開辟應(yīng)變地震學(xué)新領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究

邱澤華，唐磊，郭燕平，趙樹賢

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085)

0 引言

中國首創(chuàng)的四元件鉆孔應(yīng)變觀測在關(guān)鍵技術(shù)上是世界領(lǐng)先的[1-3]。但是，在中國地震局所屬的四元件鉆孔應(yīng)變觀測臺網(wǎng)中，觀測采樣率被統(tǒng)一設(shè)定為每分鐘一次。10 a來的實(shí)踐表明，在這種采樣率下，鉆孔應(yīng)變儀的頻率響應(yīng)能力得不到充分發(fā)揮，應(yīng)該進(jìn)一步完善這種觀測技術(shù)，挖掘其潛能，使之在地球動力學(xué)(特別是地震學(xué))的研究中發(fā)揮作用。

從科學(xué)研究的角度看，地震預(yù)報(bào)不應(yīng)是鉆孔應(yīng)變觀測的唯一目的，用傳統(tǒng)的擺式地震儀記錄地震波也絕非唯一選擇。自從傳統(tǒng)的擺式地震儀誕生以來就得到廣泛應(yīng)用，取得一些觀測成果，成為當(dāng)今地震學(xué)不可或缺的觀測手段。但是，這種手段不能包打天下。傳統(tǒng)的擺式地震儀觀測的是一個(gè)點(diǎn)的位移，是一個(gè)矢量。應(yīng)變是位移對空間的梯度，是一個(gè)張量。應(yīng)變地震觀測可以提供擺式地震儀不能提供的新信息。

應(yīng)變地震儀從來就是一個(gè)科學(xué)家們希望擁有的科學(xué)儀器。1961年，H.Benioff等人提出了“應(yīng)變地震儀”的名稱，Benioff et al[4]設(shè)計(jì)制作了一種應(yīng)變地震儀，并根據(jù)其觀測結(jié)果進(jìn)行了地球自由振蕩研究。但是Benioff et al[4]的應(yīng)變儀只給出線應(yīng)變變化，不能給出應(yīng)變張量變化。另外，傳統(tǒng)的基線式應(yīng)變觀測傳感器一般很長，不利于觀測高頻信號。

近些年來，用中國現(xiàn)有的幾種鉆孔應(yīng)變儀陸續(xù)開展了地震波觀測實(shí)驗(yàn)。中國地震局地殼應(yīng)力研究所所屬的北京昌平臺進(jìn)行過RZB-1型四元件鉆孔應(yīng)變儀的高采樣率觀測[5]，與附近十三陵臺的擺式地震儀觀測的遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者的頻譜很相似。但是，一方面當(dāng)時(shí)觀測所用儀器出現(xiàn)了壞道，記錄并不完整；另一方面也未記錄到地方震。山西昔陽臺也進(jìn)行過高采樣率鉆孔體應(yīng)變儀的觀測，記錄到遠(yuǎn)震、近震和地方震[6]。與附近的擺式地震儀記錄進(jìn)行頻譜對比，二者也非常一致。但是體應(yīng)變?nèi)鄙俜较蛐?，與張量應(yīng)變儀相比，提供的信息少。美國和日本也都曾經(jīng)用鉆孔應(yīng)變儀記錄地震波[7-8]，但是沒有進(jìn)行更深入的研究。

近年來，用YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀比較系統(tǒng)地開展了一系列地震波觀測實(shí)驗(yàn)，取得了大量重要的研究成果，證明這種應(yīng)變儀可以作為應(yīng)變地震儀使用。在此基礎(chǔ)上，我們又在山西忻州開始了高密度臺網(wǎng)的近震實(shí)驗(yàn)研究。

我們首先要檢驗(yàn)在高采樣率條件下觀測的數(shù)據(jù)是否自洽，然后從不同的方面，對比鉆孔應(yīng)變地震觀測和擺式地震觀測。

1 體波觀測實(shí)驗(yàn)

在彈性介質(zhì)內(nèi)部傳播的彈性波稱為體波，包括P波和S波兩種。理論上[9-10]，P波是無旋轉(zhuǎn)波(irrotational wave)，S波是等體積波(equivoluminal wave)。

1.1 姑咱實(shí)驗(yàn)

