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应变地震仪-李四光倡议的探索地震预报利器 (下)

已有 756 次阅读 2022-6-7 16:10 |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

                              (下)

6. 汶川大地震“可识别的、有助于预报的地震前兆”

大地震能不能够预报,取决于大地震发生前究竟有没有发出前兆信号。这些前兆能不能被观测到,观测到了能否及时识别,识别后能不能圈出破坏区范围,确定相对狭小的发震时间范围。如果这些能够做到,且预报的大地震大概率会发生,大地震就有可能被预报。

2007年,38套YRY仪中姑咱台距汶川最近(140千米),其它在280千米外。

姑咱台YRY仪2006年10月28日安装,11月1日出数据。图18是2007年1月1-3日记录,固体潮曲线十分规则,只在时间轴3750位置(S1+S3)和(S2+S4)出现很小的压性台阶(图中箭头指处)。放大图见(图19)。

图18.姑咱台2007年2月1-3日记录。固体潮十分光滑、漂亮,只在时间3750位置面应变(S1+S3)和(S2+S4)出现幅度3×10-9的压性应变小台阶。

图19. 图18中时间轴3750处放大图。两路面应变上出现压性阶跃异常数据段的k=0.999。差应变(S1-S3)和(S2-S4)上无相应变化。只有面应变无差应变的应变信号十分罕见,见到要十分警惕。

 

之后,这种台阶和脉冲越来越多,幅度越来越大。离地震发生只有三个月时的记录就如严重心脏病人的心电图已“惨不忍睹”(图20)。

图20. 姑咱台2008年2月14-18日的应变记录,离地震发生只有三个月。记录上出现大量压性脉冲和压性阶跃,原先光滑的固体潮已变得“惨不忍睹”。

 

2007年2月到2008年2月,异常应变脉冲数量逐步增多,幅度逐渐增大。图21是汶川大震前550天中3766次脉冲或阶跃事件的时间分布图。

   

图21. 汶川地震前550天中,姑咱台应变阶跃与脉冲数的变化。

 

这些异常应变事件在孕震发展过程中,有两项特征:一)早期异常阶跃和脉冲,只有面积变化成分,剪应变(差应变)上没有反应。随着地震临近,剪应变上开始出现与面应变对应的变化,大震越近剪应变成分越大;二)异常段数据k值,从初期的0.999,随地震临近不断降低,临震前k 0.4。非异常数据段k仍为0.99。

图22~图24分别是2007年3月8日、5月3日和2008年3月1日记录。从中可见异常信号剪切应变分量不断增大及k值缩小的过程。

   

图22.姑咱台2007年3月8日数据。压性阶跃只出现在面应变,差应变曲线上没有,K=0.999。自然界找不到其它应变信号,只有面应变没有差应变成分。

图23.姑咱台2007年5月3日数据。压性阶跃出现在面应变,差应变曲线上也出现了小幅度脉冲,K值0.999。

图24.姑咱台2008年3月1日数据。脉冲(慢地震)出现在面应变,差应变上更大。异常应变段k值已降低至0.66,非异常数据段k=0.999。距大震只有2个月。

 

汶川地震前早期异常应变“只有面应变而差应变极不明显”的特征,是因为岩层加载达到临界点,逐渐出现微裂隙,致使体积膨胀。周围岩体在震源体膨胀压缩下产生几乎纯粹的体积压缩变形(牛志仁,构造地震的前兆理论——震源孕育的膨胀—蠕动模式,地球物理学报,1978,Vol.21,No.3,199-212.)

除了电路出现共模干扰,自然界中其它真实的应变信号,没有只出现体积应变不伴随出现剪切应变的!(-电气共模干扰也可能出现纯体积应变假象,但剪应变随事件发展逐步增大特征,可排除此类假象。更好的办法是双份观测对比,PBO项目的台站都是3个台一组。)

随着微裂隙发育相互联通,发生小规模剪切错动,差应变记录上出现同步变化。微裂隙不断增长,剪切应变幅度越来越大,最终大破裂发生。

潘立宙导出的公式体系中,有(S1+S3)=(S2+S4)数据自检方程。潘氏公式理论推导中隐含前提:无穷大弹性薄板是均匀、连续的。大地震发生前,裂隙区域不断扩展、连通,破坏了震源区介质连续性。震源区微破裂发出的慢地震信号必须通过破裂区才能传递到姑咱台应变探头。自洽方程的理论前提遭到破坏,井下应变探头观测到的慢地震应变脉冲数据从自洽转向失洽汶川、鲁甸、康定地震前应变数据由自洽到失洽的转变与地震成核[J].国际地震动态,2014,(12):3-13.

