美國PBO計劃:鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)遭遇挑戰(zhàn)＊

歐陽祖熙

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085)

美國PBO計劃:鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)遭遇挑戰(zhàn)＊

歐陽祖熙

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085)

PBO(Plate Boundary Observatory)計劃專門設(shè)計了一批鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng),在數(shù)百米距離內(nèi),安裝2～3臺儀器,以研究鉆孔應(yīng)變儀如何響應(yīng)構(gòu)造活動的信號,以及局部因素會造成何種干擾。本文收集了6個這樣的臺網(wǎng)的資料,給出了所有儀器數(shù)年的記錄曲線,并對觀測結(jié)果顯示的地殼應(yīng)變場做了簡要的分析對比,發(fā)現(xiàn)6個試驗臺網(wǎng)記錄的大量所謂應(yīng)變積累的信號可能不是統(tǒng)一的地殼構(gòu)造活動,基本上是局部因素變動造成的干擾。對PBO臺網(wǎng)試驗揭示的問題進行了初步討論,并對我國鉆孔應(yīng)變觀測工作的現(xiàn)狀與發(fā)展提出了幾點建議。

鉆孔應(yīng)變儀;PBO計劃;對比觀測;構(gòu)造應(yīng)力場

引言

美國于2003年啟動的EarthScope科學(xué)工程旨在應(yīng)用現(xiàn)代觀測、分析及通訊技術(shù)來研究北美大陸的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化,以及控制地震與火山活動的物理過程。Earth-Scope運用了地震學(xué)、大地測量學(xué)與遙感等多學(xué)科新的觀測技術(shù),并以高速、高性能的計算技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)把它們連接起來,形成的新系統(tǒng)將為學(xué)術(shù)界提供廣泛的機會,對人類賴以生存的地球開展深入的綜合研究。為實現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo),需要以新的思路布設(shè)大量的地球物理儀器,以前所未有的精度,對迄今知之甚少的關(guān)鍵性的地震、火山與活動構(gòu)造以及相關(guān)的地球動力學(xué)過程開展觀測研究。這種觀測將容許人們把地球內(nèi)部發(fā)生的過程與其表面地質(zhì)構(gòu)造的形成演化,包括斷層與火山活動聯(lián)系起來。這些過程擁有的巨大的空間與時間尺度決定了要針對不同的研究目標(biāo),使用按不同尺度布設(shè)的各種相應(yīng)的觀測系統(tǒng)。

EarthScope科學(xué)工程由USArray,SAFOD,PBO與InSAR等4個研究計劃構(gòu)成[1]。EarthScope的地震學(xué)部分,即USA rray(United States Seismic Array),由移動的與固定的密集地震臺網(wǎng)組成,含3個互相關(guān)聯(lián)的單元。USA rray的核心是由400臺寬頻帶地震儀構(gòu)成的一個可移動的遙測臺網(wǎng),能夠以70 km臺距組成1400 km孔徑的臺陣,提供實時地震數(shù)據(jù)。SAFOD(San Andreas Fault Observatory at Depth)是EarthScope的地下觀測項目,觀測井鉆到地下4 km深處,直接進入圣安德烈斯斷層帶,接近1966年加利福尼亞州帕克菲爾德M 6級地震震源處,并開展地震及相關(guān)地球物理觀測。InSAR(Interferometric Synthetic ApertureRadar則是專門用于科學(xué)觀測的衛(wèi)星系統(tǒng),可對北美和太平洋板塊區(qū)域提供密集的空間(30～100m)與時間(8天)掃描,以測量它們的相對運動及由此導(dǎo)致周圍地區(qū)產(chǎn)生的變形。

