* 应变观测的发展史

里德（Reid,H.F）通过对1906年加里福尼亚地震前后大地测量资料的分析，提出了地震发生的弹性回跳理论。里德的研究表明，在大地震孕育过程中，存在地应变逐渐积累的过程。但当时的大地测量方法难以实现连续观测。地球科学开始发展连续应变观测方法，架设在山洞中的应变仪（也称伸缩仪）最先发展起来。

测量地壳应变变化需要长度基准。三角大地测量用铟钢线尺作测量基准。伸缩仪观测地层应变靠长度稳定性良好的基准杆与两个基墩间距离的比较来实现。

地震孕育与地质变化过程十分缓慢，短时间内地壳伸长或缩短的量十分微小。环境温度变化将引起基准杆长度改变，因此，伸缩仪大都安装在环境温度十分稳定的山洞中，这里的温度日变幅只有0.01～0.03℃。基准杆都采用线膨涨系数很小的材料制作以抑制温度变化造成的虚假地应变。

图1. 是安装在新疆某地震形变观测山洞中的伸缩仪。图中两台长条形仪器沿山洞长廊布置。左面是石英管伸缩仪，右面是长水管倾斜仪。

图1. 新疆某形变山洞中的石英管伸缩仪，右侧是长水管倾斜仪。

石英管远端被固定在基墩上，近处石英管端是自由端，下方墩台上装有测量管端与墩台固定点相对距离变化的测微传感器，测出的距离变化转换成电信号通过电缆传输到台站数据记录设备。现在，这些观测数据已可通过网络等通讯方式被远方的观测及科研人员调用。

为了保证仪器工作的稳定，避免局部岩层破碎带来的应变噪声，仪器要安装在石质坚硬，岩体完整的山洞内。为减少气温变化影响，规定这类硐室顶部和旁侧覆盖层要大于40米，并要求硐室严格密封，引洞部分设多道密封门。

为了反映地壳在水平面内应变变化的全貌，应变观测站至少要安装三条不同方向的应变仪。在一个观测站的山体中通常开凿南北、东西和斜边方向三条隧道，架设三台伸缩仪。根据三台仪器的观测数据可以计算出观测站所在地层水平面内的压缩、伸长和剪切应变值。可计算出地面主应变数值及主应变方位三个未知量。根据地层的弹性模量等物性参数，可追踪主应力的方向及大小。

图2.是日本地壳变动连续观测台标准山洞硐室。

图2. 日本地壳变动连续观测台的标准坑道。

我国研制的石英管应变仪的分辨力可优于1×10^－９应变。1×10^－９应变分辨力相当于1000公里长地面伸长或缩短了1毫米。这样高的测量分辨力已能观测到日月引潮力作用在地球上引起的应变固体潮汐，应变固体潮汐的幅度约2～6×10^-8应变。由于应变固体潮汐观测对了解地球内部圈层物质的力学性质能提供重要信息(勒夫数)，因而记录应变固体潮汐成为应变台站观测的一项重要内容。固体潮的观测精度同时成为检验应变仪工作状态和仪器综合观测精度的天然检验标准。（图3）是在楚雄地震台上伸缩仪记录的应变固体潮日变曲线。

图3.  伸缩仪记录的应变固体潮日变曲线

日本是多地震的国家，地震科学相对发达，较我国早约20年就开始了硐室应变观测，并观测到了一些地震前的应变变化。（图4）是京都大学逢坂山观测台硐室应变仪记录到的地伸长异常。异常期间，台站南面94公里纪伊半岛上发生了一次7.0级地震。

图4. 1952年7月18日纪伊半岛7.0级地震前后京都大学逢坂山观测台硐室应变仪记录到的地伸长异常

如果围绕震中有多台仪器同步记录到地震的应变异常，就能较好地肯定异常与地震的关系。

1965年日本地震预报计划作为国家计划开始执行。到1976年，日本建成17个配有应变仪和倾斜仪的“地壳变动观测站”。到1984年，“地壳变动观测站”建成了67个，计划还要建设36个。但学者们认为，要在强震发生前采取有效的对策，一定要有多个台站同步接收到震前应变异常，这些观测站的数目还是太少。

应变观测仪器是地球物理仪器的新成员，通过观测－比对－发现问题－逐步改进的循环，将新仪器提升到科学仪器高度，将打开对地观测的新窗口。但这些台站建设的科学目标比较狭窄，首要或几乎唯一的目标是地震预测，即寻找地震的应变前兆。大部分力量放在建设一个又一个费用浩大的硐室观测站上，对观测方法的科学性反而关注不够。

我国利用人防山洞也建设了一批山洞应变观测台，现在约有88个伸缩仪台在工作。

开凿山洞需要很高的费用和很长时间，地震学家目光开始转向造价相对低廉的钻孔应变观测仪器。

* 经验教训

应变仪同地震仪相同，都建立在微位移测量技术基础上。不同的是，地震仪测量的是地面与惯性质量块提供的不动点之间的相对位移；应变仪测量的是地面长度同基准杆比较的长度变化。所以，地震仪的观测量是地动位移、地动速度、地动加速度，这些量都是向量（一阶张量），地震仪属于向量型仪器。应变仪测量的是应变，应变需要由二阶张量描述，应变仪本质上属于张量型仪器。

地震仪经过了一百多年发展，才达到今日相对完善的地步，应变仪作为一种新的对地观测仪器，如何能尽快地发展并完善呢。

应变观测需要与纳米级微位移打交道，尤其是在长周期频段，在测量过程中太容易混入纳米级虚假位移了。如固定方式不合理，固定点位置发生蠕动；测长杆因晶格重组长度发生变化等多种无法预测的因素都会使观测数据中混入各种形式的长周期噪声。

在发展一种新型科学仪器过程中，观测数据是否真实反映客观观测量是研究者首要关心的问题。研究者需要设计各种检验数据真实性的方法，根据检验发现的问题，改进观测仪器，直到观测结果能通过数据真实性的严格检验。但数十年来，硐室应变观测没有按照观测－比对检验－仪器设备改进－再观测改进的科学实验及科学仪器发展应遵循的规律前进。

日本三条测边的地壳变动连续观测台标准山洞硐室的设计就未考虑观测数据的自检、互检与比对的要求。由三条测边的观测数据虽然可以算出地面应变的三分量，却不能知道这些数据中虚假应变的比例。

检验观测数据真实性的一种常用的方法是双份或多份比对观测。

我国现有88个硐室应变观测台，其中有一个台具有4条测边而允许我们对这些观测数据是否自洽、确定观测数据中混入了多少长周期噪声提供了条件。图5是这个台两条同方向伸缩仪2007年1月1日至2007年12月3日将近一年观测数据的对比图。图6是图5的局部放大图。

   图5.   山洞中两条同方向应变仪2007年将近一年的观测数据

图6  上图中小方框放大图

由图5、6可见，两条同方向测边短周期信号有相关性，但其长期变化并不相关。表明伸缩仪受到某些不明原因长周期噪声的干扰，不找到这些长周期干扰源并将其消除，这些仪器的长周期数据就没有使用价值。

由硐室应变观测中总结出的这些经验教训在钻孔应变观测技术的发展中被吸取，目前，四分量钻孔应变观测已找到并基本解决了排除长周期虚假应变的技术问题。

下一篇将介绍钻孔应变观测技术的发展。