姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)值年變化的數(shù)值模擬解釋

楊少華 任天翔 董培育 石耀霖*

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，大地構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037 2)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049 3)中國(guó)地震局地震研究所，地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071

姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)值年變化的數(shù)值模擬解釋

楊少華1，2)任天翔2)董培育2，3)石耀霖2)*

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，大地構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037 2)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049 3)中國(guó)地震局地震研究所，地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071

中國(guó)是最早開始以地震預(yù)測(cè)為目標(biāo)的鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的國(guó)家之一。YRY-4四分量應(yīng)變儀等中國(guó)自行研制的應(yīng)變儀已達(dá)到世界先進(jìn)水平，其分辨率可達(dá)10-10量級(jí)，且可以穩(wěn)定工作。為了捕捉構(gòu)造應(yīng)力變化的信號(hào)以及探討它們與地震活動(dòng)的聯(lián)系，首先需要識(shí)別并排除降雨、 氣壓變化、 地下水位變化、 河流漲落、 抽注水等非構(gòu)造因素引起的地應(yīng)變。在某些臺(tái)站(如大渡河谷旁的姑咱臺(tái))，YRY-4型應(yīng)變儀觀測(cè)到年周期變化的應(yīng)變信號(hào)。截至目前，沒有相關(guān)文獻(xiàn)解釋產(chǎn)生這種信號(hào)的物理機(jī)制。文中試圖解釋該信號(hào)的成因。考慮地形因素，建立了三維有限元熱-彈性耦合模型，模擬了地表溫度年變化引起的熱應(yīng)變，說(shuō)明了春季和秋季達(dá)到波峰和波谷的年周期變化的信號(hào)是地表溫度年變化引起的熱應(yīng)變信號(hào)。建議高分辨應(yīng)變儀(例如YRY-4型應(yīng)變儀)地應(yīng)變臺(tái)站選址時(shí)應(yīng)盡量選擇開闊的區(qū)域而避免地形起伏較大的區(qū)域。

YRY-4鉆孔應(yīng)變儀 應(yīng)變觀測(cè) 熱-彈性耦合 數(shù)值模擬

0 引言

自從美國(guó)啟動(dòng)了 “板塊邊界觀測(cè)”(PBO)項(xiàng)目(http: ∥pboweb.unavco.org)以來(lái)，鉆孔應(yīng)變觀測(cè)受到了空前的重視。受到重視的根本原因是，與其他應(yīng)變觀測(cè)手段相比，在數(shù)秒至數(shù)年的不同時(shí)間尺度上鉆孔應(yīng)變觀測(cè)都具有高分辨率，甚至具有不可替代性(Gladwin，1984； Gladwinetal.，1985)。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)在發(fā)現(xiàn)慢地震、 火山噴發(fā)預(yù)報(bào)以及地震前兆研究等方面發(fā)揮了重要作用(Sacksetal.，1978； Lindeetal.，1996； 邱澤華等，2004)。

中國(guó)是最早開始鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的國(guó)家之一(蘇愷之，1982； 王啟民等，1983； 歐陽(yáng)祖熙等，1988； 池順良，1993)。鉆孔應(yīng)變儀方面，以YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀為代表的中國(guó)自行研制的應(yīng)變儀達(dá)到了世界先進(jìn)水平，該應(yīng)變儀的分辨率可達(dá)10-10量級(jí)(池順良等，2009)。中國(guó)地震局 “十五”數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，中國(guó)共安裝了約40臺(tái)該型號(hào)的鉆孔應(yīng)變儀，分布密度約為2.5×105km2/臺(tái)。雖然臺(tái)站分布十分稀疏，但部分儀器記錄到了讓學(xué)者們十分感興趣的地應(yīng)變信息，例如，邱澤華等(2010)認(rèn)為姑咱臺(tái)YRY-4型應(yīng)變儀記錄到了汶川地震的地應(yīng)變前兆信號(hào)。

