利用鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)反演斷層活動(dòng)

利用鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)反演斷層活動(dòng)

0基于鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)地震地質(zhì)特征和控制策略的方法所謂的活動(dòng)缺陷通?？梢岳斫鉃楝F(xiàn)在的活動(dòng)缺陷。對(duì)活斷層的研究在很大程度上是為了分析地震危險(xiǎn)性,對(duì)大城市活斷層探測(cè)而言尤其是這樣。在這個(gè)意義上,斷層第四紀(jì)的活動(dòng)、全新世的活動(dòng),都不比其現(xiàn)今的活動(dòng)更值得重視。因?yàn)楝F(xiàn)今的斷層活動(dòng)與應(yīng)力(應(yīng)變)場(chǎng)關(guān)系密切,所以眾多學(xué)者都進(jìn)行過(guò)這方面的研究(羅煥炎等,1980;汪素云等,1980;王仁等,1982;宋惠珍等,1982;張東寧等,1989;Massonnetetal.,1993;Hilletal.,1993;陳連旺等,1999;邱澤華等,2003,2004)。在這些研究中,有下列2種工具被廣泛使用。一種是有限元分析方法。很多學(xué)者使用這種工具做了大量工作(例如王仁等,1982),研究應(yīng)力場(chǎng)的起源、應(yīng)力場(chǎng)的分布特征、斷層的活動(dòng)以及地震的發(fā)生等問(wèn)題。有限元分析方法的優(yōu)點(diǎn)是,可以處理復(fù)雜問(wèn)題,無(wú)論邊界條件、斷層分布、介質(zhì)性質(zhì)多么復(fù)雜都可以處理。然而在實(shí)際使用中,因?yàn)橥鶡o(wú)法給出可靠的邊界條件、斷層分布和介質(zhì)性質(zhì),反而不得不引進(jìn)很多假設(shè),從而降低了結(jié)論的可信度,所以這種方法的優(yōu)點(diǎn)難以充分發(fā)揮作用。另一種是位錯(cuò)分析方法。當(dāng)一條斷層滑動(dòng)時(shí),其周?chē)鷳?yīng)變場(chǎng)就會(huì)變化。對(duì)于涉及斷層的應(yīng)變場(chǎng)變化問(wèn)題線(xiàn)彈性位錯(cuò)理論提供了有力的工具在一些產(chǎn)生了廣泛影響的研究中,例如在解釋InSAR觀(guān)測(cè)形變圖像方面(例如Massonnetetal.,1993)、在應(yīng)力轉(zhuǎn)移以及地震應(yīng)力觸發(fā)分析方面,位錯(cuò)理論都是研究人員的首選工具(例如Hilletal.,1993)。線(xiàn)彈性位錯(cuò)理論用半無(wú)限空間均勻介質(zhì)中的矩形位錯(cuò)平面來(lái)模擬斷層,可以根據(jù)位錯(cuò)來(lái)求解應(yīng)變場(chǎng)的變化。用這種方法研究斷層錯(cuò)動(dòng)造成的應(yīng)變場(chǎng)變化,既不用考慮邊界條件(無(wú)窮遠(yuǎn)處位移為零),也不用考慮斷層帶內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)如何變化。在反演問(wèn)題中,已知的一般是地面應(yīng)變變化,待求的是斷層的情況。如果該斷層的各種幾何參數(shù)已知,那么我們就可以用應(yīng)變場(chǎng)的觀(guān)測(cè)資料反演斷層的滑動(dòng)(位錯(cuò))。當(dāng)斷層不只一條時(shí),由于問(wèn)題是線(xiàn)彈性的,同樣可以進(jìn)行反演。本文提出了利用鉆孔應(yīng)變儀觀(guān)測(cè)資料反演斷層活動(dòng)的具體方法。鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)作為大地測(cè)量的主要手段之一,與GPS相比,有受地表干擾小和無(wú)需參考點(diǎn)等長(zhǎng)處,其用途十分廣泛,包括觀(guān)測(cè)連續(xù)變化:研究短臨地震前兆、斷層活動(dòng)、固體潮等問(wèn)題;觀(guān)測(cè)同震變化:研究震源過(guò)程、應(yīng)力觸發(fā)、地球自由振蕩等問(wèn)題;觀(guān)測(cè)震后變化:研究后續(xù)地震、慢地震等問(wèn)題(Sacksetal.,1978;Lindeetal.,1996;Ishiietal.,2002;邱澤華等,2003,2004)。