其中,EarthScope的大地測量學(xué)部分,即PBO,是一個研究北美大陸西部板塊變形導(dǎo)致的三維應(yīng)變場的高精度地殼變形觀測網(wǎng)。PBO包括3個基本單元,首先是對整個板塊邊界區(qū)域大尺度、長周期變形的總體特征進行觀測的骨干網(wǎng),由100臺連續(xù)記錄的GPS接收機組成。該臺網(wǎng)展布在從美國西部到阿拉斯加南部的廣大邊界地帶,臺距約為200 km,必要時可將骨干網(wǎng)獲得的數(shù)據(jù)與InSAR數(shù)據(jù)結(jié)合起來,以確定應(yīng)變場的分區(qū)特性。第二個單元分布在活動構(gòu)造地區(qū),如沿圣安德烈斯斷層與火山活動的地區(qū)。對這些區(qū)域的觀測需要更好的空間與時間分辨能力,故集成了密集部署的GPS接收機與鉆孔應(yīng)變儀,臺距在5～10 km。大約775個GPS臺站、175臺鉆孔應(yīng)變儀與5臺激光應(yīng)變儀將用來監(jiān)測最活躍的美國西部與阿拉斯加南部的構(gòu)造帶。第三個單元,即100臺流動GPS接收機,則是用于對連續(xù)工作GPS臺站未及充分覆蓋的地區(qū)進行短期加密觀測,一方面可在尚未實施監(jiān)測的地區(qū)開展必要的觀測,此外,還可提供快速響應(yīng)能力,以監(jiān)測緊隨地震與火山噴發(fā)后產(chǎn)生的應(yīng)變階現(xiàn)象[2]。

在美國國家科學(xué)基金會(NSF)、地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、國家航空航天局(NASA)與能源部(DOE)數(shù)十年的有力支持下,美國地球科學(xué)界已經(jīng)建立起聯(lián)系密切的、基于學(xué)術(shù)機構(gòu)的管理組織和技術(shù)支撐系統(tǒng)。Earth-Scope的實施要求地球科學(xué)各分支學(xué)科的科學(xué)家通力合作,強調(diào)進行高分辨率觀測,統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),對地殼構(gòu)造及其變形速率的全面覆蓋,并在對區(qū)域地質(zhì)全面認識的基礎(chǔ)上整合前述4個方面觀測研究獲得的數(shù)據(jù),特別適合對圣安德烈斯斷層系統(tǒng)、新馬德里地震帶與卡斯卡迪亞等地球科學(xué)天然實驗場開展綜合研究。EarthScope的研究目標(biāo)源于不斷變動的地球的觀點,包括活動斷層系統(tǒng)、巖漿活動系統(tǒng)、造山運動以及地幔對流系統(tǒng)等。今天,僅對這些現(xiàn)象及其產(chǎn)生的結(jié)果開展觀測已不能滿足社會發(fā)展與科學(xué)技術(shù)進步的需要,我們必須了解過程的本質(zhì),以便預(yù)測它們的行為。

本文主要討論的問題涉及PBO計劃,該計劃包含廣泛分布的大地測量骨干網(wǎng),以及專門觀測特定的地震和巖漿噴發(fā)過程的局部密集監(jiān)測網(wǎng)(cluster arrays)。我們將重點關(guān)注在一些地點以組團的方式安裝的鉆孔應(yīng)變儀,即在約100m的距離安裝2～3臺儀器構(gòu)成的小臺網(wǎng)。這項試驗使得科學(xué)家能夠深入研究鉆孔應(yīng)變儀是如何響應(yīng)地球物理信號的,辨別哪些是構(gòu)造活動的信號,哪些是局部因素變動造成的干擾。作者一直在關(guān)注其中的6個鉆孔應(yīng)變儀小臺網(wǎng),收集它們近幾年產(chǎn)出的數(shù)據(jù)。本文將首先介紹這些臺網(wǎng)的觀測曲線,簡要分析其反映的地層應(yīng)變狀態(tài)變化特點并進行多臺比較,最后對已有的觀測結(jié)果揭示出的一些問題做初步的討論。

1 儀器

PBO計劃安裝的儀器是格拉德溫三分量鉆孔應(yīng)變儀(Gladw in 3-component strainmeter),該儀器使用差動式電容位移傳感器測量鉆孔的徑向變形,由澳大利亞GTSM科技公司制造[3],其基本技術(shù)參數(shù)見表1。3個傳感器相互以120°角分布,以測量鉆孔3個不同方向的徑向線應(yīng)變,綜合分析測量數(shù)據(jù),可以解算獲得面應(yīng)變及兩個剪切應(yīng)變。為了隔離各種人為的和環(huán)境因素造成的干擾變化,儀器安裝的目標(biāo)深度為200m,測量儀器用水泥固結(jié)在井底,整個鉆孔再用水泥填充至井口大約50m處,供以后安裝其他儀器。多數(shù)鉆孔安裝有應(yīng)變儀和地震計,一些站點還安裝了加速度計,或者孔隙壓力計。各個觀測站地表均有氣象數(shù)據(jù)采集裝置。