YRY-4型應(yīng)變儀分辨率高達(dá)10-10量級(jí)，除了能夠記錄到構(gòu)造地應(yīng)變信號(hào)外，也有可能記錄到由降雨、 氣壓變化、 地下水位變化、 河流漲落、 抽注水等因素引起的地應(yīng)變信號(hào)(陽(yáng)光等，2010)。但人們更關(guān)心的是記錄構(gòu)造地應(yīng)變的變化，以及分析它們與地震活動(dòng)的關(guān)系。一些地區(qū)地下水位的變化、 抽注水等因素本身也可能與地震相關(guān)(程惠紅等，2012)。因此，記錄和識(shí)別構(gòu)造地應(yīng)變信號(hào)應(yīng)該是必須優(yōu)先開展的基礎(chǔ)工作。

圖1 是四川姑咱地震臺(tái)YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀的觀測(cè)曲線。Δεi(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)分別為4個(gè)相互獨(dú)立的徑向位移傳感器(圖2c)所記錄的應(yīng)變變化量。我們可以清楚地看到，鉆孔應(yīng)變儀記錄到了一種年周期變化的、 在春季和秋季分別達(dá)到波峰和波谷的地應(yīng)變信號(hào)。關(guān)心地震預(yù)報(bào)的研究者往往通過(guò)信號(hào)處理的數(shù)值方法，試圖從記錄曲線中除去這種信號(hào)，因此截至目前，沒有相關(guān)文獻(xiàn)詳細(xì)解釋產(chǎn)生這種信號(hào)的物理機(jī)制。為什么有些鉆孔應(yīng)變臺(tái)站沒有記錄到這種年變化，為什么姑咱臺(tái)會(huì)記錄到這種年變化？本文運(yùn)用三維有限單元法，建立了熱-彈性耦合模型，模擬了地表年度溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)變量級(jí)和方向特征，發(fā)現(xiàn)地表溫度變化是姑咱臺(tái)站特定地形條件下形成地應(yīng)變信號(hào)年變化的原因。記錄到這種信號(hào)表明了YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的確有很高的靈敏度，令學(xué)者們更有信心用它去觀測(cè)長(zhǎng)期的構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)變化。另一方面，數(shù)值模擬計(jì)算也可以幫助我們分析在今后鉆孔地應(yīng)變臺(tái)站建設(shè)中，怎樣減小或消除這種年變化的影響，使我們能更好地分析構(gòu)造應(yīng)變場(chǎng)變化。

圖1 姑咱地震臺(tái)YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)值Fig. 1 Observation values of YRY-4 borehole strain instrument at Guzan station.Δεi(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)為應(yīng)變變化量

圖2 姑咱地震臺(tái)構(gòu)造位置(a)、姑咱地震臺(tái)附近海拔高度等值線(b)與YRY-4型應(yīng)變儀安置情況(c)Fig. 2 Tectonic location of Guzan station(a)，Altitude contour map around Guzan station(b) and Installation of YRY-4 strain instrument(c).Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ為徑向位移傳感器

1 姑咱臺(tái)及YRY-4應(yīng)變儀簡(jiǎn)介

姑咱地震臺(tái)(30.12N，102.18E； 1,445m)建立于1970年9月，位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮(zhèn)從北向南流過(guò)的大渡河谷西岸，是國(guó)家級(jí)臺(tái)站。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造方面，該臺(tái)站處于NW-SE向的鮮水河斷裂帶、 NE-SW向的龍門山斷裂帶和近SN向的安寧河斷裂帶復(fù)合部位靠北的地段(圖2a)。這一區(qū)域斷層活動(dòng)性強(qiáng)烈，歷史上曾多次發(fā)生中強(qiáng)以上的地震，例如2008年汶川8.0級(jí)地震和1955年康定7.5級(jí)地震。優(yōu)越的地理位置使得姑咱臺(tái)成為地震觀測(cè)和研究的理想站點(diǎn)(陽(yáng)光等，2010)。局部地質(zhì)構(gòu)造方面，該臺(tái)站坐落于姑咱鎮(zhèn)西面雞心梁子山背斜的核部、 大渡河邊古河床沖積層之上。姑咱臺(tái)周圍地形起伏較大(圖2b)。

