開辟應變地震學新領域的實驗研究

邱澤華，唐磊，郭燕平，趙樹賢

(中國地震局地殼應力研究所，北京 100085)

0 引言

中國首創的四元件鉆孔應變觀測在關鍵技術上是世界領先的[1-3]。但是，在中國地震局所屬的四元件鉆孔應變觀測臺網中，觀測采樣率被統一設定為每分鐘一次。10 a來的實踐表明，在這種采樣率下，鉆孔應變儀的頻率響應能力得不到充分發揮，應該進一步完善這種觀測技術，挖掘其潛能，使之在地球動力學(特別是地震學)的研究中發揮作用。

從科學研究的角度看，地震預報不應是鉆孔應變觀測的唯一目的，用傳統的擺式地震儀記錄地震波也絕非唯一選擇。自從傳統的擺式地震儀誕生以來就得到廣泛應用，取得一些觀測成果，成為當今地震學不可或缺的觀測手段。但是，這種手段不能包打天下。傳統的擺式地震儀觀測的是一個點的位移，是一個矢量。應變是位移對空間的梯度，是一個張量。應變地震觀測可以提供擺式地震儀不能提供的新信息。

應變地震儀從來就是一個科學家們希望擁有的科學儀器。1961年，H.Benioff等人提出了“應變地震儀”的名稱，Benioff et al[4]設計制作了一種應變地震儀，并根據其觀測結果進行了地球自由振蕩研究。但是Benioff et al[4]的應變儀只給出線應變變化，不能給出應變張量變化。另外，傳統的基線式應變觀測傳感器一般很長，不利于觀測高頻信號。

近些年來，用中國現有的幾種鉆孔應變儀陸續開展了地震波觀測實驗。中國地震局地殼應力研究所所屬的北京昌平臺進行過RZB-1型四元件鉆孔應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震數據進行對比，發現二者的頻譜很相似。但是，一方面當時觀測所用儀器出現了壞道，記錄并不完整；另一方面也未記錄到地方震。山西昔陽臺也進行過高采樣率鉆孔體應變儀的觀測，記錄到遠震、近震和地方震[6]。與附近的擺式地震儀記錄進行頻譜對比，二者也非常一致。但是體應變缺少方向性，與張量應變儀相比，提供的信息少。美國和日本也都曾經用鉆孔應變儀記錄地震波[7-8]，但是沒有進行更深入的研究。

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

我們首先要檢驗在高采樣率條件下觀測的數據是否自洽，然后從不同的方面，對比鉆孔應變地震觀測和擺式地震觀測。

1 體波觀測實驗

在彈性介質內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波是無旋轉波(irrotational wave)，S波是等體積波(equivoluminal wave)。

1.1 姑咱實驗

2008年3月17日池順良等在四川姑咱臺用YRY-4型四元件鉆孔應變儀進行了數小時的100 sps觀測，碰巧記錄到發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型四元件鉆孔應變儀記錄到的3個地方震大體發生在同一個地方，而姑咱臺位于震中以北約70 km處(見圖1)。圖2給出3個地方震的應變觀測記錄曲線，圖3說明觀測的自洽程度。當數據完全自洽時，所有點都應該位于S1+S3=S2+S4的直線上。在如此高的采樣率下，姑咱臺YRY-4型四元件鉆孔應變儀的觀測能達到這樣的自恰，是一個了不起的成功。當觀測自洽時，數據就被認為是可靠的[11]。

圖1 四川姑咱臺和康定三個地震的位置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 神池實驗

2011年10月在“地震行業科研專項”(201108009)的支持下，在山西神池臺安裝了一套YRY-4型四元件鉆孔應變儀進行100 sps采樣率觀測實驗[11]。2013年7月9日，該應變儀又成功地記錄到附近發生的一些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個元件的觀測曲線。在自洽擬合圖(見第42頁圖6)中，所有的點都在S1+S3=S2+S4的直線附近，說明自洽良好。

2 面波觀測實驗

在地震波研究中，通常使用一個地震波傳播的射線直角坐標系(x1，x2，x3)，如第42頁圖7所示。該坐標系的主要特點是以地震波射線(ab)為一個坐標軸(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，這里需要進一步規定，其射線直角坐標系(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，在甘肅高臺進行了一年的BBVS-120型擺式地震儀與YRY-4型鉆孔應變儀的地震波對比觀測實驗，用10 sps采樣率記錄到很多遠震。對于遠震，這里重點關注面波。以2014年4月18日發生的墨西哥M7.3地震(見圖8)為例，第43頁圖9同時給出BBVS-120型擺式地震儀和YRY-4型鉆孔應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 地理坐標系(N，E，D)和彈性波傳播的射線坐標系(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“地震行業科研專項”(201108009)中，除神池臺的實驗觀測外，還在大同地震臺安裝了一套YRY-4型四元件鉆孔應變儀進行10 sps采樣率觀測實驗，也取得了很好的結果。

