件,就不会有“是否仪器故障”、“不知异常源区位置”、“不知异常源区大小,无法估计震级大小”等困惑,震魔袭击国人的灾祸就可得以避免。

 四.观测数据的自洽与失洽

1966年邢台地震,地震预报被提上日程。李四光力推观测地应力、地应变预测地震的科技路线,亲自组织第一代压磁式钻孔应变仪研制。之后经过两代人努力,从压磁、钢弦到电容传感技术,经过四十年试验改进,性能终于达到科学仪器要求。地震仪是成熟科学仪器,几台地震仪放在同一地基或同一振动台上,记录到的数据是相同的。在均匀地层中安装多台钻孔应变仪,钻孔应变仪也应记录到相同数据。这样的比对检验因耗资大很少被采用。目前,主要依靠对单台仪器的数据自检来检验观测数据可靠与真实性。

由带孔无限平板弹性力学模型,可导出交角为45°的4分量钻孔应变仪4路观测数据满足S1 + S3 = S2 + S4    (1的自检方程潘立宙、苏恺之)

应变的平面问题只有三个独立变量,四分量仪器多一个冗余分量,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。

要求4组数据满足自洽方程,要解决传感器格值准确性和稳定性、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年试验、改进,十五期间建设的“数字地震观测网络工程” 四分量钻孔应变观测分项有40个观测台,已积累了12年观测数据。其中大多数台站的k值达到0.99以上,超过美日等国同类仪器。我国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。

用伸缩仪观测地层应变很早就发现三个应变分量观测值与理论值相差很多,由于没有数据自检功能,分析人员无法肯定观测数据是否可靠,往往将观测与理论不符归于仪器格值不准,错过了发现固体潮各向异性的机会。

中科院计算地球动力学重点实验室对此的评价是:“世界上首次发现了应变固体潮响应各向异性现象,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。”

21是忻州代县富家窑台2018925日的固体潮记录。S1S3S2S4两路面应变的相关系数k值达到0.999


图21.忻州代县富家窑台2018925日的固体潮记录,K0.999

22是忻州繁峙台记录的伊拉克7.8级地震波图。地震波数据的S1S3S2S4两路面应变的相关系数k值达到0.999


22.忻州繁峙台20171113日记录的伊拉克7.8级地震波图,K0.999

201647日原平发生M4.1级地震,震中距台站仅20千米。原平台钻孔应变仪记录到了近震震波以及断层错动应变释放的应变阶。图23是原平台47日的秒采样记录,记录下了M4.1级近震与地震同时地层错动释放应力出现的应变阶。在秒采样记录中,不能很好显示M4.1级近震的波形,在原平台的10Hz记录中,可以大致看到4.1级地震的波形。

从地震应变阶可以知道地震释放的应力,对于了解地层应力活动性质很有价值。以往应变仪记录到地震应变阶数据的自洽性不佳,k值低。说明记录到的应变阶不真实,用于计算应力释放数据,不能让人放心。原平台M4.1级地震的应变阶,用地震前后400400010Hz采样数据计算应变阶的k0.9998。石耀霖院士对此资料的评述是:“结果超好!”遗憾的是原平台的最高采样速率为10Hz,对于记录快速变化的近震信号,采样频率还低。

    

图23.原平台47日记录到M4.1级近震的秒采样记录及地震伴随地层错动释放应力出现的应变阶。


图24.小庙台受附近机井抽水干扰的记录图形,干扰段数据满足自检方程。因为它们也造成真实的应变变化。

记录到的应变信号除了固体潮、地震波还有附近机井抽水、水库水位变化、河岸水位变化造成的应变干扰。这些应变变化数据也都满足自检方程。图24是四川小庙台受附近机井抽水干扰,记录曲线上出现脉冲型干扰曲线(根据曲线数据可以计算出机井的方位)。干扰曲线段数据的相关系数k0.997,说明干扰应变数据也满足自检方程。

姑咱台受大渡河水位影响,每年到汛期应变曲线发生大幅度变化。 姑咱地震台距大渡河岸约400米,水位变化对岸壁压力改变引起应变随水位变化。水位变化段两路面应变相关系数的k值为0.9979。(图25,图26


图25. 姑咱地震台2006111日至2014831日的整点值数据,k值达到0.9996大渡河水位引起的年变十分明显,固体潮要在此图放大两次后才能看到。图6是图中小方框的放大图。


图26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

 

如果某个台站钻孔应变仪器的k值多年来一直>0.99,如果记录到某个平时少见异常应变数据段的k值出现变化(如k值从0.999降低到0.8),这是仪器故障还是记录到应变异常? 

