找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

扫一扫,访问微社区

查看: 681|回复: 3
收起左侧

[科教] 应变观测数据自洽与失洽的辩证法

[复制链接]

1153

主题

153

精华

3405

积分

神级会员

Rank: 7Rank: 7Rank: 7

积分
3405
发表于 1-2-2017 12:11 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

亲!马上注册或者登录会查看更多内容!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x

我国钻孔应变观测所用的四分量钻孔应变仪,采用四路径向测微传感器,相邻两路间交角45°,平面上呈米字型布置。美国PBO项目(板块边界监测计划)采用的Gladwin分量钻孔应变仪开始只有三个分量,相邻两路间交角为60°,之后又在1路与2路的角平分线上增设了第4路。

力学家潘立宙用带孔弹性平板模型推导了在区域应力作用下,圆钻孔径向位移的弹性理论模型。其中的一个结论是:任何两组互相垂直方向孔径相对变化测值之和都等于面积应变变化,于是有:

S1+S3 = S2+S4 (1)利用4个分量测值满足(1)式的自洽条件对数据进行自检,成为检查钻孔应变仪观测数据可靠性的重要手段。

自洽方程S1+S3=S2+S4牵涉到4个精密测微传感器的输出。要求4组数据满足自洽方程,要解决传感器格值的准确性和稳定性、探头与岩孔良好耦合等一系列问题。在2000年前,相关系数k少有超过0.8的,多年长期观测数据的k值更低。

经过30年的长期试验、改进,十五期间建设的“数字地震观测网络工程”YRY-4型四分量钻孔应变观测分项有38个观测台,已积累了9年多观测数据。其中大部分台站表征观测数据自洽性的k值超过了0.99,我国的YRY-4分量钻孔应变观测仪器已达到科学观测对仪器的基本要求。图1是上海佘山地震台的八年半观测数据,S1+S3与S2+S4的相关系数达到0.999。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图1.上海佘山地震台四分量钻孔应变仪S1+S3 与 S2+S4数据的相关系数k=0.999。

大地震发生是小概率事件。地震前兆观测仪器的故障概率往往大于大地震发生概率。四分量钻孔应变数据具有的数据自检功能使这类仪器在判别异常与故障时比没有自检功能的前兆仪器有更多的判别依据。

如果某个台站钻孔应变仪器的k值多年来一直>0.99,k出现变化是异常还是仪器故障?

38个台九年多观测积累的经验告诉我们:第一,正常工作的仪器k值出现变化是很罕见的现象;第二,k值出现变化有两种可能,一是仪器工作出现故障,如某路传感器工作超出线性区,未及时注意调整出现的k值变化(只要检查信号电压值就能判别);二是与附近地震活动加强有关。

出现K值逐渐偏离0.99,同时四路应变的固体潮和地震波照常显现,就要考虑周围断裂活动和地震活动的可能。

原来,在潘立宙的理论推导中隐含了一个前提:无穷大弹性薄板是均匀、连续的。均匀、连续假定是实际地层状况的近似。

我国分量钻孔应变前兆台网建成后,一批YRY-4台站多年观测的数据表明,无论是几天的短期数据还是多年的长期数据,k值都能超过0.99,说明均匀、连续性假定是足够精确的。

但正在孕育强震的地区却不会始终满足“均匀、连续”假定。强震孕育必定在“出现裂隙,并且裂隙系统在不断扩展”的区域中发生。

潘立宙模型是只适用于无大地震孕育、地震不活动地区的力学模型。大地震预测预报还需要“出现裂隙、并且裂隙系统在不断扩展”的“带孔平板模型”,才能为用四分量钻孔应变数据预测预报强震提供理论支持。遗憾的是,潘立宙理论推导完成后,已过去四十多年,带有裂隙模型的工作仍未出现。

潘立宙的“无限大、均匀、无裂隙模型”只有一种,而“出现裂隙、并且裂隙系统在不断扩展”的模型可以有无数种。也许这是这方面工作难以作出的一个原因吧。


本人没有作这方面工作的能力,曾委托某有限元公司就最简单的裂隙模型作了计算,结果证明出现裂隙前k=0.99,裂隙出现后k=0.96。图2~图13是有关的计算结果。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图2.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图3.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图4.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图5.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图6.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图7.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图8.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图9.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图10.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图11.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图12.

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图13.

