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应变地震仪-李四光倡议的探索地震预报利器 (中)

已有 717 次阅读 2022-6-4 22:37 |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

 应变地震仪-李四光倡议的探索地震预报利器

                    (中)

 

3.中美两国在分量钻孔应变仪研发领域中的竞赛

1970年代,中、美两国都在研制分量钻孔应变仪。2003年美国启动“板块边界观测计划”(PBO),要在西海岸布设200个应变观测台。美国人自己研制的三油腔分量应变仪未被选中,澳大利亚Gladwin教授三分量钻孔应变仪入选。图2是Gladwin仪器原理示意图。三个互成120°交角电容传感器测量直径变化。三个传感器测三个独立变量,不具备数据自检功能,对于精密观测仪器在设计上是很大的缺陷。图3是准备下钻孔安装的Gladwin 3分量钻孔应变仪。

图2. Gladwin 三分量钻孔应变仪探头示意图,三个传感器上下布置,探头长2米多。

图3. 准备安装到钻孔中的 Gladwin 三分量钻孔应变仪。

 

我国YRY型分量钻孔应变仪有四个径向测微传感器,相互间交角45°按米字型布置在圆筒形探头中间同一平面上,探头长0.45米。小型化探头便于生产、运输和安装(图4)。

YRY安装前检查

图4. 小型化超宽频带的YRY型4分量钻孔应变仪在台站作下钻孔前测试

 

对于精密观测仪器,最重要的是保证观测到物理量的真实性。YRY仪有四个传感器,按米字型四分量布置,具有数据自检功能。

根据弹性理论,圆孔中任意一组相互垂直的直径长度变化之和等于圆孔的面积变化。

由此,有数据自检方程

S1+S3 = S2+S4 = 面积应变               (1)

由4路观测数据是否满足自检方程(1),就能确定数据反映的是地下真实的应变变化,还是混入干扰已失真。这一功能对于精密观测仪器极其重要。

中美之间在分量钻孔应变仪研制方面的竞赛,我国已跑在了前面―美国人用的是澳大利亚仪器,仪器不具备数据自检功能。Gladwin仪分辨率为10-10,YRY仪为10-11(刘序俨等,对当前四分量钻孔应变观测的审视,地球物理学报,2014,57(10):3332-3346)

YRY仪可记录清晰的应变固体潮、大地震、地方微震震波。图5是上海佘山地震台三天的记录。

图5. 佘山地震台YRY仪2008年3月3-5日三天记录。固体潮清晰,还记录下了菲律滨6.7级地震震波。

 

图6显示,图5中四路数据(S1+S3)与(S2+S4)相关系数k=0.996,数据满足自检方程。

图6. 图5的四路数据作自检,(S1+S3)与(S2+S4)相关系数k=0.996。

 

图7是四川姑咱地震台YRY仪在汶川地震前记录到康定3.5级地方震的应变地震波。

图7. 2008年3月17日,为核实异常携带外接100Hz数采器驱车从鹤壁到姑咱台,记录到康定3.5 级地震的应变地震波。当时,网络工程只有分采样功能。

 

康定 3.5 级地震‘S1+S3’与‘S2+S4’的k = 0.99,表明记录到的是“应变地震波”,不是机械部分受位移震波晃动的反应(位移震波幅度比应变波幅度大4个量级)。(图8)

图8. 康定 3.5 级地震的震波数据满足‘S1+S3’=‘S2+S4’数据自检条件。表明YRY型分量钻孔应变仪已达到“应变地震仪”要求

 

邱泽华研究员根据对康定 3.5 级地震“应变地震波”的分析,写出《非对称线弹性理论》。马瑾院士对书的评价是:“对弹性理论的发展。非常具有启发性、建设性,具有重要理论价值和广泛应用潜力”。陈运泰院士为书作序,称:“再次提供了一个理论与观测结合的范例”。

为什么邱根据记录到的“应变地震波”能够将对称的弹性力学发展成既有对称,也包含非对称成分更全面的弹性力学;根据“摆式地震仪”记录的“位移地震波”就不能呢?

因为,“应变地震仪”记录的“应变地震波”与“摆式地震仪”记录的“位移地震波”属于不同的物理量:前者是二阶张量,后者是一阶张量(向量)。前者包含非对称的旋转,后者不包含非对称成分。

科学史告诉我们,一种新原理观测仪器问世,往往会有出乎意料的重大发现。天文学中的脉冲星(就是中子星),就是射电望远镜问世后发现。

美国PBO项目的Gladwin仪,最高采样率10次/秒,不能记录高频地方微震信号。YRY仪最高采样率10000次/秒,可记录频率千Hz的地声。我国历史地震记载中,多次大地震发生前数小时至数天,有地声发出。地声记录功能,可以提供极为宝贵的临震预报信号。

 

2011年欧洲地球科学年会设置了“钻孔应变观测”分会场。美国PBO项目主管David Mencin邀请地壳应力所邱泽华研究员参会。邱原本建议把自己的报告放在第二,在PBO负责人之后。但是美国的主要召集人,也是PBO钻孔应变观测的负责人,最终确定把邱的报告放在第一。

邱回国后,在科学网博客上说:“这是有象征意义的。这里有几个原因:第一,中国是四分量钻孔应变观测的开拓者;第二,中国有最多的正规的钻孔应变观测台站;第三,中国的四分量钻孔应变观测的设计是最好的;第四,中国的四分量钻孔应变观测的自检结果是领先的;第五,中国的四分量钻孔应变观测分析方法是先进的;第六,中国观测到珍贵的地震前的异常变化。

 