2008年3月17日池順良等在四川姑咱臺用YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行了數(shù)小時(shí)的100 sps觀測，碰巧記錄到發(fā)生在四川康定的三次3級左右地震。用中國的這種四元件鉆孔應(yīng)變儀完整地記錄到地方震，這是第一次。

YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀記錄到的3個(gè)地方震大體發(fā)生在同一個(gè)地方，而姑咱臺位于震中以北約70 km處(見圖1)。圖2給出3個(gè)地方震的應(yīng)變觀測記錄曲線，圖3說明觀測的自洽程度。當(dāng)數(shù)據(jù)完全自洽時(shí)，所有點(diǎn)都應(yīng)該位于S1+S3=S2+S4的直線上。在如此高的采樣率下，姑咱臺YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀的觀測能達(dá)到這樣的自恰，是一個(gè)了不起的成功。當(dāng)觀測自洽時(shí)，數(shù)據(jù)就被認(rèn)為是可靠的[11]。

圖1 四川姑咱臺和康定三個(gè)地震的位置Fig.1 The locations of Guza and the three Kangding earthquakes in Sichuan

圖2 姑咱臺YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀記錄的康定M3.5地震的P波和S波曲線Fig.2 P-wave and S-wave curves of Kangding M3.5 earthquake recorded by YRY-4 four-gauge borehole strainmeter in Guza

圖3 康定M3.5地震的四元件鉆孔應(yīng)變記錄的自洽擬合圖Fig.3 Self-consistent fitting diagram of four-gauge borehole strain records of Kangding M3.5 earthquake

1.2 神池實(shí)驗(yàn)

2011年10月在“地震行業(yè)科研專項(xiàng)”(201108009)的支持下，在山西神池臺安裝了一套YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行100 sps采樣率觀測實(shí)驗(yàn)[11]。2013年7月9日，該應(yīng)變儀又成功地記錄到附近發(fā)生的一些3級左右的地震。圖4給出神池臺和定襄M3.0地震的位置。

圖4 山西神池臺和定襄M3.0地震的位置Fig.4 The locations of Shenchi station and Dingxiang M3.0 earthquake in Shanxi

第42頁圖5給出此次地震的4個(gè)元件的觀測曲線。在自洽擬合圖(見第42頁圖6)中，所有的點(diǎn)都在S1+S3=S2+S4的直線附近，說明自洽良好。

2 面波觀測實(shí)驗(yàn)

在地震波研究中，通常使用一個(gè)地震波傳播的射線直角坐標(biāo)系(x1，x2，x3)，如第42頁圖7所示。該坐標(biāo)系的主要特點(diǎn)是以地震波射線(ab)為一個(gè)坐標(biāo)軸(x1)。

圖5 定襄3.0級地震觀測曲線Fig.5 Observation curves of Dingxiang 3.0 earthquake

圖6 定襄3.0級地震自洽擬合圖Fig.6 Self-consistent fitting diagram of Dingxiang M3.0 earthquake

除在地球內(nèi)部傳播的體波(P波和S波)外，還存在一種在地表面附近傳播的面波，包括瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波。對于面波，這里需要進(jìn)一步規(guī)定，其射線直角坐標(biāo)系(x1，x2，x3)中的x1除與射線平行外，還與地面平行；x2除與射線垂直外，還與地面平行；x3除與射線垂直外，還與地面垂直。

2014年，在甘肅高臺進(jìn)行了一年的BBVS-120型擺式地震儀與YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的地震波對比觀測實(shí)驗(yàn)，用10 sps采樣率記錄到很多遠(yuǎn)震。對于遠(yuǎn)震，這里重點(diǎn)關(guān)注面波。以2014年4月18日發(fā)生的墨西哥M7.3地震(見圖8)為例，第43頁圖9同時(shí)給出BBVS-120型擺式地震儀和YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的面波觀測曲線，圖中可以清楚地分辨出勒夫波和瑞利波。

圖7 地理坐標(biāo)系(N，E，D)和彈性波傳播的射線坐標(biāo)系(x1，x2，x3)Fig.7 Geographic coordinate system (N/E/D) and ray coordinate system of elastic wave propagation (x1/x2/x3)

圖8 高臺觀測點(diǎn)和墨西哥M7.3地震震中的位置Fig.8 The locations of Gaotai and the epicenter of the M7.3 earthquake in Mexico

