地震地球物理觀測臺網(wǎng)地應(yīng)變數(shù)據(jù)集

吳 凱 施賀青 張 燕 趙 瑩 余晨暉

1）中國武漢430071 中國地震局地震研究所

2）中國武漢430071 中國地震局地震大地測量重點實驗室

3）中國武漢430071 湖北省地震局

0 引言

我國地震地球物理觀測臺網(wǎng)中地應(yīng)變觀測包括洞體應(yīng)變觀測和鉆孔應(yīng)變觀測。洞體應(yīng)變觀測是在專用山洞中安裝應(yīng)變儀來監(jiān)測地殼應(yīng)變狀態(tài)，其觀測為基線長度的變化。鉆孔應(yīng)變觀測是在地殼鉆孔中安裝應(yīng)變儀來監(jiān)測地殼應(yīng)變狀態(tài)，其觀測量為鉆孔的變形（邱澤華等，2004）。鉆孔應(yīng)變觀測依觀測結(jié)果不同又分成分量鉆孔應(yīng)變觀測和鉆孔體應(yīng)變觀測。其中，分量鉆孔應(yīng)變觀測結(jié)果體現(xiàn)為鉆孔巖體的水平面應(yīng)變變化，鉆孔體應(yīng)變觀測結(jié)果體現(xiàn)為鉆孔巖體的體應(yīng)變變化。

自1962 年新豐江水庫6.1 級地震后，我國開始建立地殼形變連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)（張國安等，2002），地應(yīng)變觀測在此后亦得到發(fā)展。1969 年我國試制的第一代洞體應(yīng)變觀測儀，即SSY-Ⅰ石英伸縮儀在北京大灰廠等臺站安裝布設(shè)，因目視觀測且儀器靈敏度不高，觀測結(jié)果不佳。隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，高精度、可連續(xù)自記的第二代SSY-Ⅱ石英伸縮儀在20 世紀(jì)80 年代研制成功，其觀測資料精度已接近國際優(yōu)質(zhì)資料水平（李平等，1985），此階段也即模擬觀測時代。在中國地震局“九五”計劃期間，借助科技部數(shù)字化儀器研發(fā)專項，第三代SS-Y 銦瓦棒伸縮儀順利研制并推廣（張國安等，2002）。此后，洞體應(yīng)變觀測全面進(jìn)入數(shù)字化觀測階段。

鉆孔應(yīng)變觀測脫胎于鉆孔應(yīng)力觀測（蘇愷之，2003；李海亮等，2010）。早期，因觀測原理比較簡單，儀器較為可靠，我國鉆孔應(yīng)變觀測多為體應(yīng)變觀測，安裝儀器有國外的Sacks-Evertson 鉆孔體應(yīng)變儀（劉瀾波等，1986）和國產(chǎn)的TJ 系列體應(yīng)變儀（蘇愷之等，1997）。由于能提供更多的應(yīng)變狀態(tài)信息，且儀器穩(wěn)定性有了較大提高，在解決了實地絕對標(biāo)定（邱澤華等，2005）和實地相對標(biāo)定（邱澤華等，2005）問題后，四分量鉆孔應(yīng)變觀測在“十五”期間得到快速發(fā)展，安裝儀器有RZB 系列分量鉆孔應(yīng)變儀及YRY-4 分量鉆孔應(yīng)變儀（邱澤華等，2002；李海亮等，2010）。

洞體應(yīng)變及鉆孔應(yīng)變觀測的均為地殼應(yīng)變變化，其結(jié)果可進(jìn)行佐證（吳凱等，2015；孟建國等，2016），將其歸為一個數(shù)據(jù)集，有利于對地應(yīng)變變化進(jìn)行更加全面的分析、研究，豐富地球動力學(xué)研究資料。

1 數(shù)據(jù)集組成

目前，我國地震地球物理觀測臺網(wǎng)地應(yīng)變觀測中，在運行洞體應(yīng)變觀測站有111 個，分量鉆孔應(yīng)變觀測站59 個，鉆孔體應(yīng)變測站有68 個，分布特點為東部及地震重點區(qū)域較為密集，西部及非地震重點區(qū)較為稀疏。臺站分布見圖1。