姑咱臺(tái)YRY-4四分量鉆孔應(yīng)變儀于2006年10月28日成功安裝。鉆孔深40.69m，基巖巖性為元古代的花崗巖。鉆孔深度0～7.3m為塊狀碎石： 灰—灰綠色，干燥、 致密、 棱角狀，大小為3～12cm，原巖為花崗巖； 7.3～40.69m為花崗巖： 灰—灰綠色、 干燥、 弱風(fēng)化、 致密，為完整基巖。YRY-4型應(yīng)變儀安裝在完整基巖底部(董雪梅等，2009)。安裝過(guò)程中，用膨脹水泥將應(yīng)變儀與基巖耦合。該應(yīng)變儀采用圓筒式結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)安置有應(yīng)變探頭。應(yīng)變探頭由4個(gè)依次呈45°角的徑向位移傳感器組成。在姑咱臺(tái)，應(yīng)變儀的第1路傳感器的方位為51°(圖2c)。傳感器的采樣頻率為每分鐘1次。4個(gè)徑向位移傳感器相互獨(dú)立，設(shè)其記錄的應(yīng)變變化量為Δεi(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，根據(jù)平面應(yīng)變?cè)?石耀霖，1971，土應(yīng)力測(cè)量，地質(zhì)力學(xué)所報(bào)告(編號(hào)03000)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所蘭州地震大隊(duì)地震地質(zhì)隊(duì)。(石耀霖等，2000)，應(yīng)變觀測(cè)值應(yīng)滿足

(1)

即1路和3路的應(yīng)變變化量之和約等于2路和4路的應(yīng)變變化量之和，簡(jiǎn)稱為Ⅰ+Ⅲ=Ⅱ+Ⅳ。根據(jù)式(1)，可以簡(jiǎn)潔高效地檢查應(yīng)變儀是否可靠。圖3 為姑咱臺(tái)Ⅰ+Ⅲ和Ⅱ+Ⅳ的圖像，滿足二者相等的驗(yàn)證。截至目前，已經(jīng)有不少文獻(xiàn)證實(shí)該應(yīng)變儀具有良好的可靠性(池順良等，2009； 董雪梅等，2009； 邱澤華等，2010)。該應(yīng)變儀分辨率可達(dá)10-10(池順良等，2009； 陽(yáng)光等，2010)，較運(yùn)用GPS數(shù)據(jù)解算出的應(yīng)變的精度高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)(邱澤華等，2004)。

圖3 姑咱臺(tái)YRY-4型應(yīng)變儀應(yīng)變變化量Ⅰ+Ⅲ和Ⅱ+Ⅳ對(duì)比圖Fig. 3 Comparative chart of strain variation Ⅰ+Ⅲ and Ⅱ+Ⅳ of YRY-4 strain instrument at Guzan station.Δεi(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)為應(yīng)變變化量

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)及其定性分析

由圖1 可見，姑咱臺(tái)YRY-4型應(yīng)變儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)至少包含3組信號(hào)： 1)呈近線性增加的壓應(yīng)變信號(hào)； 2)年變化信號(hào)，分別在春季和秋季達(dá)到波峰和波谷； 3)每年7月前后，小幅震蕩的應(yīng)變信號(hào)。經(jīng)過(guò)濾波，剔除原始信號(hào)中近線性增加的壓應(yīng)變信號(hào)，得到的應(yīng)變信號(hào)如圖4，壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)。我們可以更清楚地看到第1種和第3種信號(hào)，其量級(jí)分別約為10-6和10-7。

圖4 通過(guò)濾波得到的地應(yīng)變信號(hào)Fig. 4 Strain signals through filtering.Δεi(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)為應(yīng)變變化量