表1 PBO鉆孔應(yīng)變儀基本參數(shù)

通常,儀器工作在設(shè)定比率變壓器檔位,電橋偏離平衡狀態(tài)情況下,不平衡信號的大小反映了鉆孔應(yīng)變的變化,此時,測量系統(tǒng)的固有帶寬可達2 k Hz。如果應(yīng)變變化超過了基本動態(tài)范圍,系統(tǒng)需要調(diào)整比率變壓器電橋使之達到新的平衡狀態(tài),其一次設(shè)定時間約需200m s,系統(tǒng)的帶寬會降低,整個調(diào)整過程將詳細記錄在數(shù)據(jù)文件中。

2 主要觀測結(jié)果

作者從UNAVCO的網(wǎng)站上收集了6個以組團方式安裝的PBO鉆孔應(yīng)變儀小臺網(wǎng)的數(shù)據(jù),包括臺站建設(shè)信息與以曲線形式給出的觀測數(shù)據(jù)[4]。本節(jié)將給出各組團每臺儀器獲得的觀測結(jié)果,并對鉆孔應(yīng)變儀反映的地層受力變形特點進行相互對比并做簡要的分析。

觀測數(shù)據(jù)的表示基本依據(jù)PBO的約定:

(1)安裝深度是指從鉆孔套管頂端到鉆孔應(yīng)變儀底部的長度。

(2)各個應(yīng)變傳感器的方位系指從北順時針計算的度數(shù)。

(3)各應(yīng)變傳感器讀數(shù)單位:0.1 nε。

(4)縱坐標(biāo)向上表示張應(yīng)變。

(5)4個分量應(yīng)變測值的時間序列曲線均從下井后一周開始取值。

2.1 B082、B089臺網(wǎng)

該小臺網(wǎng)位于Anza California區(qū)靠近南北走向的加納山谷(Garner Valley),含B082與B089兩個臺站,它們相距約幾百米(圖1)。B082井深796 ft(242.6m),2006年6月10日安裝;B089井深437 ft(132.8m),2006年8月28日安裝。巖性均為高度褶皺變形的片麻巖。

圖1 B082、B089臺網(wǎng)地圖

B082臺各個元件的方位角分別為:CH0=324.8°,CH1=264.8°,CH2=204.8°,CH3=174.8°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用明顯,作用方向為近南北向。約半年后,變形速率穩(wěn)定,逐漸趨緩,顯示有近南北向持續(xù)性強烈擠壓作用。除近東西向的CH1傳感器記錄噪聲較大以外,其他3個應(yīng)變元件記錄穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍信號(見圖2a)。

B089臺各個元件的方位角分別為:CH0=291°,CH1=231°,CH2=171°,CH3=141°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用明顯,作用方向為北北東向。之后,變形速率穩(wěn)定趨緩,顯示有北北東向持續(xù)性強烈擠壓作用。2007年10月,變形速率發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,變?yōu)檩^平穩(wěn)。4個應(yīng)變傳感器記錄噪聲均較大,但在2007年12月至2008年5月間曾同步記錄到一次應(yīng)變階躍信號。

圖2 B082(a)和B089(b)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)

從以上對B082、B089臺網(wǎng)近4年數(shù)據(jù)的分析比較(圖2),可以發(fā)現(xiàn)這兩個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要異、同之處:

(1)B082臺顯示有近南北向持續(xù)性強烈擠壓作用;B089臺也顯示2007年10月之前應(yīng)變儀受到北北東向持續(xù)性強烈擠壓作用。兩個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場活動基本相似。

(2)B089臺于2007年10月變形速率發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,變?yōu)檩^平穩(wěn);地殼應(yīng)力場的這一變化在B082臺沒有反映。

(3)B089臺4個應(yīng)變傳感器在2007年12月至2008年5月間曾同步記錄到一次應(yīng)變階躍信號,B082臺CH1與CH2號元件有同步記錄,但反映的作用方向有差異。