有限元数值模拟中,带圆孔有限元平板模型数据的k值达到0.99,设置裂隙后k值降到0.96;说明应变探头安装的地层附近出现裂隙或原先不活动的断层开始活动,会造成应变观测数据出现失洽现象。

在38个台近十年观测实践中,记录到4次数据失洽实例,其中前2次显示了数据失洽与后续发生的地震明显相关;后2次数据失洽已发生,后续会发生什么尚待观测。

1) 汶川大地震前,距离汶川最近的姑咱地震台分量钻孔应变仪在震前550多天中记录到3600多次压性脉冲和压性阶跃。这种持续时间长约十余分钟,叠加在固体潮背景上的应变脉冲和阶跃是摆式地震仪难以观测到的“慢地震”活动现象。脉冲和阶跃的幅度大致是应变固体潮幅度的10%~60%。初期,从固体潮背景上分离出的脉冲数据的k值在0.998~0.999,随着大地震临近,k值不断下降,临震前k值降低到0.4,但固体潮数据的自洽性始终没有降低,临震前的2008年5月4日,离强震发生还有8天,是固体潮上没有出现脉冲、阶跃异常应变罕见的一天,S1+S3与S2+S4固体潮曲线的相关系数k达到0.99978(图14)。大震发生4年后脉冲逐渐消逝。[1]

为什么异常应变脉冲数据的自洽性随着汶川地震临近逐渐失洽,而固体潮应变数据的自洽性始终不变呢?

固体潮应变是日月对地球质量引潮力引起,地幔是地球质量主要部分,地壳质量贡献很小,在地表钻孔中观测到的固体潮应变主要来自地幔应变向上传递,经过大地震孕震裂隙生长区传递到测站的比例很小。而异常脉冲应变来自大地震孕震裂隙扩展区,汶川地震成核过程中伴随大量断层蠕动、静地震与慢地震活动的应变扰动要传递到姑咱台,必须通过微裂隙不断扩展的介质连续性遭到破坏的区域,数据失洽越来越严重。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图14. 2008年5月4日两路面应变数据曲线,未出现脉冲、阶跃应变异常,k值达0.99978

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图15. 姑咱地震台2006年11月1日至2014年8月31日的整点值数据,k值达到0.9996。大渡河水位引起的年变是幅度最大的变化。固体潮和异常脉冲要在此图放大两次后才能看到。因幅度很小,异常脉冲数据失洽不影响长期整点值数据自洽。图17是图中放大框的局部放大图。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图16. 姑咱地震台距大渡河岸约400米,水位变化对岸壁压力引起应变变化的k值为0.9979。图18是对一段记录再次放大后显现的固体潮及异常应变阶跃图形。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图17. 再次放大后显现的固体潮及异常应变阶跃图形。

可以设计出一个有限元数值模型,包含有主要来自地壳下方传来的固体潮应变及来自汶川震源区因裂隙扩展发出的应变脉冲源。计算圆孔中四分量径向位移数据中的固体潮应变与异常脉冲应变数据的k值,应该会有随着裂隙扩展,异常脉冲应变数据的k值在降低,而固体潮应变的k值、因水位变化的年变化总是自洽的结果。当然,这样的有限元计算需用三维模型。

2) 2014年8月3日,云南鲁甸发生6.5级地震。昭通台距震中34km,震前也出现了应变数据从自洽到失洽、震后恢复自洽的现象。图18是昭通台2007年12月1日至2014年12月31日的分量应变观测数据。图19是昭通台和鲁甸6.5级地震及2年前发生的彝良5.7、5.6级双震及该地区主要断裂位置分布图。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图18. 云南鲁甸发生6.5级地震前、后,昭通台应变数据从自洽到失洽、震后恢复自洽的现象

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图19. 昭通台及鲁甸6.5级、彝良5.7、5.6级双震及该地区主要断裂位置分布图

2014年8月3日鲁甸发生6.5级地震,两年前昭通台两路面应变1+3与2+4出现分叉,k值从0.997下降到0.24。昭通台数据出现不自洽,但固体潮与地震波仍记录清晰,究竟是异常现象还是仪器问题一直难以判断,直到鲁甸发生6.5级地震后,两路面应变又重合k值恢复到0.999,对仪器故障的怀疑才消除。

为何鲁甸地震前昭通台数据失洽,鲁甸地震后为何又恢复自洽?