北京地區(qū)鉆孔應(yīng)變臺(tái)站比較多,對(duì)活斷層的調(diào)查也比較全面深入,我們用2003—2005年的鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料對(duì)北京地區(qū)活斷層活動(dòng)進(jìn)行了嘗試性的反演,取得了比較合理的、有意義的結(jié)果。1應(yīng)變變化量的現(xiàn)實(shí)標(biāo)定我們的反演分析使用了北京及其附近地區(qū)9個(gè)鉆孔應(yīng)變臺(tái)站2002—2005年的數(shù)字化資料(表1)。其中,5個(gè)臺(tái)站使用的是國(guó)產(chǎn)的TJ型應(yīng)變儀(蘇愷之等,1987),4個(gè)臺(tái)站使用的是美國(guó)產(chǎn)的Sacks-Evertson型應(yīng)變儀(Sacksetal.,1971)。這些臺(tái)站的觀(guān)測(cè)值可以當(dāng)作面應(yīng)變數(shù)據(jù)(邱澤華等,2003,2004)。需要說(shuō)明的是:在這種觀(guān)測(cè)中,觀(guān)測(cè)值以壓縮為正。2002年前后,北京及其附近地區(qū)的鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)開(kāi)始普遍有數(shù)字化記錄。易志剛等(2006)對(duì)這些資料進(jìn)行了比較全面的處理,消除了氣壓和水位等干擾,并結(jié)合本地的地震活動(dòng)對(duì)觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)進(jìn)行了階段劃分大體上年月以前為第階段年月至年月為第2階段,2004年3月以后為第3階段(圖1)。根據(jù)蘇愷之(2003)的總結(jié),此類(lèi)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)儀器安裝以后一般會(huì)有1個(gè)月至半年的漂移。為避免漂移的影響,我們的反演沒(méi)有使用第1階段的數(shù)據(jù),只使用了第2和第3階段的資料,結(jié)合對(duì)各階段變化曲線(xiàn)進(jìn)行直線(xiàn)擬合估計(jì)了各階段的觀(guān)測(cè)變化量(表1)。在目前的實(shí)際地震預(yù)報(bào)中,人們只關(guān)心觀(guān)測(cè)曲線(xiàn)的相對(duì)變化,不知道變化量的實(shí)際大小也沒(méi)有很大關(guān)系。但是要開(kāi)展深入的研究,就必須說(shuō)明應(yīng)變變化量的實(shí)際大小。這就涉及鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)的實(shí)地標(biāo)定問(wèn)題。用理論應(yīng)變固體潮來(lái)對(duì)鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)進(jìn)行標(biāo)定,是目前被學(xué)者們一致采用的方法(駱鳴津等,1989;Hartetal.,1996;邱澤華等,2005a,b)。對(duì)于面應(yīng)變,這種標(biāo)定給出的結(jié)果是相當(dāng)好的。我們這里采用的標(biāo)定方法是以M2波的潮汐因子概念為依據(jù)的。計(jì)算固體潮的潮汐因子可用維尼迪可夫調(diào)合分析方法:式(1)中Hi為某一潮汐分波的振幅,ωi—為該潮汐分波的角頻率,φi該分波的初始相位,φ(t)為零點(diǎn)漂移。第i個(gè)潮汐波的潮汐因子定義為:第i個(gè)觀(guān)測(cè)潮汐波振幅與第i個(gè)理論潮汐波振幅之比。被廣泛使用的M2波的潮汐因子R0為式(2)中HM2為波的觀(guān)測(cè)振幅,HM02為波的理論振幅。即為我們反演使用的理論固體潮校正系數(shù)。用觀(guān)測(cè)變化乘以這個(gè)校正系數(shù),就得到符合相對(duì)一致性原則的校正值(邱澤華,2006)。表2給出了各臺(tái)站經(jīng)過(guò)校正的觀(guān)測(cè)變化和校正系數(shù)。這里經(jīng)過(guò)校正的數(shù)據(jù)已經(jīng)變?yōu)槔鞛檎Ｎ覀儗⒁赃@些經(jīng)過(guò)校正的應(yīng)變觀(guān)測(cè)變化數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行反演。