2.2 B005、B006、B007臺網(wǎng)

該臺網(wǎng)位于奧林匹克半島(Olympic Peninsula),含3個站(見圖3)。B005臺井深529 ft(161.2m),2005年7月19日安裝;B006臺井深514 ft(156.7m),2005年7月28日安裝;B007臺井深459 ft(140.03m),2005年7月23日安裝。3個鉆孔相距幾百米。

圖3 B005、B006、B007臺網(wǎng)地圖

B005臺各個元件的方位角分別為:CH0=319.7°,CH1=259.7°,CH2=199.7°,CH3=169.7°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用明顯,作用方向為近南北向。約一年后,變形速率有所減緩,但仍顯示有持續(xù)性北北西向擠壓作用,趨勢穩(wěn)定。CH 1與CH3傳感器大約在每年的12月份均記錄到同步的應(yīng)變階躍信號,因為這兩個元件互相垂直,故CH1的張性變化和CH3的壓性變化有力學(xué)上的關(guān)聯(lián)。

B006臺元件方位未能確定。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用不明顯。數(shù)月后,儀器變形趨勢平緩,有明顯的年周期變化,且各方向元件基本同步,顯示出受到一種圍壓作用。記錄曲線不平滑,外界干擾比較明顯。

B007臺各元件方位角為:CH0=193°,CH1=133°,CH2=73°,CH3=43°。下井安裝約半年后,變形速率基本穩(wěn)定,測量結(jié)果顯示北東向擠壓變形。北西向CH1傳感器于2006年7月記錄到壓性應(yīng)變階信號;北東東向CH2傳感器在2006年9月至2007年3月間記錄到張性應(yīng)變階信號;而北東向的CH3傳感器于2006年10月后記錄到幾次應(yīng)變階信號,它們與前述的現(xiàn)象似無明顯關(guān)聯(lián)。

從以上對B005、B006、B007臺網(wǎng)近5年數(shù)據(jù)的分析比較(如圖4所示),可以發(fā)現(xiàn)這3個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B005臺顯示持續(xù)性北北西向擠壓作用;B006臺卻顯示儀器受到一種類似圍壓的作用;而B 007臺在變形速率基本穩(wěn)定后,測量結(jié)果卻顯示北東向擠壓變形。

圖4 B005(a)、B006(b)和B007(c)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)

(2)B005臺CH1與CH3傳感器大約在每年的12月份均記錄到同步的應(yīng)變階躍信號;其他兩個應(yīng)變傳感器變形速率基本穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍記錄;而B007臺CH1、CH2和CH3等傳感器于2006年、2007年分別記錄到數(shù)次不同步的大幅度階躍變化,兩個臺站之間記錄的信號似乎無明顯關(guān)聯(lián)。B006臺4個應(yīng)變傳感器未見應(yīng)變階躍記錄。

(3)B006臺4個應(yīng)變傳感器記錄年周期變化十分明顯,且記錄曲線不平滑,外界干擾較大,與另外兩個臺站迥然不同。

2.3 B009、B010、B011臺網(wǎng)

該臺網(wǎng)位于加拿大境內(nèi)的溫哥華島上(Vancouver Island)。這個小臺網(wǎng)由3個鉆孔應(yīng)變儀臺站構(gòu)成,其中B009井深739 ft(225.25m),2005年9月14日安裝;B010井深653 ft(199m),2005年9月26日安裝;B011井深739 ft(225.3m),2005年9月13日安裝。3個鉆孔相距在100m之內(nèi)。該臺網(wǎng)與B005、B006、B007臺網(wǎng)同處于一個研究區(qū),其地理位置參見圖3。

B009臺各元件方位角為:CH0=271.4°,CH1=211.4°,CH2=151.4°,CH3=121.4°。下井安裝初始階段,水泥硬化固結(jié)過程基本正常。約半年后,測量顯示存在持續(xù)性北西向擠壓作用,變形速率基本穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍記錄,CH1、CH2與CH3有年周期變化顯示。