3 YRY-4型鉆孔應變儀的地震波響應

3.1 體波實驗結果

除YRY-4型四元件鉆孔應變儀外，姑咱臺還有CTS-1型寬頻帶擺式地震儀。通過對比YRY-4型鉆孔應變儀與CTS-1型地震儀的觀測頻譜來判斷YRY-4型鉆孔應變儀的頻響性能[11-12]。因為四元件鉆孔應變儀只觀測水平面的應變變化，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個地震觀測曲線的功率譜密度(PSD)。圖中YRY-4應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)的線應變計算；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動過程，因而其頻譜應該一致。由圖10可見，YRY-4記錄的功率譜密度與CTS-1基本相似，前者的頻率響應不比后者差。

3.2 面波實驗結果

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型鉆孔應變儀的地震波響應不次于擺式地震儀。這就為兩種儀器的互相驗證和標定創造了前提條件。

4 忻州實驗

以往的實驗表明，只要采樣率足夠高，就可以用YRY-4型四元件鉆孔應變儀觀測應變地震波。這是真正實用的應變地震儀。我們用YRY-4型四元件鉆孔應變儀首先給出了體波的應變變化圖像[12-14]。這是傳統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據的細致分析，才發現了傳統線彈性理論的缺陷，即因對稱性而無法研究旋轉，從而進行了一系列理論創新，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)分量的雙對數坐標功率譜密度(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個使用YRY-4型四元件鉆孔應變儀的觀測點，是目前國內這種觀測點最密集的地區(見第44頁圖12)。剛剛開始的忻州鉆孔應變觀測實驗，就是要利用該地區的這種密集觀測網開展研究。山西是地震多發地區，在未來的實驗期限內，忻州的鉆孔應變觀測網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，對觀測地震波進行研究。

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

圖12 忻州地區YRY-4型鉆孔應變儀觀測點分布Fig.12 Distribution of observation sites of YRY-4 borehole strainmeters in Xinzhou area

我們要進一步研究用應變地震儀都能做什么。例如：

(1) 用鉆孔應變儀地震觀測數據確定地震三要素(時間、地點和震級)。一般，目前的測震定位方法都可以移植到鉆孔應變觀測中使用。同時，鉆孔應變觀測還可以利用應變變化主方向的性質，用獨特的方法來定位。特別是鉆孔應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變性質。體波包括P波和S波。理論上，P波和S波都是用應變定義的：P波是“無旋轉波”，即應變張量的非對稱部分為0；S波是“等體積波”，即體應變為0。由此可以建立進一步識別各種地震波的新方法。例如，P波是無旋波，其應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變增大時，其垂直方向的線應變就必然是收縮性的(這可以根據測震記錄判斷)。利用這些應變性質，結合測震記錄，可以更準確地進行震相識別[11]。

(3) 求震源機制的矩張量解。根據惠更斯原理，彈性波是振動的傳播，波從振動源傳播到任何一點，都可以看成在該點激發出新的振動源，并且該振動源的性質應該與初始振動源一致。這意味著，在理想情況下，只要能觀測到一點的應變變化張量，就能判斷出震源的矩張量性質。實際上，P波和S波分開傳播，說明惠更斯原理不完全適用。理論上，只要有兩個應變地震觀測點的記錄，就能求出震源矩張量解。目前，大地震的震源機制解可以借助全國甚至全球的使用擺式地震儀的臺網觀測數據來求出，而小地震因為往往不能被足夠多的這種地震臺記錄到，所以難以求出震源機制解[16]。用兩個應變地震觀測點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制問題具有特別現實的重要意義。

(4) 對鉆孔應變儀的基本參數進行驗證。例如，大地震激發的地球自由振蕩是以震源為極點的，一些基頻振型的應變變化主方向與極點分析有對應關系。我們可以用實際觀測結果與理論對照，根據這種特點來驗證元件方位。

5 結語

中國的四元件鉆孔應變觀測技術領先世界，這種觀測技術每前進一步都是創新。對于四元件鉆孔應變觀測在中長周期頻段方面的表現鮮有爭論，需要的是在短周期頻段方面進行擴展。四元件鉆孔應變觀測在中長周期頻段的表現，可以用理論固體潮來驗證；在短周期頻段的表現，就要用地震波來驗證。應變地震波研究為這種應變觀測應用開拓了一個嶄新的廣闊領域，將大大提升這種觀測的科學地位。

地震學是以觀測為基礎的科學。歷史一再證明，觀測技術的進步對這種科學的發展具有決定性意義。應變的張量性質決定了應變地震儀與擺式地震儀的本質區別。這種新觀測技術將為地震學提供新的數據資源，開辟應變地震觀測研究的新領域。應變地震儀不會替代傳統的擺式地震儀，而是進一步將兩種地震儀結合使用，發揮更大的作用。

忻州鉆孔應變觀測實驗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！