答案应该同该地区断裂构造和断裂活动方式有关,但问题的解答需要了解更细致的关于该地区地质断裂构造、区域应力场作用分布等方面更清楚的认识。

可以确定的是,鲁甸6.5地震前昭通台出现数据失洽现象与6.5级地震的孕育和发生有关。

3) 海原台位于祁连活动地块外缘边界带,褶皱和断裂变形强烈,其中尤以山盆交界构造-北西西向海原活动断裂带规模最大。台站周围人烟稀少,无明显干扰源。应变仪探头安装于灰岩地层36.5米钻孔底部。应变仪自安装运行以来,资料稳定,数据完整率99.5%。图20是该台2007年9月17日至2016年4月30日的整点值观测数据。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图20.宁夏海原台2007年9月17日至2016年4月30日的整点值观测数据。


海原台观测数据两路面应变从2013年12月6日开始出现分叉。检查仪器工作状态,4路应变都在线性区。数据失洽段k值降到-0.9669,四个月后恢复自洽。在数据失洽时段,固体潮与地震波仍显示清晰。将失洽归于仪器故障缺乏根据。根据汶川和鲁甸震例,海原台数据失洽也有可能由台站所处地域地层出现连续性受破坏事件的影响而发生。这对于曾发生8级大地震的海原地区这种可能是不应排除的。必须加强观测,记录下变化过程,以积累更多经验。

果然,一年后的2014年12月14日开始,海原台原先光滑的固体潮记录曲线上突然出现大量“毛刺”(图21-23)。这种现象从来未出现过,台站人员先是关机检查仪器,没有发现问题,但脉冲和毛刺似乎越来越多,更换数采器,情况依旧。之后,毛刺一直不断,一直持续到2016年底仍未完全消失(图24-25)。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图21.宁夏海原台从2014年12月14日开始固体潮曲线上开始出现大量应变脉冲

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片


图22.上图21中放大框1中图形的放大。12月14日之前的固体潮曲线光滑无毛刺。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图23.图21放大框2中图形的放大。12月14日之后的固体潮曲线上叠加大量应变脉冲

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图24. 到2016年2月,海原台固体潮曲线上仍有大量“毛刺”形状的应变脉冲。

点击图片看原样大小图片

点击图片看原样大小图片

图25. 到2016年10月,海原台固体潮曲线的“毛刺”逐渐消失。由此证实,仪器并没有损坏。

根据地震学近年的观测和发现,这种时间周期在数十至数百秒,持续出现的应变脉冲属于一种“振颤”现象,通常在断层两盘间相互缓慢错动时发生,因其时间常数大,较少被摆式地震仪记录到。持续发生三年的“振颤”现象我们是第一次观测到,2015年4月,又在另一个台-腾冲台发现记录到“振颤”现象,至今振颤的幅度还在增大,腾冲台的“振颤”频率更高一些,台站同海原台一样也位于地震活跃地区。

海原台从2013年12月6日两路面应变分叉数据失洽开始,2014年12月14日固体潮曲线上出现应变“毛刺”,并一直持续了近三年时间,最近毛刺逐渐消散。这说明了什么呢?

一种有一定根据的解释是:海原台近旁的断裂系统在开始活动。我们仍不清楚之后会发生什么,加强对这个区域的监测,会更多了解我们的敌手-有关地震的情报。

4) 最近,华北北部地区某台站出现两路面应变分叉的数据失洽现象。检查仪器没有发现问题,固体潮和地震记录正常。到底是仪器有问题,还是这里的地层连续性出现问题了?

鉴于以上例子,在怀疑仪器有问题同时,要警惕是地层活动性增强的可能,加强对这个区域的监测。观测到更多能相互验证的资料,进一步搞清这些现象的原因并根据更多的资料作出安排。一定要保证现有仪器正常工作,时刻关注观测数据变化和发展。

参考文献:池顺良、张晶、池毅,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.

0

主题

0

精华

1

积分

新米人

Rank: 1

积分
1
发表于 1-2-2017 01:05 AM | 显示全部楼层
楼主夏绿蒂帖子好赞~~~
回复 支持 反对

使用道具 举报

0

主题

0

精华

0

积分

新米人

Rank: 1

积分
0
发表于 1-2-2017 12:43 PM 来自美国米群网手机版 | 显示全部楼层
感谢夏绿蒂分享~~~
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

快速回复 返回顶部 返回列表