B010臺各元件方位角為:CH0=267.8°,CH1=207.8°,CH2=147.8°,CH3=117.8°。下井安裝初始階段,水泥硬化固結(jié)過程壓縮效果不明顯。約一年后,測量結(jié)果顯示持續(xù)性北西向大幅度受張,并于2009年3月、2010年4月等時段,CH2和CH3等傳感器分別記錄到不同步的大幅度張性階躍變化。CH0傳感器有年周期變化顯示。

B011臺元件方位未能確定。下井安裝初始階段,水泥硬化固結(jié)過程正常。約一年后,測量結(jié)果顯示CH2傳感器持續(xù)性受壓,變形速率穩(wěn)定趨緩,未見應(yīng)變階躍變化記錄,4個應(yīng)變測量元件年周期變化較明顯。

從以上對B009、B010、B011臺網(wǎng)近5年數(shù)據(jù)的分析比較(圖5),可以發(fā)現(xiàn)這3個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B009臺顯示持續(xù)性北西向擠壓作用;而B010臺卻顯示持續(xù)性北西向大幅度張性變形;B011臺CH2傳感器觀測到持續(xù)性擠壓作用,但遺憾的是不知道它的方位角,無法做進一步判斷。

圖5 B009(a)、B010(b)和B011(c)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)

(2)B009臺4個應(yīng)變傳感器變形速率基本穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍記錄;而B010臺CH2和CH3等傳感器于2009年3月、2010年4月等時段分別記錄到不同步大幅度張性階躍變化;B011臺4個應(yīng)變傳感器變形速率穩(wěn)定趨緩,未見應(yīng)變階躍變化記錄。

(3)B011臺4個應(yīng)變傳感器記錄年周期變化最為明顯;B009臺次之;而B010臺僅CH0傳感器有微弱顯示。

2.4 B013、B943臺網(wǎng)

B013、B943臺網(wǎng)安裝在阿伯丁市(Aberdeen)以北,含兩臺鉆孔應(yīng)變儀。其中:B013井深554 ft(168.4m),2007年1月5日安裝;B943井深741 ft(225.9m),2008年2月26日安裝。B943井與B013井相距140m。由于該臺網(wǎng)與B005、B006、B007臺網(wǎng)同處于一個研究區(qū),其地理位置仍參見圖3。

B013臺各元件方位分別為:CH0=231.7°,CH1=171.7°,CH2=111.7°,CH3=81.7°。下井安裝約1個月后,4個傳感元件大幅度、長時間顯示張性應(yīng)變作用。約1年后,又先后轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性北西向擠壓,變形速率長趨勢基本穩(wěn)定。4個應(yīng)變傳感器各自記錄到大量不同步的階躍變化。

B943臺各應(yīng)變傳感器的方位分別為:CH0=329.5°,CH1=269.5°,CH2=209.5°,CH3=179.5°。下井安裝初始階段,3個傳感元件大幅度、長時間為張性應(yīng)變,僅CH0顯示受到擠壓作用。之后,變形速率基本穩(wěn)定、趨緩,從面應(yīng)變估計,應(yīng)變狀態(tài)為持續(xù)性北東向拉張變形。2009年2月開始,南北向傳感器CH3記錄到大幅度張性應(yīng)變擾動與多次應(yīng)變階躍變化,其他方位的應(yīng)變元件未見同步記錄。

從以上對B013、B943臺網(wǎng)兩臺鉆孔應(yīng)變儀近3年數(shù)據(jù)的分析比較(參見圖6),可以發(fā)現(xiàn)這兩個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B013臺顯示持續(xù)性圍壓作用;而B943臺卻是北東向拉張作用。

圖6 B013(a)和B943(b)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)

(2)B013臺4個傳感器變形速率長趨勢基本穩(wěn)定;而B943臺南北向傳感器CH3自2009年2月開始,記錄到大幅度張性應(yīng)變擾動與多次應(yīng)變階躍變化。

(3)B013臺4個應(yīng)變傳感器各自記錄到大量不同步的階躍變化;而B943臺CH0,CH1及CH2等3個應(yīng)變傳感器,基本上未見階躍應(yīng)變信號記錄。

2.5 B027、B028臺網(wǎng)

B027、B028臺網(wǎng)安裝在俄勒岡州西北部的波特蘭市南邊。B027井深768 ft(234.09m),2007年4月11日安裝;B028井深789 ft(240.5m),2007年3月19日安裝。兩個臺站相距幾百米,其地理位置見圖7。

