* 观测频域的竞争

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               

一部天文学史就是天文学家不断扩大观测频带的历史。从光学望远镜开始，之后是射电镜、红外镜、X射线镜、伽玛射线镜……，每打开一扇新的频域窗口总有惊人的新发现出现。

地球科学是观测科学，地球科学的国际竞争从某种意义上说就是对地观测频域的竞争。我们能打开更宽的频域窗口，就是竞争取胜的筹码。

美国PBO项目采用的Gladwin分量应变仪的观测频带为0～7Hz，对于填补测震仪和GPS观测弱视区（图1 的A区）是足够了,但却将高频B区忽略了。

其实，钻孔应变观测在B区的优势更大。摆式地震仪由于“摆－弹簧”系统自振频率的限制，频宽与灵敏度不能兼顾，通频带难以扩展到百赫兹以上。而钻孔应变观测的高频端受限于岩孔空腔的基阶振频，岩孔的基阶振频则高达数十kHz，因此钻孔应变仪的高频端可以很容易的扩展到10kHz。地层中的高频极微震将进入我们的视野。

我国发展钻孔应变观测重要科学目标之一是实现强震的科学预测。强震预测最大的难点是时间预测，预测的准确度必须相当高，才具有可操作性（如准确到天）。从观测技术角度看，时间误差缩小就必然要求观测仪器能接受更高频的微震、极微震、声发射、地声等信号。这些信号正处于B频域中。

YRY-4分量应变仪在设计时就考虑既要填补A区，还要开拓B区频域窗口，探头的设计频响为0～3000Hz。既可以记录慢变的固体潮，也能记录远震与地方微震，还能记录地震仪记录不到的高频极微震和地声。

早在1983年，YRY型分量钻孔应变仪就在地震观测频段同微震仪作了观测对比。表1.是在香山地震台作试验的YRY型钻孔应变仪与DD-1型摆式地震仪同时记录地方震和爆破时，P波、S波到时和换算震级的比较。香山台钻孔应变仪记录地方震的灵敏度相当于DD-1型地震仪放大倍数开到6万倍（放大倍数由该台的本底噪声决定)。由表1可见，两种仪器纪录的一致性很好。

表1.  YRY型钻孔应变仪与DD-1型摆式地震仪地震记录的比较

表中A为地动位移，△为震中距。

* YRY-4型钻孔应变仪优异的高频性能

地震仪发展到现在，纪录地面振动频率范围可跨6个数量级，（约0.003-100Hz），地面运动幅度变化范围达9个数量级。要接收更高频率的地震波动信号，目前使用的摆式仪器并不适合。

   应变地震仪是另一种接收地震波的仪器。上世纪30年代贝尼奥夫曾用它接收摆式地震仪还不能接收的长周期地震波。随着摆式地震仪性能的提高，应变仪被用于接收固体潮等超低频信息。YRY-4型钻孔应变仪的高频性能极好，高频截止频率高达数十KHz。地层的波动由应变波携带可直接转换成长度变化的地应变信号被应变仪接收，能流强度大。对于基线长度固定的应变仪，地动位移相同时，应变信号幅度与频率成正比。对 1 Hz地震波，若应变仪可将地动位移信号放大十万倍的话，对1000Hz高频波，地动位移的放大倍率可达到 1 亿倍！摆式地震仪难以接收的能量微弱的高频极微震就可能被钻孔应变仪接收到。打开高频窗口，我们将观测到更丰富的地震活动信息。

* 介绍唐山地震前后，震前地声开创性的研究工作

我国丰富的地震文献记载中，有大量关于强烈破坏性地震前震中区地下传出惊心动魄的震前地声的记载。如：

1830年6月12日河北磁县发生7.5级大震,震前人们听到地声如“雷吼”,若“千军涌溃，万马奔腾”，于是“争先恐后，扶老携幼，走避空旷之区”，紧接着发生了“屋宇倾颓，砖瓦雨下”的地震灾害。

   1855年12月11日辽宁金县发生5－6级地震，当地人民“未震之时,先闻声如雷”,于是“早已预防”，从住房里躲避出来，所以“未经压毙多人，只伤男妇子女共七名”，大大减轻了伤亡和损失。