YRY-4型應(yīng)變儀能夠清晰地記錄固體潮(池順良等，2009)。降雨(李杰等，2003)、 氣壓變化(張學(xué)陽(yáng)，1987； 周龍壽等，2008)、 地下水位變化(王梅，2002； 李杰等，2003)、 河水漲落、 人工抽注水(陽(yáng)光等，2010)、 地表溫度變化(李杰等，2003)等因素引起的地應(yīng)變均有可能被記錄到。大風(fēng)、 雷電(王梅等，2004)也有可能引起觀測(cè)記錄的變化。這些可能的地應(yīng)力源中，降雨、 大風(fēng)、 雷電和人工抽注水等因素引起的地應(yīng)變明顯不具有周期性； 氣壓變化引起的地表應(yīng)變幅度為10-9(張學(xué)陽(yáng)，1987)，與第2種信號(hào)和第3種信號(hào)相差2～3個(gè)量級(jí)； 地下水位的變化引起的地表應(yīng)變有時(shí)可達(dá)10-5量級(jí)，但不具有周期性(李杰等，2003)； 固體潮含有年周期的成分(郭俊義，2001)，但引起的地應(yīng)變?yōu)?0-8、 10-9量級(jí)(吳慶鵬，1990)，與第2種信號(hào)和第3種信號(hào)相差2～3個(gè)量級(jí)。

引起第3種信號(hào)的原因可能是夏季大渡河河水漲落。大渡河在姑咱臺(tái)東約600m處從N向S流過(guò)，每年7月1日左右進(jìn)入汛期。大渡河河水漲落引起的應(yīng)變震蕩在近EW向最大、 在近SN向最小。YRY-4型應(yīng)變儀Ⅱ分量(方位為96°)記錄的地應(yīng)變震蕩幅度最大； Ⅳ分量(方位為186°)記錄的地應(yīng)變震蕩幅度最小(圖4)。另一方面，姑咱臺(tái)SS-Y伸縮儀記錄的信號(hào)具有類似的特征(陽(yáng)光等，2010)。對(duì)于大渡河河水漲落的定量作用，我們將在另外的文章中詳細(xì)討論。

本文主要討論第2種信號(hào)的成因。年變化的地應(yīng)變信號(hào)可能與溫度的年變化相關(guān)。一般地，地表溫度具有年周期變化的特征，假設(shè)地表溫度Ts與時(shí)間t呈余弦關(guān)系。本文考慮建立有限元數(shù)值模型來(lái)模擬地表溫度變化引起的熱應(yīng)變，檢驗(yàn)?zāi)曜兓盘?hào)是否由地表溫度變化產(chǎn)生。

3 數(shù)值模型

我們將建立三維有限元熱-彈性耦合模型計(jì)算熱應(yīng)變。有限元計(jì)算熱應(yīng)變的數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)可參考前人的文獻(xiàn)(李維特等，2004； Bower，2011； Krysl，2011)。下文將對(duì)熱應(yīng)變的控制方程、 計(jì)算網(wǎng)格及初邊值條件等細(xì)節(jié)分節(jié)描述。

3.1 控制方程

三維熱-彈性耦合方程(李維特等，2004)的指標(biāo)形式如式(2)—(5)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，式(2)為暫態(tài)熱傳導(dǎo)方程，式(3)為平衡方程，式(4)為幾何方程，式(5)為本構(gòu)方程，即廣義虎克定律。式(2)—(5)中，T為溫度，t為時(shí)間，σ為應(yīng)力張量，ε為應(yīng)變張量，u為位移，θ為第一應(yīng)變不變量，dT為溫差，δ為克羅內(nèi)克函數(shù)?；◢弾r的物性參數(shù)取值(Turcotteetal.，2014)如下： 比熱容c為790.0J kg-1·K-1，密度ρ為2,700kg·m-3，熱導(dǎo)率k為2.75W·m-1·K-1，楊氏模量E為70GPa，剪切模量G為30GPa，泊松比υ為0.25，熱膨脹系數(shù)α為1.0×10-5K-1，拉梅常數(shù)λ由楊氏模量和泊松比換算得到。

圖5 有限元計(jì)算網(wǎng)格Fig. 5 Finite element computing grid.四面體單元303,177個(gè)，節(jié)點(diǎn)57,808個(gè)； 3個(gè)方向的數(shù)據(jù)都表示距離

