寶臺sacka鉆孔體應變儀地震響應能力研究

寶臺sacka鉆孔體應變儀地震響應能力研究

1體應變臺地震資料及討論孔體預變儀是一種高精度的地形變量觀測機器。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,我國使用的體應變儀分為兩類,一類是20世紀80年代中期從美國華盛頓卡耐基研究所進口的6套Sacks體應變儀,另一類是中國地震局地殼應力研究所研制的TJ型體應變儀,現(xiàn)全國已有80套儀器在運行。隨著中國地震局“九五”、“十五”臺站數(shù)字化改造的實施,體應變臺站基本都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分鐘值采樣,并記錄到許多體應變地震波觀測資料。體應變地震波反映了來自震源區(qū)的信息,它是建立地應變與地震之間關系的最直接的橋梁,故對短臨地震前兆異常量級的探索有至關重要的意義。由于大部分儀器實施數(shù)字化采樣的時間比較短,積累的震例有限,對同震應變波的研究尚需進一步深入和完善。寶坻臺Sacks體應變已連續(xù)積累了7年分鐘值觀測數(shù)據(jù),為開展地震波的資料分析奠定了一定工作基礎,與有關學者做的工作不同,本文擬以該臺為例重點研究以下幾個問題:1)體應變儀的地震響應能力;2)體應變地震波振幅與震級和震中距之間的數(shù)理統(tǒng)計關系及變化規(guī)律;3)體應變震時應變階的表現(xiàn)特征及與斷層的關系;4)各臺站體應變同震振幅幅值的差異性與觀測系統(tǒng)的關系。2寶玉臺體畸變地震波觀測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鎮(zhèn)圣人莊,井深253m,第四系厚182m,主要為粉細砂、亞粘土和粘土,基巖上部為白云巖,下部為含有頁巖夾層的砂巖。Sacks體應變儀探頭用膨脹水泥固結(jié)在井底基巖上,該種儀器觀測動態(tài)范圍大(響應頻率從0到幾赫茲),應變靈敏度高達10-11,當巖石作用力發(fā)生變化時,鋼筒產(chǎn)生變形,用差動變壓器測量之。規(guī)定體應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Sacks體應變儀記錄到體應變地震波(圖1)。如果將同震振幅定義為1分鐘內(nèi)體應變儀記錄到的最大變化(由于采樣率低,它可能不是整個地震過程中的最大振幅),則此次地震的同震振幅為606×10-9,地震波14時32分到達,持續(xù)時間約1小時21分,波形特征是先張后壓,之后劇烈震蕩,迅速衰減,并產(chǎn)生一個張性(-38×10-9)應變階(圖1)。2.3震級和震級a利用2001—2005年全球地震目錄,搜集了體應變同震觀測資料,作出寶坻臺體應變儀地震響應能力統(tǒng)計圖(圖2),可知在震中距20000km范圍內(nèi),有、無地震波記錄的體應變存在一條明顯的分界線L,即Ms表示面波震級,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,體應變儀才能記錄到地震波,這說明體應變儀的地震響應能力與震級和震中距有關。圖2也顯示在震中距5000±600km區(qū)域內(nèi),部分有、無地震波記錄的體應變在分界線附近重合,這可能反映了地震波傳播路徑的差異。圖2還說明能產(chǎn)生體應變震時應變階的實例很少,4年中只有昆侖山地震發(fā)生時才記錄到這種變化。經(jīng)統(tǒng)計,體應變儀能記錄到地震波的地區(qū)主要分布于中國大陸、菲律賓、太平洋、阿拉伯和歐亞大陸,無地震波記錄的地區(qū)主要為南極、南美、北美、非洲,原因可能是震中距太遠、震級相對偏小(個別的震例除外)等。