   1920年12月16日宁夏海原发生8.5级地震，居民死亡23万之多。但据固原县志记载，“未震之先，有居上之人，有时夜半……闻沟内空响。”发震前几天，西吉县也连续几天听到黄土山中有类似撕布的声音。这种撕布的声音在1970年12月3日西吉5.5级地震之前，当地群众再次听到过。

这些震前地声无疑对大地震的临震预测有重要价值。

但是，高频波在地层中衰减快传不远，如果高频波不能传播数十到百公里距离，观测高频极微震就很难被实际采用。将仪器安装到振动干扰小的深井中，仪器放大倍率提高，能否观测到百公里范围的高频信息呢？这只有由实践来验证了！ 70年代“深井地声观测”的开创性工作证实，高频波能传播一百公里以上距离！

“深井地声仪”研究74年正式列入天津市重点科研项目。伍富昆采用环状压电陶瓷海军声纳探测技术制做深井地声探头。探头直径0.10米，长3米，重量 100 公斤，悬吊在深井底部井水中接收地声。从1977年到1984年，分别在天津宝坻（井深430米）、天津万家码头（1200米）、四川江油（2200米）建立了试验观测点，取得了一批宝贵的观测数据，尤以宝坻台取得的资料最丰富。

   表2.是1977-1982年间宝坻地声台半径130公里范围内，发生较大地震的目录和地声出现的时间对照表。

表1.   地震和地声出现时间对照表。

地声出现时间     发震时间       地点     震中距       震级      地声提前时间    年月日时分       年月日时分                 公里         ML           小时

771220.1016      771221.0023      滦县北      120          5.3            14 

771220.1016      771222.0627      滦县北      120          5.2            14

800806.0928      800806.1721       宁河        70          4.7             8

800806.0928      800806.1934       宁河        70          4.7             8

801116.0041      801117.2203        古冶        90          5.1            46

810729.0845      810803.1307       宁河         70          5.3           125

810729.0845      810817.0542       宁河         70          4.9           125

811206.12        811220.0048       宝坻         20          3.8           324

820806.07        821019.2045       卢龙        130          6.2          1776

图2. 是宁河5.3级地震前出现的微破裂群纪录资料。图中最下一行是5.3级地震。地震仪只记录到了最后一行的5.3级地震波，地声仪则提前125小时记录到了一系列的连续性和脉冲型地声。

          图2. 宁河5.3级地震前出现的微破裂群纪录资料

天津宝坻地声台记录到的震前高频极微震资料，说明深入地下基岩，用比地震摆频带更宽更灵敏的仪器的确可以获得比传统地震摆更丰富的地震信息。关于地声方面的研究，郑治真研究员作过认真的总结，指出在工作条件较好的地声观测站，“凡是地震仪记录到的信息，地声仪上都有；地声仪记录到的信息，地震仪上不一定有。”

在井下低噪声环境，高频地声观测确实能提供更丰富的地震动信息。

* 伍富昆地声仪实际是一台深井单分量钻孔应变仪

伍富昆的地声探头设计工作条件是将地声探头下到深井底部的水中，作为一种水听器来接收地声信号的。这种地声探头因为只接收水中的声波，所以只有一个观测分量。在实际试验中，由于电缆张力，小虫活动或滴水等干扰，噪声很大以致无法正常工作。最后，伍富昆采取了“往深井里填了大约十米厚的沙柱”，将探头全部埋在沙中，隔断并减小了从地表通过电缆和水介质传到井底的噪声干扰，才使背景噪声减小到能够正常工作。这样，伍富昆的地声探头接收的是直接通过地层固体传导来的高频极微震应变波信号。地声探头成为了一台体积应变仪。由此可见，对地层微破裂、高频极微震这类地动信息的接收，钻孔应变仪是很适合的仪器。多分量的钻孔应变记录将会允许我们用地震学方法从记录中获得更多的信息。

伍富昆地声探头的声压灵敏度为200μv/μb，探头直径10cm，壁厚4mm。不难算出，若要用钻孔应变仪来接收并分辨0.01μb的地声信号，钻孔应变仪须要有～1×10^-12的应变灵敏度。

我国已建的钻孔应变观测网，数据按每分钟一次采集，已经获得了不少很有价值的信息。实现0～3000Hz的观测频宽，将应变探头的宽频特性充分发挥，一定会有更多的发现。

多种地震观测监测方法相结合，充分发挥钻孔应变高频信息观测功能，捕捉并识别震前微破裂和地声信号的规律对地震的科学预测将提供更丰富的数据。