在“地震行業(yè)科研專項(xiàng)”(201108009)中，除神池臺的實(shí)驗(yàn)觀測外，還在大同地震臺安裝了一套YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行10 sps采樣率觀測實(shí)驗(yàn)，也取得了很好的結(jié)果。

3 YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的地震波響應(yīng)

3.1 體波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

除YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀外，姑咱臺還有CTS-1型寬頻帶擺式地震儀。通過對比YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀與CTS-1型地震儀的觀測頻譜來判斷YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的頻響性能[11-12]。因?yàn)樗脑@孔應(yīng)變儀只觀測水平面的應(yīng)變變化，所以兩種儀器的比較只能限于水平分量。

圖9 BBVS-120型地震儀和YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀記錄的面波曲線Fig.9 Surface wave curves recorded by BBVS-120 seismograph and YRY-4 borehole strainmeter

圖10給出YRY-4和CTS-1兩種儀器記錄3個(gè)地震觀測曲線的功率譜密度(PSD)。圖中YRY-4應(yīng)變儀的功率譜是分別用換算得到北南方向(N)和東西方向(E)的線應(yīng)變計(jì)算；擺式地震儀的功率譜是用換算得到北向(N)和東向(E)的速度值計(jì)算。

盡管兩種儀器觀測的物理量不同，但是這兩種物理量都屬于同一運(yùn)動過程，因而其頻譜應(yīng)該一致。由圖10可見，YRY-4記錄的功率譜密度與CTS-1基本相似，前者的頻率響應(yīng)不比后者差。

3.2 面波實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩種不同物理量的觀測儀器的觀測曲線竟然如此一致，再一次說明YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的地震波響應(yīng)不次于擺式地震儀。這就為兩種儀器的互相驗(yàn)證和標(biāo)定創(chuàng)造了前提條件。

4 忻州實(shí)驗(yàn)

以往的實(shí)驗(yàn)表明，只要采樣率足夠高，就可以用YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀觀測應(yīng)變地震波。這是真正實(shí)用的應(yīng)變地震儀。我們用YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀首先給出了體波的應(yīng)變變化圖像[12-14]。這是傳統(tǒng)的擺式地震儀無法做到的，也是其他地震儀未曾做到的[15]。正是通過對這些觀測數(shù)據(jù)的細(xì)致分析，才發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)線彈性理論的缺陷，即因?qū)ΨQ性而無法研究旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行了一系列理論創(chuàng)新，最終完成了專著《非對稱線彈性理論》。

圖10 康定M3.5地震的YRY-4和CTS-1的北南(N)和東西(E)分量的雙對數(shù)坐標(biāo)功率譜密度(PSD)Fig.10 Diagrams of power spectral density (PSD) of the North-South (N) and east-west (E) components of YRY-4 and CTS-1 of Kangding M3.5 earthquake

山西省忻州市有5個(gè)使用YRY-4型四元件鉆孔應(yīng)變儀的觀測點(diǎn)，是目前國內(nèi)這種觀測點(diǎn)最密集的地區(qū)(見第44頁圖12)。剛剛開始的忻州鉆孔應(yīng)變觀測實(shí)驗(yàn)，就是要利用該地區(qū)的這種密集觀測網(wǎng)開展研究。山西是地震多發(fā)地區(qū)，在未來的實(shí)驗(yàn)期限內(nèi)，忻州的鉆孔應(yīng)變觀測網(wǎng)有很大的概率記錄到一些地方震。我們不僅要研究震前異常變化，還要將目前的觀測采樣率提高到100 sps，對觀測地震波進(jìn)行研究。

圖11 擺式地震儀與用面波標(biāo)定的鉆孔應(yīng)變儀觀測曲線對比Fig.11 Comparison of observation curves between pendulum seismograph and borehole strainmeter calibrated by surface waves

圖12 忻州地區(qū)YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀觀測點(diǎn)分布Fig.12 Distribution of observation sites of YRY-4 borehole strainmeters in Xinzhou area

