寶臺(tái)sacka鉆孔體應(yīng)變儀地震響應(yīng)能力研究

寶臺(tái)sacka鉆孔體應(yīng)變儀地震響應(yīng)能力研究

1體應(yīng)變臺(tái)地震資料及討論孔體預(yù)變儀是一種高精度的地形變量觀測(cè)機(jī)器。最適合顯示短期變形變化，因此可以記錄完整的體變形地震波數(shù)據(jù)。目前,我國(guó)使用的體應(yīng)變儀分為兩類,一類是20世紀(jì)80年代中期從美國(guó)華盛頓卡耐基研究所進(jìn)口的6套Sacks體應(yīng)變儀,另一類是中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制的TJ型體應(yīng)變儀,現(xiàn)全國(guó)已有80套儀器在運(yùn)行。隨著中國(guó)地震局“九五”、“十五”臺(tái)站數(shù)字化改造的實(shí)施,體應(yīng)變臺(tái)站基本都實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)分鐘值采樣,并記錄到許多體應(yīng)變地震波觀測(cè)資料。體應(yīng)變地震波反映了來(lái)自震源區(qū)的信息,它是建立地應(yīng)變與地震之間關(guān)系的最直接的橋梁,故對(duì)短臨地震前兆異常量級(jí)的探索有至關(guān)重要的意義。由于大部分儀器實(shí)施數(shù)字化采樣的時(shí)間比較短,積累的震例有限,對(duì)同震應(yīng)變波的研究尚需進(jìn)一步深入和完善。寶坻臺(tái)Sacks體應(yīng)變已連續(xù)積累了7年分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù),為開展地震波的資料分析奠定了一定工作基礎(chǔ),與有關(guān)學(xué)者做的工作不同,本文擬以該臺(tái)為例重點(diǎn)研究以下幾個(gè)問(wèn)題:1)體應(yīng)變儀的地震響應(yīng)能力;2)體應(yīng)變地震波振幅與震級(jí)和震中距之間的數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系及變化規(guī)律;3)體應(yīng)變震時(shí)應(yīng)變階的表現(xiàn)特征及與斷層的關(guān)系;4)各臺(tái)站體應(yīng)變同震振幅幅值的差異性與觀測(cè)系統(tǒng)的關(guān)系。2寶玉臺(tái)體畸變地震波觀測(cè)2.1井底基巖上的巷道基巖和基巖下的地層變形寶坻井位于天津市寶坻縣城關(guān)鎮(zhèn)圣人莊,井深253m,第四系厚182m,主要為粉細(xì)砂、亞粘土和粘土,基巖上部為白云巖,下部為含有頁(yè)巖夾層的砂巖。Sacks體應(yīng)變儀探頭用膨脹水泥固結(jié)在井底基巖上,該種儀器觀測(cè)動(dòng)態(tài)范圍大(響應(yīng)頻率從0到幾赫茲),應(yīng)變靈敏度高達(dá)10-11,當(dāng)巖石作用力發(fā)生變化時(shí),鋼筒產(chǎn)生變形,用差動(dòng)變壓器測(cè)量之。規(guī)定體應(yīng)變曲線向上表示探頭受壓,下降為膨脹。2.2同震振幅60610-92008年5月12日汶川發(fā)生Ms8.0大地震,寶坻臺(tái)Sacks體應(yīng)變儀記錄到體應(yīng)變地震波(圖1)。如果將同震振幅定義為1分鐘內(nèi)體應(yīng)變儀記錄到的最大變化(由于采樣率低,它可能不是整個(gè)地震過(guò)程中的最大振幅),則此次地震的同震振幅為606×10-9,地震波14時(shí)32分到達(dá),持續(xù)時(shí)間約1小時(shí)21分,波形特征是先張后壓,之后劇烈震蕩,迅速衰減,并產(chǎn)生一個(gè)張性(-38×10-9)應(yīng)變階(圖1)。2.3震級(jí)和震級(jí)a利用2001—2005年全球地震目錄,搜集了體應(yīng)變同震觀測(cè)資料,作出寶坻臺(tái)體應(yīng)變儀地震響應(yīng)能力統(tǒng)計(jì)圖(圖2),可知在震中距20000km范圍內(nèi),有、無(wú)地震波記錄的體應(yīng)變存在一條明顯的分界線L,即Ms表示面波震級(jí),d為震中距。式(1)表示震中距離每增加1000km,地震至少增加0.09級(jí),體應(yīng)變儀才能記錄到地震波,這說(shuō)明體應(yīng)變儀的地震響應(yīng)能力與震級(jí)和震中距有關(guān)。