3.2 計(jì)算網(wǎng)格

建立幾何模型時(shí)，考慮姑咱鎮(zhèn)周邊的地形。本文采用的地形數(shù)據(jù)精度為30m×30m，原始數(shù)據(jù)下載自http: ∥www.cnic.cnzcfwsjfw/gjkxsjjx/。應(yīng)用GlobalMapper軟件(http: ∥www.bluemarblegeo.com/products/global-mapper.php)讀入原始地形數(shù)據(jù)，導(dǎo)出計(jì)算區(qū)域(3.6km×3.6km)的地形(圖2b)數(shù)據(jù)文件。將該文件讀入Gid(http: ∥www.gidhome.com/)前處理程序，建立幾何模型、 生成計(jì)算網(wǎng)格。最終得到的四面體有限元網(wǎng)格如圖5，其中單元數(shù)為303,177，節(jié)點(diǎn)數(shù)為57,808。

3.3 邊界條件

對(duì)于位移場(chǎng)，地表為自由邊界； 底面位移的3個(gè)分量均為0； 4個(gè)側(cè)面的水平向位移均為0，垂向自由。溫度場(chǎng)方面，由于本文重點(diǎn)關(guān)注的是由地表溫度變化引起的地應(yīng)變，因此不需要考慮地溫梯度、 大地?zé)崃骷澳昶骄鶞囟龋恍鑼⒊跏紲囟葓?chǎng)設(shè)為0℃、 在地表施加呈年周期變化的溫度即可。假定地表溫度Ts=ΔTcos ωt，其中，溫差ΔT為9.5℃(陽(yáng)光等，2010)，圓頻率ω為2.0×10-7rad·s-1。計(jì)算初始有一些暫態(tài)效應(yīng)，足夠長(zhǎng)時(shí)間后進(jìn)入周期性變化狀態(tài)。

4 模擬結(jié)果與討論

圖6 為地表溫度隨時(shí)間變化的(圖6a)條件下、 數(shù)值模擬的應(yīng)變儀處Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ分量方向的正應(yīng)變隨時(shí)間的變化(圖6b，壓應(yīng)變?yōu)樨?fù))，和應(yīng)變儀處主方向的計(jì)算值與觀測(cè)值(圖6c)的對(duì)比圖。由圖6b可以看到，數(shù)值模擬的4個(gè)分量方向上的正應(yīng)變具有以下特征： 同時(shí)達(dá)到波峰或波谷； 數(shù)量級(jí)均為10-6； Ⅰ分量和Ⅱ分量正應(yīng)變的變化范圍(約-0.75×10-6～0.8×10-6)大于Ⅲ分量和Ⅳ分量的變化范圍(約-0.3×10-6～0.3×10-6)。本模擬所用參數(shù)條件下，均勻半無(wú)限空間40m深處溫度變化的位相比地表滯后約1年10個(gè)月12天，計(jì)算結(jié)果與此大致吻合，從圖6 可以看出，計(jì)算的鉆孔40m深度處正應(yīng)變與地表溫度的相位差約為10個(gè)月，地表溫度高時(shí)鉆孔元件深度4個(gè)分量的正應(yīng)變?yōu)橐龔垼?地表溫度低時(shí)為壓縮。

圖6 地表溫度年周期變化(a)、應(yīng)變儀處Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ分量方向的正應(yīng)變演化(b)與應(yīng)變儀處主方向的計(jì)算值與觀測(cè)值的對(duì)比圖(c)Fig. 6 Annual change of surface temperature(a)，Normal strain evolution of Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ and Ⅳ at the location of YRY-4 strain instrument at Guzan station(b) and Comparative chart of computing results and observing values at the location of YRY-4 strain instrument at Guzan station(c). 紅色點(diǎn)線為數(shù)值模擬值，黑色線為觀測(cè)值