我們要進(jìn)一步研究用應(yīng)變地震儀都能做什么。例如：

(1) 用鉆孔應(yīng)變儀地震觀測數(shù)據(jù)確定地震三要素(時(shí)間、地點(diǎn)和震級)。一般，目前的測震定位方法都可以移植到鉆孔應(yīng)變觀測中使用。同時(shí)，鉆孔應(yīng)變觀測還可以利用應(yīng)變變化主方向的性質(zhì)，用獨(dú)特的方法來定位。特別是鉆孔應(yīng)變觀測不存在震級飽和的情況，更適合給出合理的震級。

(2) 說明各種地震波的應(yīng)變性質(zhì)。體波包括P波和S波。理論上，P波和S波都是用應(yīng)變定義的：P波是“無旋轉(zhuǎn)波”，即應(yīng)變張量的非對稱部分為0；S波是“等體積波”，即體應(yīng)變?yōu)?。由此可以建立進(jìn)一步識別各種地震波的新方法。例如，P波是無旋波，其應(yīng)變變化主方向是保持一致的；S波是等體積波，這意味著水平面的面應(yīng)變增大時(shí)，其垂直方向的線應(yīng)變就必然是收縮性的(這可以根據(jù)測震記錄判斷)。利用這些應(yīng)變性質(zhì)，結(jié)合測震記錄，可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行震相識別[11]。

(3) 求震源機(jī)制的矩張量解。根據(jù)惠更斯原理，彈性波是振動的傳播，波從振動源傳播到任何一點(diǎn)，都可以看成在該點(diǎn)激發(fā)出新的振動源，并且該振動源的性質(zhì)應(yīng)該與初始振動源一致。這意味著，在理想情況下，只要能觀測到一點(diǎn)的應(yīng)變變化張量，就能判斷出震源的矩張量性質(zhì)。實(shí)際上，P波和S波分開傳播，說明惠更斯原理不完全適用。理論上，只要有兩個(gè)應(yīng)變地震觀測點(diǎn)的記錄，就能求出震源矩張量解。目前，大地震的震源機(jī)制解可以借助全國甚至全球的使用擺式地震儀的臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)來求出，而小地震因?yàn)橥荒鼙蛔銐蚨嗟倪@種地震臺記錄到，所以難以求出震源機(jī)制解[16]。用兩個(gè)應(yīng)變地震觀測點(diǎn)的記錄即可求出地震的矩張量解，這對于解決小地方震的震源機(jī)制問題具有特別現(xiàn)實(shí)的重要意義。

(4) 對鉆孔應(yīng)變儀的基本參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。例如，大地震激發(fā)的地球自由振蕩是以震源為極點(diǎn)的，一些基頻振型的應(yīng)變變化主方向與極點(diǎn)分析有對應(yīng)關(guān)系。我們可以用實(shí)際觀測結(jié)果與理論對照，根據(jù)這種特點(diǎn)來驗(yàn)證元件方位。

5 結(jié)語

中國的四元件鉆孔應(yīng)變觀測技術(shù)領(lǐng)先世界，這種觀測技術(shù)每前進(jìn)一步都是創(chuàng)新。對于四元件鉆孔應(yīng)變觀測在中長周期頻段方面的表現(xiàn)鮮有爭論，需要的是在短周期頻段方面進(jìn)行擴(kuò)展。四元件鉆孔應(yīng)變觀測在中長周期頻段的表現(xiàn)，可以用理論固體潮來驗(yàn)證；在短周期頻段的表現(xiàn)，就要用地震波來驗(yàn)證。應(yīng)變地震波研究為這種應(yīng)變觀測應(yīng)用開拓了一個(gè)嶄新的廣闊領(lǐng)域，將大大提升這種觀測的科學(xué)地位。

地震學(xué)是以觀測為基礎(chǔ)的科學(xué)。歷史一再證明，觀測技術(shù)的進(jìn)步對這種科學(xué)的發(fā)展具有決定性意義。應(yīng)變的張量性質(zhì)決定了應(yīng)變地震儀與擺式地震儀的本質(zhì)區(qū)別。這種新觀測技術(shù)將為地震學(xué)提供新的數(shù)據(jù)資源，開辟應(yīng)變地震觀測研究的新領(lǐng)域。應(yīng)變地震儀不會替代傳統(tǒng)的擺式地震儀，而是進(jìn)一步將兩種地震儀結(jié)合使用，發(fā)揮更大的作用。

忻州鉆孔應(yīng)變觀測實(shí)驗(yàn)得到山西省地震局和忻州市地震局的大力支持，在此表示衷心感謝！