圖2也顯示在震中距5000±600km區(qū)域內(nèi),部分有、無(wú)地震波記錄的體應(yīng)變?cè)诜纸缇€附近重合,這可能反映了地震波傳播路徑的差異。圖2還說(shuō)明能產(chǎn)生體應(yīng)變震時(shí)應(yīng)變階的實(shí)例很少,4年中只有昆侖山地震發(fā)生時(shí)才記錄到這種變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì),體應(yīng)變儀能記錄到地震波的地區(qū)主要分布于中國(guó)大陸、菲律賓、太平洋、阿拉伯和歐亞大陸,無(wú)地震波記錄的地區(qū)主要為南極、南美、北美、非洲,原因可能是震中距太遠(yuǎn)、震級(jí)相對(duì)偏小(個(gè)別的震例除外)等。2.4震級(jí)對(duì)振幅的影響2002—2008年印尼蘇門答臘多次發(fā)生強(qiáng)烈地震,震中距寶坻臺(tái)為4800±200km,發(fā)現(xiàn)體應(yīng)變地震波振幅(F)隨震級(jí)(Ms)增加呈指數(shù)規(guī)律上升(圖3(a)),即該曲線存在拐點(diǎn),當(dāng)震級(jí)大于7.5以后,振幅隨震級(jí)增加呈大幅值快速上升。使用相同方法,按震中距(d1～d7)范圍不同分別統(tǒng)計(jì),可得到一組曲線族(圖3(b)),振幅與震級(jí)之間依然符合指數(shù)關(guān)系:式(3)～(9)用一般式表示為a、b是與震中距有關(guān)的系數(shù),有:圖3(b)曲線族的基本特征是,震級(jí)小于6.5時(shí)各曲線相差不明顯,但當(dāng)震級(jí)大于6.5時(shí),各曲線開始出現(xiàn)顯著差異,d1～d5隨震級(jí)增大快速上升,且d1、d2和d3幅度相差較大,而d3、d4和d5則較為接近(當(dāng)Ms>8.0時(shí),如果統(tǒng)計(jì)的震例足夠多,估計(jì)振幅的差異才會(huì)顯示出來(lái)),d5和d6幅值又進(jìn)一步拉大。震級(jí)相同時(shí),震中距越短,振幅越大;振幅相同時(shí),震中距越短,震級(jí)越小。2.5體應(yīng)變振幅隨深度的變化當(dāng)Ms=7.3時(shí),體應(yīng)變地震波振幅(F)與震中距(d)存在冪函數(shù)規(guī)律(圖4(a)),即同理,式(12)～(14)可用一般式表示為a、b是與震級(jí)有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)震級(jí)小于7時(shí),振幅與震級(jí)不再保持冪函數(shù)規(guī)律,而是拋物線關(guān)系(圖4(b)),有:Ms=6.8,F=(2×10-7)d2-0.004d+25.49(16)Ms=6.5,F=(3×10-7)d2-0.004d+17.60(17)Ms=6.2,F=(2×10-7)d2-0.002d+11.34(18)這種關(guān)系可能是一種表象,因?yàn)?級(jí)比7級(jí)地震小很多,所以體應(yīng)變地震波振幅出現(xiàn)高值的范圍也縮短到震中距1500km以內(nèi),由于這一區(qū)域缺少震例,因而統(tǒng)計(jì)得到的拋物線沒(méi)有反映出這一階段情況,而7級(jí)地震得到的冪函數(shù)規(guī)律要更客觀。圖4(b)各條曲線基本特征是振幅均隨震中距增加而減小,特別是當(dāng)震中距小于5000km時(shí)振幅隨震中距增加迅速衰減,6.2級(jí)地震大約在震中距5000km時(shí)振幅衰減為0,6.5級(jí)在8000km,6.8級(jí)在10000km,7級(jí)以上地震則在16000km范圍內(nèi)基本都能記錄到體應(yīng)變地震波。當(dāng)震中距相同時(shí)震級(jí)越高,體應(yīng)變振幅也越大。對(duì)首都圈順義、東三旗、大興、昌平和淶水等5個(gè)臺(tái)站Sacks體應(yīng)變地震波的研究也得到與寶坻臺(tái)相近的結(jié)果。3震時(shí)應(yīng)變階的初步識(shí)別震時(shí)應(yīng)變階分為張性和壓性兩種情況。對(duì)于2008年5月12日汶川Ms8.0地震,京津地區(qū)6套Sacks體應(yīng)變儀全部紀(jì)錄到體應(yīng)變地震波,其中有3臺(tái)產(chǎn)生震時(shí)壓性應(yīng)變階,另3臺(tái)為張性應(yīng)變階,其幅值各異,最大相差近4倍(表1),這是觀測(cè)以來(lái)6個(gè)臺(tái)站唯一一次同時(shí)記錄到震時(shí)應(yīng)變階的實(shí)例。