40个台多年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,格值发生变化未及时调整,出现k值变化(只要检查信号电压值是否超出±2伏就能判别);二是与附近地层地质和地震活动加强,连续性遭到破坏有关。

出现一些不明原因的异常应变其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并自洽,就要考虑周围断裂活动和地震活动的可能。

原因是: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、连续性假定对地壳稳定区域是足够精确的,虽然地壳中存在大陆断裂但两侧地块的接触相对紧密。

正在孕育强震的地区却不会始终满足“均匀、连续”假定。强震孕育中,地层中微裂隙不断发育、扩展并逐步连通,最终强震发生。

 潘立宙模型适用于无大地震孕育、地震不活动地区,为我们提供了日常观测背景是否正常,是十分重要的。但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”,才能为用应变观测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,已过去半个世纪,带裂隙模型的工作仍没有人做出结果。

本人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k0.99,裂隙出现后k0.96。如果裂隙系统更大,k值会更小。

40个台近十年观测实践中,记录到4次数据失洽实例,其中2次显示了数据失洽与后续发生的地震明显相关;另2次数据失洽已发生,后续会发生什么尚待观测。

    27是云南昭通台在彝良5级双震及鲁甸6.5级地震前数据出现失洽的情形。

    

27.云南昭通台在彝良5级双震及鲁甸6.5级地震前后k值的变化。

昭通台YRY-4仪器于20071023日安装,至今已连续工作11年,数据失洽只发生了一次。

28是山西宁武台近两年观测中出现数据失洽的情况,但至今没有发生地震。

    

 28.山西宁武台在近两年观测中出现数据失洽的情况。

    对数据失洽,今后会发生什么我们仍需更多观测积累经验和认识。 

 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。这种持续时间长约几十分钟,叠加在固体潮背景上的应变脉冲和阶跃属于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0.9980.999,随着大地震临近,k值不断下降,临震前k值降低到约0.4,但固体潮数据、大渡河水位变化数据的自洽性始终没有降低。临震前的200854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+S3S2+S4固体潮曲线的相关系数k0.9998,在十年观测期间固体潮数据始终保持自洽。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,数据自洽性不易被破坏。

大渡河水位变化、出露基岩温度变化引起的应变年变化数据的自洽性也始终没有改变。这些应变的源就在应变钻井四周,说明应变探头附近地层连续性没有破坏――裂隙不是出现在钻井四周地层中。

大地震孕震区的地层在孕震过程中裂隙不断发展、扩大,与裂隙扩展同时,裂隙端发射出应变波动。这种通常被称为“慢地震”的应变波动其周期往往大于数百秒,不易为经典地震仪接收到,但可以被应变仪接收到。

这些孕震区中发射出的“慢地震”应变波,必然要通过地层连续性逐步破坏的震源区才能到达观测站,这些“慢地震”应变波数据的自洽性就会随孕震过程的发展、震源区地层连续性破坏加剧,失洽程度越来越严重。

    姑咱台初期出现的异常压性脉冲,脉冲段数据也满足自洽方程。图29200767日的记录,一天中出现8个压性台阶或脉冲,异常应变数据段的k值均达到0.999。此时距大震发生还有11个月。图30200821日的应变记录,此时离大震发生只有3个多月了,异常脉冲数据的k值已降到0.700.89。图31200831日的应变记录,异常脉冲数据的k值已降到0.658


29. 汶川地震前11个月的200767日,姑咱台记录到异常压性应变脉冲数据的k值为0.999


30. 离汶川地震只有3个多月的200821日,异常脉冲数据的k值已降到0.700.89


31. 离汶川地震只有2个多月的200831日,异常脉冲数据k值已降到0.658

 

