地层应变观测的科学价值―――（七上）以记录地层构造应变为目标，向超低频段进军。

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。为实现对长期构造应变活动的监测，曲线(2)需要沿红线大幅向右延伸。   

地震是构造运动的产物，要深入了解地震活动就要研究大地构造应变活动。当前主要依靠GPS观测数据获得构造应变活动图像。

GPS通过固定在地表的接收天线，接受GPS星座发出的无线电信号，测出各测站的位移。但位移随参照点选择而变，并非不变量，所以位移本身没有确定的物理意义。只有从位移导出的应变才是不变量，具有确定的物理意义。GPS测量的价值要体现在给出的应变场图件上，但它又只能给出各地块平均的应变变化。从科学认识的角度，GPS测量方法迫切需要一种能直接测量地层应变的方法作为对比和参照。钻孔应变正是通过测量岩层钻孔孔径变化，直接测量岩体应变变化的方法，来获得特定点位连续而精细的应变活动图像。

虽然钻孔应变观测技术目前的优势频段在分钟至数十天时间尺度上，但若向超低频段扩展，能有效反映构造应变活动，将两种应变观测方法结合，无疑可以加深我们对大陆构造应变活动的了解。

这两种观测手段能否与如何实现结合，需要通过比对观测来发现问题和解决问题。

* 美国人遇到了挫折

美国科学家在“Earth Scope”计划中提供了GPS与钻孔应变比对的条件，在西部构造活动地区，同时布设了密集GPS观测网和分量钻孔应变仪，便于两种观测数据比对。

在与GPS观测数据比对前，要首先解决同一场地上两台钻孔应变仪观测数据的一致性。为此，美国人在6个应变测站上相互间距数百米内安装2-4台钻孔应变仪组成一个小台网。但是，5年的观测数据却表明，同一个测站上几台仪器的观测数据不一致，更别说去同GPS数据比较了。

地壳所的欧阳祖熙先生长期来一直在关心和跟踪这6个测站仪器记录数据间的比对。最近在《国际地震动态》上发表了“美国PBO计划：钻孔应变仪台网遭遇挑战”的文章。认为这6个小台网的5年观测数据的互相间符合很差，表明美国的钻孔应变仪记录不到真实的地层构造应变变化。更无法与GPS观测比对了。

我引用文章中介绍一个小台网的数据，加以说明。

在奥林匹克半岛同一测站上有B005、B006、B007三台钻孔应变仪组成一个小台网，三台仪器间相距约几百米。

图2是这3个台的位置。图3是同一测站上B005、B006、B007三台钻孔应变仪5年观测数据的比对。

图2. 位于奥林匹克半岛同一测站上的B005、B006、B007三台钻孔应变仪。应变探头安装在140-160米深度。图上标出了29台仪器。

图3.  B005（a）、B006（b）、B007（c）三台仪器的五年观测数据。B006探头井下定向失败，缺方位角。探头中4路应变元件的方位标示在图中。纵坐标的应变单位为10^-10应变。（引自：欧阳祖熙，美国PBO计划：钻孔应变仪台网遭遇挑战，国际地震动态，2011,10）。

欧阳祖熙的分析结论是：B005、B006、B007三台钻孔应变仪观测到的地壳应变各不相同。B005显示持续性北北西向挤压；B006却显示受到周期性压缩和松弛的围压；B007在变形相对稳定后却显示北东向挤压。

其实，B005的CH-1、CH-3路数据大约在每年12月份记录到应变阶跃信号，但另两路上却没有阶跃信号，表明B005探头的4路数据不满足自检条件，探头工作有缺陷。B007也有类似问题。加上超过构造应变达3个量级的漂移速率，这就失去了实现监测长期构造应变活动这一高难度监测目标的基本条件。对这些数据进行任何构造应变变化的分析就是无意义的了。

对其它5个小网的分析结论是类似的。结论是：这些钻孔应变仪虽然都能记录到地震波、应变固体潮，但在超长周期频段记录到的信息中却并不包含长期构造应变活动信息（或构造应变信息被噪声淹没了），基本上是局部因素变动造成的干扰，正反映了图1中当前钻孔应变观测特性曲线在长周期频段较早收敛的状况。

从技术上，想用钻孔应变仪观测长期构造应变活动，首先要做的是努力降低仪器系统的零漂，将图1中的观测曲线（2）向右尽量延伸。

* 美国人遭遇挫折的原因？

欧阳祖熙认为，原因可能出在以下环节：PBO钻孔应变仪观测系统的总体设计、观测井钻孔施工工艺、仪器下井安装技术等环节。

下面也来谈谈我的看法。

根据GPS实测数据，大陆构造应变年变速率大致在6×10^－8到5×10^-9范围。只有当钻孔应变仪的自身漂移速率能降到1×10^-8/年，甚至更低，才有可能观测到地层构造应变活动。图3所示PBO项目中这三台仪器的年漂移速率都在10^-5～10^-6量级，比构造应变大了约3个数量级，是不可能反映构造应变活动的。所以，从钻孔应变仪观测系统总体设计的角度，若无法将仪器的自身年漂移速率降到10^-8量级，就谈不上用钻孔应变仪观测地层的长期构造应变活动。