圖7 B027、B028臺網(wǎng)地圖

B027臺各應(yīng)變傳感器方位分別為:CH0=316.3°,CH1=256.3°,CH2=196.3°,CH3=166.3°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用不明顯。半年多后,測量數(shù)據(jù)顯示持續(xù)性北西西向壓縮,變形速率穩(wěn)定,4個應(yīng)變傳感器記錄曲線均較平滑,未見應(yīng)變階記錄。

B028臺各傳感器方位分別為:CH0=282.3°,CH1=222.3°,CH2=162.3°,CH3=132.3°。下井安裝初始兩個月期間,水泥固結(jié)擠壓作用正常。約半年后,測量數(shù)據(jù)顯示持續(xù)性近南北向壓縮,變形速率基本穩(wěn)定,至2009年4月,數(shù)據(jù)顯示北西西向張性變化,2010年1月北東CH1出現(xiàn)張性變化。4個傳感器各自記錄到數(shù)次不同步的應(yīng)變階躍變化。

分析比較B027、B028兩臺鉆孔應(yīng)變儀3年多的數(shù)據(jù)(見圖8),可以發(fā)現(xiàn)這兩個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要差異之處:

(1)B027臺顯示持續(xù)性北西西向壓縮;而B028臺卻是近南北向壓縮。

(2)B027臺4個傳感器記錄曲線較平滑,變形速率平穩(wěn)趨緩;而B028臺近南北向壓縮變形速率基本穩(wěn)定,但在2009年4月,數(shù)據(jù)顯示北西西向張性變化,2010年1月北東向元件CH1出現(xiàn)張性轉(zhuǎn)折變化。

(3)B027臺4個傳感器基本未見應(yīng)變階躍記錄;而B028臺4個傳感器各自記錄到數(shù)次不同步的應(yīng)變階躍變化。

2.6 B035、B036臺網(wǎng)

B035、B036臺網(wǎng)位于俄勒岡州西北部的波特蘭市南邊。B035井深742 ft(226.2m),2006年3月19日安裝;B036井深597 ft(182m),2007年5月8日安裝。兩個臺站相距幾百米,它們的地理位置仍參見圖7。

圖8 B027(a)和B028(b)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)

圖9 B035(a)和B036(b)臺網(wǎng)數(shù)據(jù)

B035臺各應(yīng)變元件方位分別為:CH0=279.1°,CH1=219.1°,CH2=159.1°,CH3=129.1°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用基本正常,受力方向為近東西向。半年多后,測量數(shù)據(jù)顯示持續(xù)性近東西向壓縮,變形速率逐漸趨緩,4個應(yīng)變傳感器記錄曲線較平滑,未見應(yīng)變階躍記錄。

B036臺各應(yīng)變元件方位角分別為:CH0=258.9°,CH1=198.9°,CH2=138.9°,CH3=108.9°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓過程基本正常,受力方向為近東西向。但約兩個月后,近東西向的CH3傳感器轉(zhuǎn)而顯示出持續(xù)性大幅度拉張變化,持續(xù)3年多,其間于2009年10月、2010年12月記錄到張性應(yīng)變階躍型變化。其他3個應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)反映持續(xù)受壓作用,變化曲線比較平滑,無應(yīng)變階躍記錄。

分析比較B035、B036兩臺鉆孔應(yīng)變儀3年多的數(shù)據(jù)(圖9),可以發(fā)現(xiàn)這兩個臺站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B035臺顯示近東西向持續(xù)性擠壓作用;而B036臺卻是近東西向持續(xù)性拉張作用。

(2)B035臺4個傳感器記錄曲線較平滑,變形速率逐漸趨緩,未見應(yīng)變階躍記錄;而B036臺近東西向的CH3傳感器于2009年10月、2010年12月記錄到張性應(yīng)變階躍型變化。