32是从2006年底到汶川大地震发生的一年半时间中,异常脉冲的k值从接近0.999的自洽状态逐步向失洽状态演变的曲线。


32. 2006年底到大地震发生的一年半时间中,异常脉冲k值从接近0.999逐步向失洽状态的演变曲线。

 

姑咱台记录的大量应变数据中,日常记录到的固体潮、机井抽水、河水水位变化等应变,在汶川大地震发生前后的11年中,这类数据的k值始终为0.999。唯有叠加在固体潮背景上的不明来源的异常压性应变脉冲数据的k值,竟然会随着大地震的临近而变化。

这是汶川震源区地层孕震过程中构造应力作用下,地层出现裂隙、裂隙不断扩展,最终破裂过程中地层连续性遭到越来越大破坏所致。脉冲数据k值的变化表征震源区的地震成核过程正在进行中。连续多天出现一个脉冲也没有的平静期,则是震源区地层已进入不可逆的“亚失稳态”的标志。 

五. 应变地震仪-摆式地震仪的补充

地球物理和地震学教材中,关于“地震仪”的章节中都会提到有两种不同原理的地震仪:“摆式地震仪”和“应变地震仪”。

地震学发展百年历史中,首先发展的是摆式地震仪。百年来,摆式地震仪发展出了灵敏度、频带宽度不同的短周期、中长周期、长周期、超长周期等各型地震仪。

贝尼奥夫用硐式应变仪记录长周期地震波,开启了应变地震仪研究的先河。硐式应变仪高昂的造价,限制了它的发展。之后发展出的钻孔应变仪,主要被用来记录固体潮一类长周期信号。目前各国设计钻孔应变仪的观测频带大都在0 ~ 7Hz

安装在岩石钻孔中记录地层应变的应变仪,测长基准杆的长度稳定性要比摆式地震仪摆体保持位置的稳定性容易。从原理上,应变地震仪的观测频带低频端可达0频,高频端受岩孔自振频率限制可到数千Hz

YRY-4型钻孔应变仪研制的立项名称是“应力-应变地震仪”(国家科委1978年专项),是按照0 ~ 3000Hz频宽设计的宽频带仪器。用一台钻孔应变地震仪就能接收从构造应变变化、固体潮、各种不同频率地震波,直至地声信息的全频带信号。

2008年3月17日,四川省姑咱台YRY-4型钻孔应变仪以每秒100次采样观测,记录到发生在四川省康定的三次3级左右的地震。这是第一次用这种钻孔应变仪完整地记录到地方震。这3个地方震,大体发生在同一个地方,位于台站以南约70km处(图33)。


图33.姑咱台和三个康定地震的位置

 

(图34左)给出三个地方震的应变观测记录曲线。在这些曲线上,P波和S波都清晰可辨。因为震中位置基本相同,三个地震的所有记录都显示,P波到达之后约8秒,S波到达。(图34右)显示S1+S3与S2+S4的相似程度,说明实际观测接近理论预期。

 

(a)

(b)

(c)

图34姑咱台应变仪记录的三个康定地震的地震波曲线(左)及其自洽拟合图(右)

姑咱台同时还有CTS-1型宽频带摆式地震仪进行观测。图35是YRY-4和CTS-1两种仪器记录的三个地震观测曲线的功率谱密度(PSD)。尽管两种仪器观测的物理量不同,前者是一点的应变变化,后者是一点的运动,但是两种物理量都属于同一运动过程,因而其频谱应该一致。从图3中我们看到,对于所有三个地震,YRY-4记录的功率谱密度与CTS-1基本相似。这些频谱显示,前者的频率响应不比后者差。

 


(a)3.5级地震


(b)2.3级地震


(c)2.7级地震

 

图35.  YRY-4和CTS-1两种仪器记录的三个地震观测曲线的功率谱密度(PSD)