2.4震級對振幅的影響2002—2008年印尼蘇門答臘多次發(fā)生強烈地震,震中距寶坻臺為4800±200km,發(fā)現(xiàn)體應變地震波振幅(F)隨震級(Ms)增加呈指數(shù)規(guī)律上升(圖3(a)),即該曲線存在拐點,當震級大于7.5以后,振幅隨震級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,可得到一組曲線族(圖3(b)),振幅與震級之間依然符合指數(shù)關系:式(3)～(9)用一般式表示為a、b是與震中距有關的系數(shù),有:圖3(b)曲線族的基本特征是,震級小于6.5時各曲線相差不明顯,但當震級大于6.5時,各曲線開始出現(xiàn)顯著差異,d1～d5隨震級增大快速上升,且d1、d2和d3幅度相差較大,而d3、d4和d5則較為接近(當Ms>8.0時,如果統(tǒng)計的震例足夠多,估計振幅的差異才會顯示出來),d5和d6幅值又進一步拉大。震級相同時,震中距越短,振幅越大;振幅相同時,震中距越短,震級越小。2.5體應變振幅隨深度的變化當Ms=7.3時,體應變地震波振幅(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是與震級有關的系數(shù)。當震級小于7時,振幅與震級不再保持冪函數(shù)規(guī)律,而是拋物線關系(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)這種關系可能是一種表象,因為6級比7級地震小很多,所以體應變地震波振幅出現(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)計得到的拋物線沒有反映出這一階段情況,而7級地震得到的冪函數(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,特別是當震中距小于5000km時振幅隨震中距增加迅速衰減,6.2級地震大約在震中距5000km時振幅衰減為0,6.5級在8000km,6.8級在10000km,7級以上地震則在16000km范圍內(nèi)基本都能記錄到體應變地震波。當震中距相同時震級越高,體應變振幅也越大。對首都圈順義、東三旗、大興、昌平和淶水等5個臺站Sacks體應變地震波的研究也得到與寶坻臺相近的結(jié)果。3震時應變階的初步識別震時應變階分為張性和壓性兩種情況。對于2008年5月12日汶川Ms8.0地震,京津地區(qū)6套Sacks體應變儀全部紀錄到體應變地震波,其中有3臺產(chǎn)生震時壓性應變階,另3臺為張性應變階,其幅值各異,最大相差近4倍(表1),這是觀測以來6個臺站唯一一次同時記錄到震時應變階的實例。此外,近幾年國內(nèi)外還發(fā)生過兩次特大地震(昆侖山口西Ms8.1和印尼蘇門答臘Ms8.7地震),雖然各臺站震中距相近,但有的記錄到震時應變階,有的則沒有(表1)。昌平臺井深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次遠震記錄到壓性應變階外,在1990年9月22日北京沙河Ms4.0近震時,還記錄到1次震時壓性應變階,幅值為22×10-9,震中距19.7km。東三旗臺井深285m,北西向南口-孫河斷裂與北東向黃莊-高麗營斷裂和八寶山斷裂在此交匯,基巖為震旦紀白云質(zhì)灰?guī)r,除表1所示3次遠震都記錄到震時壓性應變階外,還記錄到兩次近震震時應變階,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,只記錄到兩次震時壓性應變階(表1)。順義臺井深370m,位于北東向懷柔-涿縣斷裂北端,基巖為寒武紀灰?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變階外,在2002年3月31日臺灣Ms7.4和2003年8月16日內(nèi)蒙赤峰Ms5.6地震時,還記錄到兩次張性應變階,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)造較為復雜,基巖為震旦紀硅質(zhì)和泥質(zhì)白云巖,只記錄到兩次震時張性應變階(表1)。寶坻臺井深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都記錄到張性應變階,但在1999年9月21日臺灣Ms7.6級地震時記錄到的卻是壓性應變階,幅值為9.2×10-9,震中距1779km,這是在同一Sacks體應變臺站記錄到的唯一一次與以往極性相反的震時應變階。