3 問題與討論

3.1 6個鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)試驗揭示的問題

PBO原計劃在2008年10月前完成103個鉆孔應(yīng)變儀臺站的建設(shè),但是到2010年7月只安裝了80余臺儀器。雖然投入觀測的儀器絕大多數(shù)工作正常,都能記錄到固體潮汐與地震,也能記錄到應(yīng)變積累信號,但6個鉆孔應(yīng)變儀小臺網(wǎng)試驗觀測卻揭示出一些問題。這項試驗的初衷是使得科學(xué)家能夠深入研究鉆孔應(yīng)變儀是如何響應(yīng)地球物理信號的,辨別哪些是構(gòu)造活動信息,哪些是局部因素變動造成的干擾。從上述對6個鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)數(shù)年觀測資料的初步分析發(fā)現(xiàn),除了位于Anza California區(qū)的B082、B089臺網(wǎng)在2006年10月至2007年10月期間兩臺鉆孔應(yīng)變儀有相近的觀測結(jié)果,可能反映了統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造活動外,我們沒有看到其他任何與之相似的記錄。

可以初步認為,6個試驗臺網(wǎng)記錄的大量持續(xù)數(shù)月的應(yīng)變積累信號可能不是統(tǒng)一的地殼構(gòu)造活動使然,基本上是局部因素變動造成的干擾。這就使我們必須深入思考,PBO鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)可能在哪個環(huán)節(jié)出了問題?不然,相距僅幾百米的儀器為什么未能記錄到基本相同的應(yīng)變場活動信號?PBO鉆孔應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)有哪些局限?臺網(wǎng)建設(shè)有什么不足之處?作者認為,諸如PBO鉆孔應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)的總體設(shè)計、觀測井鉆井施工工藝、儀器下井安裝技術(shù)等環(huán)節(jié),均有必要重新加以審視,以期找到問題所在。

3.2 USGS淺層鉆孔傾斜儀臺網(wǎng)試驗的聯(lián)想

這使我們想起20世紀70年代初期,羅克威爾公司(Rockwell)開發(fā)出一種用于航空設(shè)備的高精度氣泡傾斜傳感器。美國科學(xué)家隨即用來設(shè)計了一種鉆孔傾斜儀,安裝于數(shù)米深的淺井中進行地震監(jiān)測預(yù)報研究[5]。新的鉆孔傾斜測量系統(tǒng)很快在1973年和1974年霍利斯特地震之前記錄到明顯的前兆異常[6-7],于是,USGS傾斜儀臺網(wǎng)于此后的兩年里迅速發(fā)展,在加州西部建立了74個觀測站,安裝了84臺儀器。但是,之后積累的大量觀測資料說明,安裝在淺井中的傾斜儀記錄的基本上是各種氣象變化與人為活動的干擾。1982年以后,大多數(shù)USGS淺井傾斜儀已不再用于地震預(yù)測研究[8]。觀測儀器好并不等于數(shù)據(jù)質(zhì)量好,用于地球物理觀測的儀器在實際應(yīng)用中要解決的一個重要問題,就是如何實現(xiàn)與地球的耦合。前述的氣泡傾斜儀無論本身性能如何好,安裝在淺井中并不能拾取到地殼真實的傾斜變化。

美國地球科學(xué)界1972年在PFO(Pinon Flat Observatory)觀測站,對石英桿伸縮儀與長基線激光應(yīng)變儀進行過對比觀測實驗,發(fā)現(xiàn)前者3個月的漂移竟是后者的20倍。后來,在USGS的資助下,從1981年至1986年,在PFO系統(tǒng)地開展了不同傾斜儀之間[9]以及鉆孔應(yīng)變儀和長基線激光應(yīng)變儀之間[10]的對比觀測實驗。人們逐漸認識到,用于地球物理觀測的傾斜儀與應(yīng)變儀必須具有足夠長的基線,或者能夠放置于足夠深的井下,并且要選擇合適的場址,妥善地進行安裝,才能較好地實現(xiàn)與地殼的耦合,有希望記錄到真實的地殼構(gòu)造活動的信號。Roeloffs E等美國學(xué)者在研究PBO鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)時,也注意到上述應(yīng)變儀與區(qū)域應(yīng)變場解耦這類問題,提出要從地層破碎、地形變化以及儀器安裝等方面開展研究,找到問題的癥結(jié)[11]。