4.十年长周期信号通过自检,表明格值始终一致

十年时间尺度的长周期记录数据满足自检条件,是地震预测的长期观测中必需解决的难题。

图9是甘肃高台台YRY仪连续十年的整点值数据。(S1+S3)与(S2+S4)相关系数k=0.999,说明记录数据格值长期稳定。安装初期快速变化,是钻孔时对井孔地层产生升温或降温干扰,早期会有温度平衡的稳定过程,时间越长越稳定。图10是青海格尔木台连续12年整点值应变数据。图11是四川姑咱台10年连续观测整点值数据。

图9. 甘肃高台台十年钻孔应变观测整点值数据k=0.999,(S2-S4)差应变的年变化为1.4×10-8,与构造应变变化同量级。

 

图10. 青海格尔木台12年应变观测整点值数据k=0.998,两路差应变平均年变化为2×10-8。汶川地震前半年时,差应变发生明显变化,主应力方向指向东南方向。

图11. 四川姑咱台YRY仪从2006年11月1日到2016年12月31日,11年整点值数据K=0.999。

 

地震是缓慢的地质运动引起,要实现地震预报须要对国土广大地区地层的应变活动进行长期、连续监视。各台站长期数据格值稳定、一致,才能从相邻台站数据的比较中找出危险点。十年以上连续数据k值大于0.99,多年观测数据真实、格值一致问题得到解决。

2006年布设的38个YRY仪应变观测台,70%台站仍在工作,台站数据完整率97-99%。

各频段数据的k值都能大于0.99,达到了“应变地震仪”必须能观测地球动力全频带信号的技术要求。

 

5. 发现不同地区应变固体潮汐响应的离散和各向异性

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,各方向潮汐因子值(观测值与理论值之比)接近1,绘出的方向玫瑰图是个圆。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。

38个YRY仪台积累了大量观测数据。解决了观测数据自检、格值一致性,从取得的数据中:“世界上首次发现了应变固体潮汐响应的各向异性现象,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。(引自《中国科学院研究生院计算地球动力学重点实验室》简介)

美、日等国的硐室应变固体潮观测已有60年历史,很早就发现各台实测潮汐因子离散性很大。同一测站不同测向潮汐因子也不相同,但因观测数据无自检功能,观测到的离散性被归因于仪器格值不准而失去了发现潮汐响应各向异性的机会。

   图12是南京高淳台应变固体潮方位响应玫瑰图,图形的长轴与台站附近茅山断裂走向平行。

图12. 南京高淳台实测应变固体潮潮汐因子方位响应玫瑰图。

 

图13是附近断裂分布图,黑三角标出的高淳台位于茅山断裂西北侧。茅山断裂隔断了应变传递通道使垂直于断层方向的应变固体潮幅强烈衰减。

图13. 黑三角是高淳台位置,附近是北东-南西向茅山断裂

 

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,但地壳中断裂密布。固体潮起因于日月对地球质量的引力,地幔是地球质量主要部分。固体潮应变从地幔传递到地表,要穿越地壳中的断裂系统。构造活动强烈地区断裂接触状态出现松或紧的变化,因此出现不同方向潮汐因子值增大或缩小的变化,带来地壳不同方向松紧状态变化的信息,检测灵敏度比依靠GPS或北斗星座的GNSS更高(《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)

山西、华北甚至北京,历史上都发生过8级地震。这里的地震不能用印度、太平洋板块冲撞解释。

通过对潮汐因子玫瑰图的分析,已对北京、邢台、忻州这些地区为什么会发生大地震,有了以科学观测为根据的解释:这些位于拉分盆地的地壳块体,因地层拉分引起块体倾侧、沉降、挤压引发地震。-山西五台山就是地壳块体倾侧,翘起端成为五台山。

对比麻城、昌平、神池台潮汐因子玫瑰图,及其时间变化可见:麻城玫瑰图相对稳定,昌平、神池玫瑰图就不稳定,潮汐因子值出奇地小。

麻城台地处秦岭—大别造山带东段,该区域地震活动性弱。台站西侧约5公里是走向北北东的麻城—团风断裂。图14是麻城台玫瑰图。

   

图14.麻城台潮汐玫瑰图,11年潮汐因子变化幅度不超过5%。图中央昌平和神池台玫瑰图幅度极小,原因是它们处于拉分盆地中,地块间接触状态松弛,固体潮被强烈衰减。

 

玫瑰图形多变的昌平、神池台(图15、图16),它们位于山西断陷和河北平原断陷区,该地区历史上曾多次发生7级甚至8级地震。它们的玫瑰图形状多变不稳定,且潮汐因子值出奇地小。

   

图15.北京昌平潮汐玫瑰图幅度小形状多变不稳定,是地壳活动性强的反映。

   

   

    图16.山西神池台潮汐玫瑰图幅度极小形状多变。北东方向图形的收缩发生在2012-2015年。该台仪器是311大地震后2012年9月3日安装。

 

位于华北的徐州台,日本9级大地震前后玫瑰图发生大幅度变化,潮汐因子变幅超过50% (图17) 。神池、大同等台发生形态相似的后续变化。

   

图17.徐州台潮汐玫瑰图在日本311大地震前后形状的变化。大地震前三个月开始,玫瑰图东北方向潮汐因子快速收缩40%,震后一年9个月又回复到震前的过程,令人惊奇。

 

图形相对稳定的麻城台和不稳定且潮汐因子极小的昌平、神池台形成了明显对比,表明在玫瑰图中隐藏着地壳运动大量信息。根据经验,日本发生大地震,几年后我国华北地区会接着发生大地震。说明东亚地区间地震活动存在关联性,但是不清楚其中的力学机制。

日本9级大地震是东亚地区重大地质事件,2300千米外徐州台潮汐玫瑰图竟能在大震发生前3个月就发生明显变化,震后一年多又回复原先图形。其中的力学机制通过进一步观测,能够搞清楚。




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