將上述特征與觀測(cè)值(圖4)作比較可以看到，除了正應(yīng)變的變化范圍和相位差分別略有差異之外，其余特征均能良好地符合。與觀測(cè)值相比，數(shù)值模擬得到的正應(yīng)變的變化范圍略大，正應(yīng)變與地表溫度的相位差略小。正應(yīng)變的變化范圍略大，可能是熱膨脹系數(shù)取值偏大； 相位差略小，可能是熱擴(kuò)散系數(shù)取值偏大。如簡(jiǎn)介部分所述，鉆孔淺表(7.3m以淺)為花崗巖碎石。我們知道，破碎巖石的熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)較原巖低。在無(wú)法準(zhǔn)確得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)破碎巖石層的熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)的情況下，本文數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的吻合程度已經(jīng)令人滿意。

圖6c為應(yīng)變儀處主方向隨時(shí)間的變化圖，紅色點(diǎn)線為數(shù)值模擬值，黑色線為觀測(cè)值?？梢钥吹?，主方向的數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)值均介于91.88°～92°，變化幅度<0.2°。也就是說(shuō)，主方向大致為正EW向。相位差方面，與前段所述類似，數(shù)值模擬的主方向與地表溫度的相位差為10個(gè)月，略小于觀測(cè)值與地表溫度的相位差。原因可能是本文數(shù)值模擬中采用的完整巖石的物性參數(shù)使得熱膨脹系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)偏高，而實(shí)際情況淺表巖石可能存在破碎。

如果地形平坦，在相同的材料物性及邊界條件下，半無(wú)限空間的鉆孔內(nèi)溫度隨深度指數(shù)衰減(Turcotteetal.，2014)，水平熱應(yīng)力也可求得解析解，在40m深度應(yīng)力變化幅度應(yīng)該在0.1kPa左右。但在姑咱臺(tái)附近存在SN向深切河谷的條件下，探頭深度處主方向大致為正EW向，地表溫度年變化引起的鉆孔中EW向應(yīng)力變化最大幅度達(dá)到了近1kPa。曹建玲等(2005)研究了在簡(jiǎn)單地形情況下地表溫度年變化對(duì)地應(yīng)力(或地應(yīng)變)觀測(cè)的影響，認(rèn)為地應(yīng)力(或地應(yīng)變)和地傾斜臺(tái)站選址時(shí)應(yīng)該選擇地形比較平坦的部位，探頭應(yīng)該安置在盡可能深的部位。本文對(duì)姑咱臺(tái)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步定量表明： 平坦的地形能有效地壓制熱應(yīng)力的影響，如果限于條件必須在陡峭深切河谷建設(shè)臺(tái)站，則應(yīng)將應(yīng)變儀安置在更深處以減小地表溫度年變化引起的熱應(yīng)變對(duì)應(yīng)變觀測(cè)的影響?，F(xiàn)行的鉆孔地應(yīng)變臺(tái)站建設(shè)規(guī)范(DB/T 8.2-2003)對(duì)地形地貌的要求暫未強(qiáng)調(diào)鉆孔地應(yīng)變臺(tái)站建設(shè)應(yīng)避開地形起伏較大的區(qū)域。本文建議在鉆孔地應(yīng)變臺(tái)站建設(shè)中應(yīng)盡量選擇地形平坦的地區(qū)，避開地形起伏較大的地區(qū)。

5 結(jié)論

本文以姑咱臺(tái)為例，運(yùn)用三維有限元方法分析了地表溫度變化引起的地應(yīng)力。計(jì)算的熱應(yīng)力變化幅度和相位與觀測(cè)值能夠較好地吻合，說(shuō)明地表溫度變化是造成YRY-4型應(yīng)變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)年周期變化的物理成因。如果地表為水平且地下為介質(zhì)均勻時(shí)，在40m深度的熱應(yīng)力在各個(gè)方向上是均勻的，量級(jí)僅為0.1kPa左右。但姑咱臺(tái)位于SN向深切河谷的西岸，深切河谷的存在使得地下同一海拔但距地表深度不同的巖石溫度不再相同，造成了熱應(yīng)力大于半無(wú)限空間的情況； 而且兩岸在EW向可以有更大的熱脹冷縮量，造成了EW向熱應(yīng)變和熱應(yīng)力的幅度大于SN向。