圖1 地應(yīng)變觀測臺站分布Fig.1 Station distribution of the crustal strain observation

地應(yīng)變數(shù)據(jù)集中有洞體應(yīng)變和鉆孔應(yīng)變2 大類觀測數(shù)據(jù)，每類數(shù)據(jù)均由原始觀測數(shù)據(jù)、臺站預(yù)處理數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品等部分組成。原始觀測數(shù)據(jù)為儀器數(shù)據(jù)采集器直接采集的數(shù)據(jù)，不做任何處理，數(shù)據(jù)采樣率多為分鐘值，也有部分秒值。臺站預(yù)處理數(shù)據(jù)為經(jīng)刪除錯誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行突跳、臺階等改正后的數(shù)據(jù)，其采樣率均為分鐘值，附帶事件日志，如調(diào)零、標(biāo)定、自然環(huán)境影響、觀測系統(tǒng)影響、地震等。數(shù)據(jù)產(chǎn)品由降采樣率整時值、計算所得日均值、經(jīng)調(diào)和分析的數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)（潮汐因子、精度）等組成。

地應(yīng)變數(shù)據(jù)集基本信息見表1，所示僅為當(dāng)前臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫信息。同時，以宜昌地震臺洞體應(yīng)變觀測為例，繪制地應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)集示意圖，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 宜昌臺洞體應(yīng)變觀測NS 分量2020 年9 月原始觀測與預(yù)處理數(shù)據(jù)Fig.2 The original and preprocessed data of the north-south component of the cave strain observation in September 2020,Yichang Seismic Station

圖3 宜昌臺洞體應(yīng)變觀測NS 分量2020 年潮汐因子月變化Fig.3 The monthly variation of tidal factor in 2020 of the north-south component of the cave strain observation,Yichang Seismic Station

表1 地應(yīng)變數(shù)據(jù)集基本信息Table 1 Basic information of the crustal strain dataset

2 數(shù)據(jù)集應(yīng)用

地殼在應(yīng)力場作用下會發(fā)生變形，而地應(yīng)變觀測是研究這種變形的重要手段之一，其可監(jiān)測微尺度下地表應(yīng)變變化，分辨率可達(dá)10-9（呂寵吾等，2001；蘇愷之等，2002；李濤等，2011），甚至10-10（歐陽祖熙等，1989）。使用地應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)集，可進(jìn)行以下研究：①構(gòu)造應(yīng)變變化：使用三分量洞體應(yīng)變觀測資料或分量鉆孔應(yīng)變觀測資料，可解算應(yīng)變參數(shù)（最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、方向角），并進(jìn)行組合分析，研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)變變化等（劉序儼，1994；邱澤華等，2009；馬棟等，2013）；②同震響應(yīng)：可利用觀測的同震應(yīng)變階反演同震應(yīng)力觸發(fā)的斷層活動（邱澤華等，2006），可對儀器同震響應(yīng)進(jìn)行研究，為觀測資料的可靠性提供證據(jù)（劉琦等，2013；陳燚飛等，2019）；③應(yīng)變地震波：可利用應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)求解震源機制，給出更為精確的結(jié)果（邱澤華等，2020），利用高頻采樣應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)庫侖應(yīng)力研究（李富珍等，2021）；④地殼介質(zhì)：可利用應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)反演地表勒夫數(shù)（張雁濱等，1993），可研究巖石彈性模量對儀器的影響（何斌等，2020）；⑤地球自由振蕩：可利用應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)檢測地球自由振蕩（邱澤華等，2007；唐磊等，2007；張致偉等，2008）；⑥地震前兆：可通過應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)分析震前應(yīng)變異常變化（邱澤華等，2010；牛安福等，2011）。

3 結(jié)束語

自20 世紀(jì)六七十年代開始觀測以來，地應(yīng)變已積累了大量觀測數(shù)據(jù)，在地震監(jiān)測、地震預(yù)報和地球動力學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用。對于地殼形變微動態(tài)監(jiān)測、地球固體潮潮汐頻段信息識別及非潮汐頻段異常信息提取、同震階變信息監(jiān)測、斷層運動監(jiān)測等研究，地應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)起到了較好的支撐作用。隨著高頻采樣應(yīng)變儀的研發(fā)與實驗，地應(yīng)變對地球動力學(xué)觀測的頻率范圍進(jìn)一步擴大，將為地震預(yù)測預(yù)報提供翔實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于我國防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。

為得到可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，地球物理觀測臺點一般設(shè)置在偏遠(yuǎn)、環(huán)境干擾少的區(qū)域。在此感謝堅守臺站工作的同事，為我國地震事業(yè)產(chǎn)出基礎(chǔ)、可靠的觀測資料。數(shù)據(jù)共享項目的實施，給科研人員提供了翔實的科學(xué)數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)使用率，豐富的研究成果涉及地球動力學(xué)研究和地震研究。共享才能共贏，更多研究者的參與，將為我國防震減災(zāi)事業(yè)添磚加瓦。