固体潮信号、大渡河水位变化引起的应变,无须通过地震震源区,这两种信号的k值始终为0.99。

正如滕吉文院士所述:“震源体在力源作用下开始‘微破裂’,逐渐发展并形成具有一定规模的‘破裂链’… 冲出地表发生地震”。“在地表和深井中进行破裂效应的观测,以捕捉初始微破裂和其形成的‘破裂链’的动力过程,对于短临地震预测可能是一个十分重要的途径”强烈地震震源破裂和深层过程与地震短临预测探索.地球物理学报,2009,52(2):428~443)

与大战发生前战场特别平静相似,汶川地震发生前的2007年11月21-25日,长达5天没有一次异常应变事件,固体潮曲线显得特别漂亮、规则。这与岩石加载接近峰值强度时,出现声发射平静期的现象相似。

汶川大地震前平均每天 6.8 次阶跃或脉冲事件。到 2007 年 10 月,事件数增加到每天 11 次。如果这些事件在时间上是随机分布的,5 天中一个事件也不出现的慨率极小,连续五天没有一次事件、这种概率上几乎不可能平静状况的出现,提醒我们,大地震将要发生汶川地震和芦山地震的有助于预报的地震前兆[J].地球科学前沿, 2017.。图25是姑咱台2007年11月21-25日,光滑、规则的固体潮曲线。五天中没有出现一个异常脉冲。

   

图25. 姑咱台2007年11月21-25日应变数据,固体潮规则、光滑。两路面应变相关系数k=0.996。五日中没有出现一次异常事件。

 

姑咱台从2012年9月开始又出现大量压性脉冲信号,到13年4月20日芦山地震爆发的444天中共发生慢地震1066起。2013年2月10-14日,再次出现5天没有一次异常应变事件,固体潮曲线清晰、规则的情况。重演了汶川地震时异常信号变化过程,只是规模小些。

 

“是否存在有助于预报的地震前兆”是Science杂志列出最具挑战性科学问题之一。马瑾院士用岩石破裂实验,不仅回答:“存在前兆”;而且指出如何根据前兆信号特征演变,判断大震孕育何时进入不可逆的“亚失稳状态”,标志地震发生已不可避免

说姑咱台,记录下了汶川、芦山两次大震发出的应变前兆信号,根据是:1.有正常背景;2.非干扰影响;3.与地震相关:震前增强;震时最大;震后减弱邱泽华,张宝红,唐磊,.汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化.中国科学:地球科学,2010,40 (8): 1031-1039.)(刘 琦,张 晶.S变换在汶川地震前后应变变化分析中的应用.大地测量与地球动力学, 2011,31(4),6-9.)(刘琦,张晶等.2013年芦山Ms7.0地震前后姑咱台四分量钻孔应变时频特征分析.地震学报,214,365):770-779.

 

2011年,有文章认为,汶川大地震前没有发现应变前兆。(汶川8.0地震前四川地区前兆异常及其统计分析. 地震学报 , 2011.33 (3) : 304-318.)。原来文章中,分析人员是用日均值分析观测数据。对于持续时间在数十分钟至2小时的“慢地震”, 用日均值分析异常前兆自然就看不到了!


汶川地震发生后,北京化工大学学术委员会主任、全国政协常委金日光教授,向中国地震局要来各种前兆观测数据,用他创建的“群子统计力学”进行分析,认为YRY仪效果最好。


2010年4月14日,玉树地震发生。金先生直接上书国务院,建议在全国“构建300台中试规模的钻孔应变观测网络”,国务院领导高度重视。2010年5月20日,“构建钻孔应力应变前兆观测网络建议论证会”在中国地震局“国务院抗震救灾指挥大厅”召开。参会的有中国地震局、科技部、国土资源部、中国科学院、中国工程院五部委领导和12位院士。经过讨论,一致同意金教授建议,“鉴于目前我国严峻的地震形势和国家经济社会发展迫切需求,建议相关单位尽快组织项目建议书的编制与申报工作,尽早启动实施我国应力应变网观测建设。”


 

7.应变地震仪的进一步发展

目前,我国地震预测主要的观测系统有两个:1.由1107个“摆式地震仪”测震台组成的地震观测台网;2.由260个GNSS基准站和3000多个GNSS流动站组成的大地形变观测GNSS台网。其它,如重力、电磁、水位等测项,分布密度低属辅助测项。

测震观测台网已具有相当高分布密度,但摆式地震仪在极低和极高频存在观测盲区,记录不到慢地震和临震地声。汶川大地震发生前数以千计的慢地震,只有汶川东面70km郫县台的JCZ-1型甚宽频带地震仪,到5月11日才记录到和YRY仪同日三个慢地震对应的稍明显的波动。测震台网这一缺陷,可通过台上同时布置“应变地震仪”解决。

GNSS网地面测站,大多建造在测震台上。若测震台上有钻孔应变,由GNSS测得测站位移解算的地块应变,就能同台上由钻孔实地测得的应变比对。

台上由应变仪实测的应变固体潮数据,和理论固体潮比较得到潮汐玫瑰图的变化,反映地块受拉伸或压缩的状态,又可与GNSS观测比对。日、月给地球施加引潮力造成固体潮应变,日月成为这一监测手段无须维护的“星座”。

日月与地面应变站组成又一个“地、空一体监测系统”。

测震和GNSS系统都成为了“地、空一体监测系统”,且两个系统之间相互有联系,两个系统的功能都得到进一步加强。

 

    目前的“应变地震仪”只记录水平地层中平面应变三分量,就像摆式地震仪只记录了地面震动一个分量。三维的应变地震仪已经有设计方案。若投入运行,记录到完整的“应变地震波”数据,对地震震源机制的研究会起到重要推动作用。

 

                                池顺良  2022-05-04

 



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