此外,近幾年國(guó)內(nèi)外還發(fā)生過(guò)兩次特大地震(昆侖山口西Ms8.1和印尼蘇門答臘Ms8.7地震),雖然各臺(tái)站震中距相近,但有的記錄到震時(shí)應(yīng)變階,有的則沒(méi)有(表1)。昌平臺(tái)井深320m,位于北西向南口-孫河斷裂和北東向南口山前斷裂的交匯部位,基巖主要由白云巖組成,巖溶裂隙比較發(fā)育,除汶川和昆侖山2次遠(yuǎn)震記錄到壓性應(yīng)變階外,在1990年9月22日北京沙河Ms4.0近震時(shí),還記錄到1次震時(shí)壓性應(yīng)變階,幅值為22×10-9,震中距19.7km。東三旗臺(tái)井深285m,北西向南口-孫河斷裂與北東向黃莊-高麗營(yíng)斷裂和八寶山斷裂在此交匯,基巖為震旦紀(jì)白云質(zhì)灰?guī)r,除表1所示3次遠(yuǎn)震都記錄到震時(shí)壓性應(yīng)變階外,還記錄到兩次近震震時(shí)應(yīng)變階,分別是1990年9月22日北京沙河Ms4.0和1996年12月16日順義高麗營(yíng)Ms4.0,幅值分別為31×10-9和24.8×10-9,震中距為3.1km和10.3km。大興臺(tái)井深340m,位于北東向通縣-南苑斷裂南側(cè)大興隆起南緣,基巖為灰?guī)r,只記錄到兩次震時(shí)壓性應(yīng)變階(表1)。順義臺(tái)井深370m,位于北東向懷柔-涿縣斷裂北端,基巖為寒武紀(jì)灰?guī)r,節(jié)理裂隙發(fā)育并有溶洞,除汶川地震記錄到張性應(yīng)變階外,在2002年3月31日臺(tái)灣Ms7.4和2003年8月16日內(nèi)蒙赤峰Ms5.6地震時(shí),還記錄到兩次張性應(yīng)變階,幅值分別為-25.4×10-9和-2×10-9,震中距為1863km和480km。淶水臺(tái)井深388m,受北東向懷柔-涿縣斷裂與一條北西向正斷層控制,構(gòu)造較為復(fù)雜,基巖為震旦紀(jì)硅質(zhì)和泥質(zhì)白云巖,只記錄到兩次震時(shí)張性應(yīng)變階(表1)。寶坻臺(tái)井深253m,位于東西向?qū)氎鏀鄬痈浇?基巖上部為白云巖,下部為砂巖,在汶川和昆侖山兩次大震時(shí)都記錄到張性應(yīng)變階,但在1999年9月21日臺(tái)灣Ms7.6級(jí)地震時(shí)記錄到的卻是壓性應(yīng)變階,幅值為9.2×10-9,震中距1779km,這是在同一Sacks體應(yīng)變臺(tái)站記錄到的唯一一次與以往極性相反的震時(shí)應(yīng)變階。統(tǒng)計(jì)分析表明體應(yīng)變震時(shí)應(yīng)變階出現(xiàn)的幾率很小,一般只發(fā)生在震級(jí)較大或離震中較近的情況,即與震級(jí)成正比,與震中距成反比,且處于同一斷層的測(cè)點(diǎn)并不一定能同時(shí)記錄到應(yīng)變階。初步看在同一斷層的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變階極性基本相同,但與斷層走向無(wú)確定對(duì)應(yīng)關(guān)系,如昌平和東三旗臺(tái)同處南口-孫河斷裂,在這幾次地震中體應(yīng)變震時(shí)應(yīng)變階都呈壓性,順義和淶水臺(tái)同處懷柔-涿縣斷裂,震時(shí)應(yīng)變階都呈張性。當(dāng)然統(tǒng)計(jì)的震例比較少,還不能說(shuō)明是否存在普遍規(guī)律。震時(shí)應(yīng)變階反映了觀測(cè)井附近巖層發(fā)生了瞬時(shí)錯(cuò)動(dòng),并出現(xiàn)不可恢復(fù)性變形,這是地震觸發(fā)遠(yuǎn)處巖層運(yùn)動(dòng)的直接證據(jù),但是否觸發(fā)了觀測(cè)點(diǎn)附近斷層的活動(dòng),尚需要跨斷層測(cè)量資料的進(jìn)一步論證。4體應(yīng)變地震波振幅幅值存在差異性的原因分析表1顯示3次大震中,雖然各臺(tái)站震中距都比較接近,但Sacks體應(yīng)變地震波振幅幅值卻存在明顯差異,最大相差3.5倍?？