2重新確定研究區(qū)的地質(zhì)條件一個(gè)地區(qū)的應(yīng)變場(chǎng)變化主要有兩方面的貢獻(xiàn):背景的構(gòu)造力作用和本地?cái)鄬拥幕顒?dòng)。一般地,背景的構(gòu)造應(yīng)變變化在時(shí)間和空間上都是十分緩慢的,因此,對(duì)于時(shí)間不長(zhǎng)、空間不大的反演,可以用一個(gè)均勻的應(yīng)變變化來(lái)近似代表。我們觀(guān)注的是斷層活動(dòng)的影響,要通過(guò)分析這種影響反演斷層的活動(dòng)程度。我們對(duì)北京地區(qū)的活斷層研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面的調(diào)研(焦青等,2006)。本地區(qū)第四紀(jì)活動(dòng)斷層與第四紀(jì)凹陷的展布密切相關(guān),主要以NE和NW走向?yàn)橹?包括較大規(guī)模的斷層11條,其中NE走向8條,NW走向3條。目前,較有普遍性的看法是,全新世仍然活動(dòng)的斷層主要是黃莊-高麗營(yíng)斷層(北段)、南口-孫河斷層和順義-良鄉(xiāng)斷層(北段)。其中,南口-孫河斷層分為西北和東南兩段:西北段向NE傾,東南段向SW傾。本研究就是要嘗試反演這幾條斷層的活動(dòng)。反演模型所用參數(shù)見(jiàn)表3。表3中的參數(shù)分為兩類(lèi):第1類(lèi)是比較確定的,包括中點(diǎn)位置(經(jīng)、緯度)和走向,在反演中不變;第2類(lèi)是誤差可能比較大的,包括傾角、滑移角、長(zhǎng)度和深度,在反演中將以表3中的值為參考給定一個(gè)變化范圍,搜索最優(yōu)值。在我們研究的具體問(wèn)題中,已知條件是地面一些觀(guān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化,還有斷層的性質(zhì)以及分布范圍,待求的是斷層的錯(cuò)動(dòng)(位錯(cuò))量。我們根據(jù)線(xiàn)彈性位錯(cuò)理論(Okada,1985),用半無(wú)限空間均勻介質(zhì)中的矩形位錯(cuò)平面來(lái)模擬斷層,用各觀(guān)測(cè)點(diǎn)觀(guān)測(cè)值與理論值的擬合方差作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行搜索,反演結(jié)果就是使方差最小的結(jié)果。3新型目數(shù)法搜索地球物理的反演問(wèn)題通常是通過(guò)搜索來(lái)找到解的。傳統(tǒng)的搜索方法包括極值法、枚舉法和隨機(jī)(蒙特卡羅)法。3種方法各自的缺點(diǎn)是:極值法要求高;枚舉法計(jì)算量大;隨機(jī)法無(wú)序可尋。我們采用的近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的遺傳算法(石耀霖,1992;石耀霖等,1995),是基于進(jìn)化論和遺傳學(xué)的一種搜索方法。與傳統(tǒng)搜索方法相比,其優(yōu)點(diǎn)是,僅利用目標(biāo)函數(shù)而不需要其導(dǎo)數(shù),搜索范圍具有全局性,有序可尋,效率比較高。遺傳算法把問(wèn)題的解表示成“染色體”(二進(jìn)制編碼的串)。在執(zhí)行遺傳算法之前,給出一群“染色體”,即假設(shè)解。按適者生存的原則,從中選擇出較適應(yīng)環(huán)境的“染色體”進(jìn)行復(fù)制,再通過(guò)交配變異產(chǎn)生更適應(yīng)環(huán)境的新一代染色體群這樣一代一代地進(jìn)化最后會(huì)收斂到最適應(yīng)環(huán)境的一個(gè)“染色體”,它就是問(wèn)題的最優(yōu)解。遺傳算法中的基本概念有種群大小、目標(biāo)函數(shù)、繁殖、交配和變異等,目標(biāo)函數(shù)用來(lái)判別上一代解的優(yōu)劣,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)選擇并繁殖下一代,對(duì)于選中繁殖下一代的個(gè)體,隨機(jī)地進(jìn)行交配與變異以使搜索具有全局性種群大小與交配變異的概率都會(huì)對(duì)算法產(chǎn)生影響根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和我們的經(jīng)驗(yàn),在本計(jì)算中,種群大小取為64,交配概率為0.85,變異概率取為0.15。