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小中见大--看应变固体潮汐强各向异性响应现象的发现 精选

已有 9349 次阅读 2013-8-29 14:28 |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| 应变固体潮, 各向异性, YRY-4钻孔应变仪

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[1]

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1.151.17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40YRY-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0.2790.5840.8230.265,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。[2]

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”。[2]

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23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:

[1]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,20062

[2]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[J],地球物理学进展,2007,22(6):1746~1753.

[3]中国科学院计算地球动力学实验室简介(2009-2010),11页。

 

 




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