計(jì)算表明，在存在深切河谷的條件下，地表溫度年變化引起的地下溫度的變化幅度雖然仍是隨深度呈指數(shù)衰減，但是地表溫度年變化引起的水平應(yīng)變的幅度隨深度衰減要緩慢得多。因此，為了在地應(yīng)變臺(tái)站觀測(cè)中突出構(gòu)造應(yīng)力而盡量減弱地表溫度年變化引起的熱應(yīng)力年變化干擾，地應(yīng)變臺(tái)站選址時(shí)應(yīng)盡量選擇開闊平坦的區(qū)域而避開地形陡峭起伏的地區(qū)。如果必須在河谷地區(qū)建設(shè)臺(tái)站，則鉆孔應(yīng)該盡可能深一些。

雖然在試圖觀測(cè)構(gòu)造應(yīng)力變化時(shí)，鉆孔應(yīng)變儀記錄到的年變化并非我們期望的信號(hào)，但能記錄到這種年變化也說(shuō)明了目前鉆孔應(yīng)變儀的確具有了很高的靈敏度和可靠性，因此鉆孔地應(yīng)力觀測(cè)是值得繼續(xù)深入發(fā)展的一種手段方法。

致謝 感謝河南省鶴壁地震局池順良高級(jí)工程師提供姑咱臺(tái)YRY-4型應(yīng)變儀觀測(cè)資料。感謝審稿人富有建設(shè)性的意見。

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INTERPRETATION OF BOREHOLE STRAIN ANNUAL CHANGE AT GUZAN STATION BY NUMERICAL SIMULATION

YANG Shao-hua1，2)REN Tian-xiang2)DONG Pei-yu2，3)SHI Yao-lin2)

1)KeyLaboratoryofContinentalTectonicsandDynamics,InstituteofGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037，China2)KeyLaboratoryofComputationalGeodynamics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China3)InstitueofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration，Wuhan430071,China

China is one of the earliest countries to start borehole strain observation aiming to predicting earthquake. YRY-4 and other borehole strain instruments developed by China have reached the world advanced level，with a resolution of 10-10and can work stably. In order to capture the tectonic stress signals and analyze the relationship with seismicity，it is firstly necessary to identify and exclude the non-structure stress signals(caused e.g. by rainfall，pressure change，groundwater level fluctuation，river fluctuation etc). Annual strain change signals have been observed by YRY-4 borehole strain instrument at some stations(e.g. Guzan station in Dadu River valley). The signal is on the wave crest in spring and trough in autumn. Up to now，no relative papers have interpreted the physical mechanism causing such strain signals. In this paper，we manage to explain the physical mechanism by using numerical simulation. Considering the terrain factor of Dadu River valley，we set up a 3D finite-lement thermoelastic coupling model to compute the heat stress caused by annual change of surface temperature. The computing results are in good accordance with observation values，which illustrates that the annual change of strain signals is caused by annual change of surface temperature. We suggest that high-resolution borehole strain instrument(e. g. YRY-4 strain instrument)should avoid installing in a terribly undulate area，but choose a flat one. Although the strain signal with an annual change is a noise signal，to a certain extent，the signal illustrates that the current borehole strain instrument has a high resolution. This gives us more confidence to use this instrument to measure the structural strain.

YRY-4 borehole strain instrument，strain observation，thermoelastic coupling，numerical simulation

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.026

2015-02-22收稿，2015-05-13改回。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41604080，41590860)與國(guó)土資源部深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)(201511028，201311187)共同資助。
*通訊作者： 石耀霖，男，院士，主要從事地球動(dòng)力學(xué)研究，E-mail: shyl@ucas.ac.cn。

P315.72+7

A

0253-4967(2016)04-1137-11

楊少華，男，1987年生，2015年于中國(guó)科學(xué)院大學(xué)獲固體地球物理學(xué)博士學(xué)位，主要從事地球動(dòng)力學(xué)方面的研究，E-mail: yangshaohua09@sina.com。