紤]到實(shí)測(cè)氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響系數(shù),各臺(tái)站也不相同,最大可達(dá)4倍,體應(yīng)變M2波潮汐因子也相差近4倍。筆者認(rèn)為真實(shí)的巖石體應(yīng)變之間并無(wú)如此大的差異,但由于存在觀測(cè)井孔耦合效應(yīng),巖石本身固有的差異被人為放大了。體應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)由3部分構(gòu)成,分別是儀器鋼筒、井孔巖石和將鋼筒與巖石相粘結(jié)的膨脹水泥,這3層復(fù)合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無(wú)孔巖石的真實(shí)體應(yīng)變(ε真)與觀測(cè)體應(yīng)變(ε觀)不同,二者之間存在一個(gè)倍數(shù)關(guān)系,這個(gè)倍數(shù)稱之為井孔耦合系數(shù)(β),有ε觀=βε真,對(duì)β值的求算結(jié)果稱為體應(yīng)變儀的實(shí)地標(biāo)定。各臺(tái)站只有求出巖石的真實(shí)體應(yīng)變,相互間的量值才具有絕對(duì)可比性。對(duì)于同種體應(yīng)變儀,各測(cè)點(diǎn)儀器鋼筒、鉆孔孔徑和水泥層的有關(guān)參數(shù)可看作近似相同,但巖石層彈性參數(shù)差別較大,彈性模量一般為(1～9)×10-9Pa,泊松系數(shù)為0.2～0.4,這個(gè)差異經(jīng)過(guò)井孔耦合放大,導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)井孔耦合系數(shù)存在明顯不同,從而造成各臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)值之間呈現(xiàn)明顯的差異性。文獻(xiàn)從理論上推導(dǎo)了平面應(yīng)力作用下,Sacks體應(yīng)變儀井孔耦合系數(shù)的表達(dá)式,并算得各井β值在2.0～8.6之間變化,說(shuō)明巖石的真實(shí)體應(yīng)變經(jīng)觀測(cè)系統(tǒng)被放大了,各井放大量最大可相差4.3倍;文獻(xiàn)推導(dǎo)了Sacks體應(yīng)變的氣壓干擾模型,在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步給出垂直應(yīng)力作用下井孔耦合系數(shù)的表達(dá)式,算得各井β值在2.3～7.0之間變化,最大可相差3倍;文獻(xiàn)探討了在潮汐力作用下,應(yīng)變儀井孔耦合系數(shù)約等于固體潮實(shí)際觀測(cè)值與理論值的回歸系數(shù),求得Sacks體應(yīng)變各井β值在0.58～3.23之間變化,最大相差5.6倍。不難看出在平面應(yīng)力、垂直應(yīng)力和潮汐力作用下,體應(yīng)變井孔耦合系數(shù)都不相同,由此筆者提出一點(diǎn)新認(rèn)識(shí),即井孔耦合系數(shù)與體應(yīng)變觀測(cè)系統(tǒng)的受力狀況密切相關(guān),不存在通用的耦合系數(shù)。體應(yīng)變地震波是在地震應(yīng)力作用下儀器記錄到的來(lái)自震源的信息,這個(gè)受力過(guò)程非常復(fù)雜,目前尚難以建立該種應(yīng)力模式下井孔耦合系數(shù)的計(jì)算方程,但不論哪種應(yīng)力模式,井孔耦合系數(shù)都與巖石的彈性參數(shù)有關(guān),這是同震振幅存在差異的根源。4相對(duì)重要性的監(jiān)測(cè)半徑1)單臺(tái)體應(yīng)變儀記錄到的同震振幅,符合隨震級(jí)增大而上升的指數(shù)關(guān)系,同時(shí)還遵循隨震中距增加而衰減的冪函數(shù)規(guī)律,根據(jù)其變化特征推算體應(yīng)變前兆最大量級(jí)應(yīng)與孕震震級(jí)的大小成正比、與孕震區(qū)的遠(yuǎn)近成反比。如由公式(3)可知寶坻臺(tái)體應(yīng)變,在1400±200km監(jiān)測(cè)半徑內(nèi),對(duì)Ms5.0地震,最大前兆量級(jí)小于0.62×10-9,基本無(wú)檢測(cè)能力;對(duì)Ms6.0地震,最大前兆量級(jí)小于6.02×10-9;對(duì)Ms7.0地震,最大前兆量級(jí)小于67.6×10-9;對(duì)Ms8.0地震,最大前兆量級(jí)小