在遺傳算法中,將各搜索區(qū)域分為2n段,n稱(chēng)為分段系數(shù)。4斷層應(yīng)變場(chǎng)反演在對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行反演之前,我們用假想的情況檢驗(yàn)了反演程序的正確性。檢驗(yàn)方法是先任意給定斷層的所有參數(shù)和位錯(cuò),計(jì)算其應(yīng)變場(chǎng),然后根據(jù)實(shí)際臺(tái)站應(yīng)該觀(guān)測(cè)到的應(yīng)變變化反演其中一部分參數(shù)和位錯(cuò),與給定的值進(jìn)行比較。表1給出了反演檢驗(yàn)結(jié)果。給定的斷層地面中心坐標(biāo)為東經(jīng)北緯走向長(zhǎng)度反演得到的傾角滑移角深度以及位錯(cuò)與給定值符合得很好,說(shuō)明算法和程序都正確無(wú)誤。5區(qū)域內(nèi)活斷層活動(dòng)的差異表5和圖2以及表6和圖3給出了我們利用鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料反演北京地區(qū)活斷層現(xiàn)今活動(dòng)的結(jié)果,下面對(duì)兩個(gè)時(shí)期的情況分別進(jìn)行論述。2003年4月至2004年5月:背景的應(yīng)變變化表現(xiàn)為整體受到壓縮。西北部分的黃莊-高麗營(yíng)斷層北段和南口孫河斷層西北段沒(méi)有明顯錯(cuò)動(dòng)相比之下東南部分的南口孫河斷層?xùn)|南段和順義-良鄉(xiāng)斷層北段錯(cuò)動(dòng)比較大。對(duì)照該時(shí)期的小震活動(dòng),主要發(fā)生在本地區(qū)的東南部分,與反演結(jié)果是一致的。2004年6月至2005年5月:背景的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)為整體受到拉伸。黃莊-高麗營(yíng)斷層北段和南口-孫河斷層西北段依然沒(méi)有明顯錯(cuò)動(dòng),而南口-孫河斷層?xùn)|南段和順義-良鄉(xiāng)斷層北段錯(cuò)動(dòng)雖然相對(duì)比較大,但是明顯小于前一個(gè)時(shí)期。對(duì)照當(dāng)?shù)卦摃r(shí)期的小震活動(dòng),與前一個(gè)時(shí)期相比也明顯變少,只局限于寶坻—天津一帶,與反演結(jié)果也是一致的。綜合考慮兩個(gè)時(shí)期的活斷層活動(dòng)反演結(jié)果,可以看到本地區(qū)的活斷層活動(dòng)與小震活動(dòng)有明顯的相關(guān)性。西北部分小震活動(dòng)處于平靜階段,該地區(qū)的黃莊-高麗營(yíng)斷層北段和南口-孫河斷層西北段相應(yīng)地也沒(méi)有明顯錯(cuò)動(dòng);東南部分的小震活動(dòng)性比較強(qiáng),該地區(qū)的南口-孫河斷層?xùn)|南段和順義-良鄉(xiāng)斷層北段錯(cuò)動(dòng)也比較大。兩個(gè)時(shí)期的活斷層活動(dòng)特點(diǎn)基本一致,也體現(xiàn)了當(dāng)?shù)貥?gòu)造活動(dòng)的延續(xù)性。6嘗試研究的反思我們提出可以用鉆孔應(yīng)變觀(guān)測(cè)資料反演活斷層活動(dòng),并在北京地區(qū)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。反演結(jié)果中存在一些疑問(wèn)并不出人意料。地殼中存在大量不同尺度、形狀各異、位錯(cuò)不均的斷層,簡(jiǎn)單的模型無(wú)法完全準(zhǔn)確反演真實(shí)情況?？梢赃@樣認(rèn)為:我們的反演結(jié)果可能是所有被觸發(fā)的斷層活動(dòng)的主要影響或綜合效果的反映。一方面,我們的反演結(jié)果看起來(lái)與人們以往的研究結(jié)論并不沖突;另一方面,我們也要強(qiáng)調(diào)這種反演還處于嘗試階段。問(wèn)題可能出在:(1)觀(guān)測(cè)資料方面。臺(tái)站數(shù)目畢竟還很有限,是否能代表整個(gè)地區(qū)的基本應(yīng)變變化還是有疑問(wèn)的。同時(shí),雖然各個(gè)臺(tái)站的變化用理論固體潮來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定,但是究竟與實(shí)際情況有怎樣的誤差也是未知的。(2)活斷層方面。人們對(duì)活斷層分布和性質(zhì)的掌握通常有相當(dāng)大