2011年后,邱泽华、唐磊研究团队在山西、吉林、甘肃、云南等地震台,用YRY-4型钻孔应变仪进行采样率每秒100次的观测实验,也记录到地方震,得到理想的结果。

YRY-4型钻孔应变仪可以被当作应变地震仪使用,这是毋庸置疑的。而美国PBO项目中的相关文件的看法是:他们的钻孔应变仪不适于用来记录地震波信息。


 摆式地震仪测量的是地动位移矢量,应变地震仪测量的是地层的应变张量。观测量的不同,决定了我们需要摆式仪,也需要应变仪。如大地震发生后,各地地层中的应力是减弱还是增强了,由应变地震仪记录的地震应变阶可直接得到。应变地震仪记录可分解为体积应变与剪切应变,便于不同类型面波的识别。

应变地震仪在0频端的稳定性,使其记录的应变固体潮数据在判定观测地域的地层稳定新方面,具有其它仪器不可替代的作用。

因地震预测需求研制出来的新型地球物理观测仪器-“钻孔应变地震仪”的出现,必将为地学研究提供宝贵的观测数据。


 六. 地震可预报的根据―震前震源区岩层进入不可逆的“亚失稳态”

马瑾院士和她的团队多年从事岩石破裂实验。实验结果告诉我们地震是有前兆的,应变、温度、位移等物理量都会出现特征性变化。

图36是岩样加载过程中应力应变变化至破裂经历的各个阶段。图36(a)和(b)中,L为起始点,M为屈服开始点,N为强屈服点,O为强度极限点,A为准静态向准动态释放转换点,B为失稳点。(马瑾. 从“是否存在有助于预报的地震先兆”说起. 科学通报, 2016, 61: 409414

从应力-时间过程看, 变形过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态4种状态,它们分别以应力-时间曲线上的偏离线性点(屈服开始点M)、峰值应力点(强度极限点O)和失稳点(B)分割。


图36.岩样加载实验中的应力应变变化及破裂过程。(a)一次黏滑破裂事件中的应力-时间过程;(b)变形阶段的划分,(b)为(a)中红框所示时段的放大,字母表示关键变形时刻:L-起始点、M-屈服开始点,N-强屈服点,O-强度极限点、A-准静态向准动态释放转换点、B-失稳点。(c) 断层结构、加载方式; (d) 沿断层不同测点应变随时间的变化.

 

在稳态阶段,断层处于弹性变形阶段,只要外力撤除,变形立即恢复;在亚稳态阶段断层处于偏离线性阶段,外力撤除,一部分应变立即恢复,另一部分以缓慢方式逐步恢复,而局部损伤区无法恢复;进入亚失稳阶段,断层已经处于以释放为主的变形阶段,即使外载不再增加,断层亦可进入自失稳演化阶段。随着变形程度增加,断层由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放,最终失稳。

从亚稳态转变为亚失稳态的核心是发震断层进入了不可逆变形过程,它标志着地震不可避免地会发生.不可逆过程的存在是地震可预报性的基本逻辑基石抓住亚失稳阶段的特点也就是找到了与地震发生有唯一关系的过程.。以往从物理、化学以及生物角度的观测只是力学过程引起的结果,它们与力学过程之间的关系不是唯一的,而断层所处的应力状态才是本质。

要实现大地震预测预报,首先要有相应的观测技术能够观测到地层进入“亚失稳态”发射的微弱的前兆信号;观测到了还必须能够及时识别这些信号确是岩石地层在构造应力作用下已进入‘亚失稳应力状态’时发出的,这些信号中应该含有岩层应力已处于‘亚失稳应力状态’的明确特征。――若马瑾实验的结论是可靠的,那么,“大地震究竟能否能被预测预报”的关键就是我们用哪种观测系统可以有效地捕捉到这种“已进入不可逆过程的前兆信号”,并且能够及时识别它们。

野外地质构造复杂,野外地震试验场如果在大地震前能够检测到符合上述条件的前兆信号,大地震预测、预报就有可能取得突破性进展。

马院士的实验告诉我们:“地震是地壳运动的结果,存在一个由缓慢变形向快速发展的过程。但不是所有构造变形都会导致地震发生,只有应力状态从亚稳态转变为亚失稳态,发震断层才进入了不可逆变形过程,它标志着地震不可避免地会发生,不可逆过程的存在是地震可预报性的基本逻辑基石。抓住亚失稳阶段的特点也就是找到了与地震发生有唯一关系的过程。”