3.3 我們的借鑒

我國20世紀90年代在北京昌平臺曾開展過幾種鉆孔應(yīng)變儀的對比觀測,但是,對比觀測的試驗站比較少,有關(guān)的研究不夠深入。PBO的工作給我們提供了很好的借鑒。為了今后更好地推進我國鉆孔應(yīng)變觀測領(lǐng)域的工作,作者認為,在設(shè)計、建設(shè)新的臺網(wǎng)之前,做好下述3方面工作是十分必要的。首先,中國現(xiàn)在使用的鉆孔應(yīng)變觀測儀器和采用的技術(shù)與PBO技術(shù)系統(tǒng)有哪些共性?又有何不同之處?可能存在什么類似的問題?需要做全面的清理、比較和研究。其次,在上述第一方面研究的基礎(chǔ)上,選擇幾個不同地區(qū)有條件的臺站,開展全面的對比觀測,檢驗運用我國現(xiàn)有的鉆孔應(yīng)變儀,以及配套的鉆井與安裝技術(shù),是否確實能觀測到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場積累變化的信號?以期發(fā)現(xiàn)存在的問題,有針對性地開展研究。最后,基于前面兩項研究工作的成果,系統(tǒng)整理與構(gòu)造應(yīng)力場測量及鉆孔應(yīng)變觀測和分析有關(guān)的理論與技術(shù)問題,澄清思想上的模糊認識,總結(jié)“十五鉆孔應(yīng)變儀臺網(wǎng)”建設(shè)的經(jīng)驗,培養(yǎng)鍛煉科研團隊,切實做好科學(xué)、技術(shù)與隊伍上的準(zhǔn)備,才不致盲目地去上新的項目和建設(shè)新的臺網(wǎng)。

(作者電子信箱,歐陽祖熙:zxo@ht.rol.cn.net)

[1]EarthScope Project Plan—A New View into Earth,2001;http:∥www.unavco.net/p roject

[2]The Plate Boundary Observatory(PBO)Component of the EarthScope mRE Proposal,2002;http:∥pboweb.unavco.org

[3]Critical Design of PBO Borehole Strainmeter Network,2004;http:∥pboweb.unavco.org

[4]PBO Strainmeter Products,2011;http:∥pboweb.unavco.org/stations/

[5]Allen R V,Wood D,Mortensen C.Some instruments and techniques for the measurement of tidal tilt.Phil.Trans.Roy.Soc.Ser.A,1973,274:219-222

[6]Johnstonm J S,Mortensen C E.Tilt precursors before earthquakes on the San Andreas Fault,California.Science,1974,186:1031-1034

[7]Mortensen C E,Johnston m J S.Anomalous tilt preceding Hollister earthquake of November 28,1974.J.Geophys.Res.,1976,81:3561-3566

[8]Mortensen C E.Experimental tilt and strain instrumentation,U.S.Geol.Surv.Open-File Repo rt,1982,82-840,357-360

[9]Wyatt F,Bilham R,Beavan R J,et al.Comparing tiltmeters for use in crustal deformation measurements:A preliminary report.Geophys.Res.Lett.,1984,11:963-966

[10]Wyatt F K,Agnew D C,Gladwin m.Continuous measurements of crustal deformation for the 1992 Landers earthquake sequence.Bull.Seism.Soc.Am.,1994,84:768-779

[11]Roeloffs E.Evidence for aseismic deformation rate changes prior to earthquakes.Annual Review of Earth and Planetary Sciences,2010,34:591-627

U.S.PBO Project:Borehole strainmeter networks face a challenge

Ouyang Zuxi
(Institute of Crustal Dynamics,CEA,Beijing 100085,China)

Several clusters of borehole strainmeters were specially established in PBO,in which 2 or 3 instruments were installed within a few hundred meters to study how the borehole strainmeter responds to tectonic activities and what interference will be generated by local,non-tectonic factors.Data of 6 such clusters were collected and presented in the paper.The crustal strain field revealed at the data and a brief analysis were also given.It show s that many strain accumulation signals recorded by 6 strain meter net works are basically due to local processes instead of tectonic activities.Primary discussion about PBO strain meter networks was carried out and some suggestions concerning development of bore hole strain meter networks in China were made as well.

bore hole strain meter;PBO Project;parallel observation;tectonic stress field

P315.72+7;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.10.005

2011-07-08;

2011-07-29。