* 中国地震科学工作者作出的努力

在十五“数字地震观测网络工程”中，全国布设了40余台YRY-4型分量钻孔应变仪。

《中国地震前兆台网技术规程》中，定点应变观测规范允许的年漂移为4×10^－6，比构造应变速率大2个多数量级。按这一规范设计的应变仪能够观测到较剧烈的应变变化，但无法观测到长期构造应变活动。必须将年漂移速率降低到10^－8量级，钻孔应变仪才有可能观测到长期构造应变活动。为此，需要从钻孔应变仪观测系统总体设计上分析造成漂移速率的影响因素，并逐一设法解决。

分量钻孔应变测量中，数据的零漂大致来自以下几项因素：

1.   测长基准杆本身长度变化造成的漂移，这项变化可达到（10^-8-10^-7/年）量级。

2.   安装探头处地层温度变化引起的漂移。0.01℃温度变化将带来10^-7应变变化。钻井过程中使用与地层温度相差过大的水会带来长期温度漂移。

3.   采用膨胀水泥安装探头。安装初期造成大幅度应变漂移（10^-5/年），在较长时间的稳定期后，漂移速率仍可达到（10^-6-10^-7/年）量级。

4.   地层打了钻孔后，在地层自身重力作用下，钻孔将产生“孔缩”。“孔缩”大小与钻孔深度、岩性、探头安装应力等诸多因素有关。

5.   电子测量电路元件参数变化引起的漂移。

上述引起漂移的1. 2.项因素是很难消除的。但是，分量应变仪的测量数据可以分解为一路体应变和两路剪应变。体应变来自两路互相垂直的径向位移传感器测值之和；剪应变则来自两路互相垂直的径向位移传感器测值之差。因此，体应变数据无法摆脱1. 2.项因素影响。但对于采用同一批材料制造长度基准杆的分量钻孔应变仪，剪应变数据却可做到不受1. 2.项因素影响。（4分量钻孔应变仪的原理参见本博客中“地层应变观测的科学价值―――（四）钻孔应变观测在实践中走向成熟”）

对于安装在钻孔中心，四周水泥层厚度均匀的探头，其剪应变数据受水泥层应变变化的影响也会远小于体应变数据受到的影响。

根据上述分析，要将钻孔应变仪的漂移速率降低两个多数量级虽说是件困难的任务，但在剪应变测量中有可能首先实现！有了剪应变数据，就可以绘出中国大陆构造剪应变年变速率和主应变方向图。然后再来设法解决体应变数据问题。

要确认分量钻孔应变仪究竟是否测到了地块构造应变活动，还需要进行同场地多探头比对以及如何将分立的各观测点数据统一到一个参考框架与GPS测量资料比对等一系列严格的科学实验程序。

 根据上述分析，“数字地震观测网络工程”中40台分量应变仪在研发过程中并没有按照PBO的设计思路，而是采用了更合理的设计方案。

* 如PBO中分量应变仪4个分量在平面上，CH0、CH1、CH2三路为相互60°交角布置，CH3则与CH1垂直布置，4路应变分量处于不平权状态（见图3）。其自检方程为：3×ch3 + ch1  = 2×ch0 + 2×ch2        （1）

式中ch0、ch1、ch2、ch3 为相应的观测值。

YRY-4分量应变仪采用4个分量压缩在探头中部同一平面布置、平面上均匀对称分布格局。（参见本博客“地层应变观测的科学价值―（四）”中图1）

其自检方程为： ch1 + ch3  = ch2 + ch4          （2）

利用自检方程可以检验各路格值的正确性。在格值偏差不大的情况下还可提供格值校正。（2）式的校正效果会明显优于（1）式。

* 在分析了PBO项目钻孔应变仪安装后都要发生大幅度漂移（可达到10^-5应变！）的情况后，决定发展全新的安装技术。采用新安装技术，仪器安装后的漂移大幅降低。

* 位于完整基岩区的多个台站，差应变的年漂移速率已到10^-8量级。

在年漂移速率降到10^-8量级后，钻孔应变观测逐步具有了检测地层长期构造应变活动的可能。

* 十五期间安装的40台分量应变仪将近5年的实际观测资料初步揭示了地层长期构造应变活动，比GPS测出的大尺度平均应变变化速率具有更复杂而丰富的内容。

在下一篇博文中，将介绍我国“数字地震观测网络工程”分量应变仪记录到的长期应变记录数据。

参考材料：

http://www.earthscope.org/index.php/es_inst

http://www.gtsmtechnologies.com/index_files/faqs.htm

欧阳祖熙，美国PBO计划：钻孔应变仪台网遭遇挑战，国际地震动态，2011,10