統(tǒng)計分析表明體應變震時應變階出現(xiàn)的幾率很小,一般只發(fā)生在震級較大或離震中較近的情況,即與震級成正比,與震中距成反比,且處于同一斷層的測點并不一定能同時記錄到應變階。初步看在同一斷層的測點應變階極性基本相同,但與斷層走向無確定對應關系,如昌平和東三旗臺同處南口-孫河斷裂,在這幾次地震中體應變震時應變階都呈壓性,順義和淶水臺同處懷柔-涿縣斷裂,震時應變階都呈張性。當然統(tǒng)計的震例比較少,還不能說明是否存在普遍規(guī)律。震時應變階反映了觀測井附近巖層發(fā)生了瞬時錯動,并出現(xiàn)不可恢復性變形,這是地震觸發(fā)遠處巖層運動的直接證據(jù),但是否觸發(fā)了觀測點附近斷層的活動,尚需要跨斷層測量資料的進一步論證。4體應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,雖然各臺站震中距都比較接近,但Sacks體應變地震波振幅幅值卻存在明顯差異,最大相差3.5倍?？紤]到實測氣壓對體應變的影響系數(shù),各臺站也不相同,最大可達4倍,體應變M2波潮汐因子也相差近4倍。筆者認為真實的巖石體應變之間并無如此大的差異,但由于存在觀測井孔耦合效應,巖石本身固有的差異被人為放大了。體應變觀測系統(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層復合結(jié)構(gòu)導致無孔巖石的真實體應變(ε真)與觀測體應變(ε觀)不同,二者之間存在一個倍數(shù)關系,這個倍數(shù)稱之為井孔耦合系數(shù)(β),有ε觀=βε真,對β值的求算結(jié)果稱為體應變儀的實地標定。各臺站只有求出巖石的真實體應變,相互間的量值才具有絕對可比性。對于同種體應變儀,各測點儀器鋼筒、鉆孔孔徑和水泥層的有關參數(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,這個差異經(jīng)過井孔耦合放大,導致各測點井孔耦合系數(shù)存在明顯不同,從而造成各臺體應變觀測值之間呈現(xiàn)明顯的差異性。文獻從理論上推導了平面應力作用下,Sacks體應變儀井孔耦合系數(shù)的表達式,并算得各井β值在2.0～8.6之間變化,說明巖石的真實體應變經(jīng)觀測系統(tǒng)被放大了,各井放大量最大可相差4.3倍;文獻推導了Sacks體應變的氣壓干擾模型,在此基礎上可進一步給出垂直應力作用下井孔耦合系數(shù)的表達式,算得各井β值在2.3～7.0之間變化,最大可相差3倍;文獻探討了在潮汐力作用下,應變儀井孔耦合系數(shù)約等于固體潮實際觀測值與理論值的回歸系數(shù),求得Sacks體應變各井β值在0.58～3.23之間變化,最大相差5.6倍。不難看出在平面應力、垂直應力和潮汐力作用下,體應變井孔耦合系數(shù)都不相同,由此筆者提出一點新認識,即井孔耦合系數(shù)與體應變觀測系統(tǒng)的受力狀況密切相關,不存在通用的耦合系數(shù)。體應變地震波是在地震應力作用下儀器記錄到的來自震源的信息,這個受力過程非常復雜,目前尚難以建立該種應力模式下井孔耦合系數(shù)的計算方程,但不論哪種應力模式,井孔耦合系數(shù)都與巖石的彈性參數(shù)有關,這是同震振幅存在差異的根源。4相對重要性的監(jiān)測半徑1)單臺體應變儀記錄到的同震振幅,符合隨震級增大而上升的指數(shù)關系,同時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變前兆最大量級應與孕震震級的大小成正比、與孕震區(qū)的遠近成反比。如由公式(3)可知寶坻臺體應變,在1400±200km監(jiān)測半徑內(nèi),對Ms5.0地震,最大前兆量級小于0.62×10-9,基本無檢測能力;對Ms6.0地震,最大前兆量級小于6.02×10-9;對Ms7.0地震,最大前兆量級小于67.6×10-9;對Ms8.0地震,最大前兆量級小