马院士团队的实验为寻找大地震物理预测方法提供了宝贵启发,强调地震发生是力学过程,监测、发现断层所处的应力状态何时从亚稳态转变为亚失稳态的前兆信息,成为突破强震预测预报的技术关键。

 

汶川大地震前550天中姑咱台记录到3600多个异常应变信号。最早出现的异常应变阶跃和脉冲,表明地层进入“屈服开始点M”。此时地层的连续性尚好,这些应变信号的k值仍可达到0.999。随着裂隙活动加剧、裂隙区扩大,地层连续性逐渐遭受破坏,异常应变数据的k值不断偏离自洽状态,地层状态进入“强屈服点N”。之后,连续5天没有一个异常应变信号的脉冲异常事件平静期,表明加载已达峰值强度。此时段与岩石破裂实验中的“强度极限点O”对应,震源区岩层进入“亚失稳态”。此时,大震发生已不可避免。

当某台站记录到疑似“慢地震”不明来源的异常应变信号,且发现异常应变信号的自洽性有降低的趋势,应立即加密布设应变观测台。有多个台能够记录到异常应变信号,就能掌握孕震源区位置、大小及扩展过程。之后就该由社会管理部门接管事件的处理了。

 

对用应变观测实现地震预报,人们曾经是这样理解的:岩层在地质构造力作用下,应力应变越来越大,达到强度极限后岩层破裂大地震发生。所以我们只要设法监测到何处地层的应力或应变达到极限值,地震预报就能实现。这其实是种误解-钻孔应变观测的是相对应力应变变化,并不能测到应力应变的绝对值。即使测的是绝对应力,在地表测得的也不能代表深部的-就是有办法测得各处深部地层的应力,距极限值还差多少也难确定。

汶川大地震这个震例告诉我们,大地震震源在临破裂前自己会发出“我快承受不了”的呼叫信号,这种信号可以被埋设在数十米深处的高灵敏度钻孔应变仪在100多千米外接收到。如果岩层在破裂前都会发出“快受不了”的呼叫,而且一叫就是几个月,我认为强地震预报这项难题就有破解的可能。

 

七. 结语

钻孔应变观测是我国对大地震预测的科学需求,在上世纪60年代开始实施、发展起来的。经过半个多世纪实践,在两代人努力下,我国的钻孔应变观测无论在仪器研制、观测实践、理论研究各个方面都取得了可喜的成果。其中,有多项成果领先世界。

应变固体潮是大自然赋予我们、地球科学中唯一可事先预测的物理量。对各地应变固体潮观测数据的分析,可获得各地地层当前稳定或变化趋势的状况。将各个台站变化状况相联系,作大区域面上的“大数据”分析,无论在“大地震的孕育与预测”、“区域地层稳定性分析”、“大地震发生力源判定”、“地壳运动的驱动力源分析”等重要科学问题研究上,均能提供重要的观测科学依据。

“钻孔应变地震仪”记录的地层应变长期变化,对判定地区应力状态提供了又一方面的判断信息。

“钻孔应变地震仪”记录到的,不断增强的异常应变阶跃与脉冲,及依据这些异常应变信号自洽性变化的分析,则为大地震的短期与临震处置,提供重要信息。

“钻孔应变地震仪”记录的地震波数据,为地震信号分析,提供了可供摆式仪数据校核的补充数据。

大地震发生后,大区域范围各地地层应力的增强或减弱的状况,对于判断大地震后的震情发展具有重要意义。目前只有靠“钻孔应变地震仪”记录的“地震应变阶”数据提供。

我国“钻孔应变地震仪”观测数据高度自洽的性能,保证了由观测数据获得的以上各项信息和分析结论具有科学性。

                                          池顺良  201911

 




http://blog.sciencenet.cn/blog-51667-1207819.html

上一篇:超导重力仪长序列数据得出引力相互作用传播速度与光速相同
下一篇:西部两个台站记录的异常变化

2 杨正瓴 杨小秋

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-8-4 11:27

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部