歐陽祖熙

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085)

美國PBO計(jì)劃:鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng)遭遇挑戰(zhàn)＊

歐陽祖熙

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京 100085)

PBO(Plate Boundary Observatory)計(jì)劃專門設(shè)計(jì)了一批鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng),在數(shù)百米距離內(nèi),安裝2～3臺(tái)儀器,以研究鉆孔應(yīng)變儀如何響應(yīng)構(gòu)造活動(dòng)的信號(hào),以及局部因素會(huì)造成何種干擾。本文收集了6個(gè)這樣的臺(tái)網(wǎng)的資料,給出了所有儀器數(shù)年的記錄曲線,并對(duì)觀測結(jié)果顯示的地殼應(yīng)變場做了簡要的分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn)6個(gè)試驗(yàn)臺(tái)網(wǎng)記錄的大量所謂應(yīng)變積累的信號(hào)可能不是統(tǒng)一的地殼構(gòu)造活動(dòng),基本上是局部因素變動(dòng)造成的干擾。對(duì)PBO臺(tái)網(wǎng)試驗(yàn)揭示的問題進(jìn)行了初步討論,并對(duì)我國鉆孔應(yīng)變觀測工作的現(xiàn)狀與發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

鉆孔應(yīng)變儀;PBO計(jì)劃;對(duì)比觀測;構(gòu)造應(yīng)力場

引言

美國于2003年啟動(dòng)的EarthScope科學(xué)工程旨在應(yīng)用現(xiàn)代觀測、分析及通訊技術(shù)來研究北美大陸的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化,以及控制地震與火山活動(dòng)的物理過程。Earth-Scope運(yùn)用了地震學(xué)、大地測量學(xué)與遙感等多學(xué)科新的觀測技術(shù),并以高速、高性能的計(jì)算技術(shù)和通訊網(wǎng)絡(luò)把它們連接起來,形成的新系統(tǒng)將為學(xué)術(shù)界提供廣泛的機(jī)會(huì),對(duì)人類賴以生存的地球開展深入的綜合研究。為實(shí)現(xiàn)上述科學(xué)目標(biāo),需要以新的思路布設(shè)大量的地球物理儀器,以前所未有的精度,對(duì)迄今知之甚少的關(guān)鍵性的地震、火山與活動(dòng)構(gòu)造以及相關(guān)的地球動(dòng)力學(xué)過程開展觀測研究。這種觀測將容許人們把地球內(nèi)部發(fā)生的過程與其表面地質(zhì)構(gòu)造的形成演化,包括斷層與火山活動(dòng)聯(lián)系起來。這些過程擁有的巨大的空間與時(shí)間尺度決定了要針對(duì)不同的研究目標(biāo),使用按不同尺度布設(shè)的各種相應(yīng)的觀測系統(tǒng)。

EarthScope科學(xué)工程由USArray,SAFOD,PBO與InSAR等4個(gè)研究計(jì)劃構(gòu)成[1]。EarthScope的地震學(xué)部分,即USA rray(United States Seismic Array),由移動(dòng)的與固定的密集地震臺(tái)網(wǎng)組成,含3個(gè)互相關(guān)聯(lián)的單元。USA rray的核心是由400臺(tái)寬頻帶地震儀構(gòu)成的一個(gè)可移動(dòng)的遙測臺(tái)網(wǎng),能夠以70 km臺(tái)距組成1400 km孔徑的臺(tái)陣,提供實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)。SAFOD(San Andreas Fault Observatory at Depth)是EarthScope的地下觀測項(xiàng)目,觀測井鉆到地下4 km深處,直接進(jìn)入圣安德烈斯斷層帶,接近1966年加利福尼亞州帕克菲爾德M 6級(jí)地震震源處,并開展地震及相關(guān)地球物理觀測。InSAR(Interferometric Synthetic ApertureRadar則是專門用于科學(xué)觀測的衛(wèi)星系統(tǒng),可對(duì)北美和太平洋板塊區(qū)域提供密集的空間(30～100m)與時(shí)間(8天)掃描,以測量它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及由此導(dǎo)致周圍地區(qū)產(chǎn)生的變形。

其中,EarthScope的大地測量學(xué)部分,即PBO,是一個(gè)研究北美大陸西部板塊變形導(dǎo)致的三維應(yīng)變場的高精度地殼變形觀測網(wǎng)。PBO包括3個(gè)基本單元,首先是對(duì)整個(gè)板塊邊界區(qū)域大尺度、長周期變形的總體特征進(jìn)行觀測的骨干網(wǎng),由100臺(tái)連續(xù)記錄的GPS接收機(jī)組成。該臺(tái)網(wǎng)展布在從美國西部到阿拉斯加南部的廣大邊界地帶,臺(tái)距約為200 km,必要時(shí)可將骨干網(wǎng)獲得的數(shù)據(jù)與InSAR數(shù)據(jù)結(jié)合起來,以確定應(yīng)變場的分區(qū)特性。第二個(gè)單元分布在活動(dòng)構(gòu)造地區(qū),如沿圣安德烈斯斷層與火山活動(dòng)的地區(qū)。對(duì)這些區(qū)域的觀測需要更好的空間與時(shí)間分辨能力,故集成了密集部署的GPS接收機(jī)與鉆孔應(yīng)變儀,臺(tái)距在5～10 km。大約775個(gè)GPS臺(tái)站、175臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀與5臺(tái)激光應(yīng)變儀將用來監(jiān)測最活躍的美國西部與阿拉斯加南部的構(gòu)造帶。第三個(gè)單元,即100臺(tái)流動(dòng)GPS接收機(jī),則是用于對(duì)連續(xù)工作GPS臺(tái)站未及充分覆蓋的地區(qū)進(jìn)行短期加密觀測,一方面可在尚未實(shí)施監(jiān)測的地區(qū)開展必要的觀測,此外,還可提供快速響應(yīng)能力,以監(jiān)測緊隨地震與火山噴發(fā)后產(chǎn)生的應(yīng)變階現(xiàn)象[2]。

在美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、地質(zhì)調(diào)查局(USGS)、國家航空航天局(NASA)與能源部(DOE)數(shù)十年的有力支持下,美國地球科學(xué)界已經(jīng)建立起聯(lián)系密切的、基于學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的管理組織和技術(shù)支撐系統(tǒng)。Earth-Scope的實(shí)施要求地球科學(xué)各分支學(xué)科的科學(xué)家通力合作,強(qiáng)調(diào)進(jìn)行高分辨率觀測,統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)地殼構(gòu)造及其變形速率的全面覆蓋,并在對(duì)區(qū)域地質(zhì)全面認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上整合前述4個(gè)方面觀測研究獲得的數(shù)據(jù),特別適合對(duì)圣安德烈斯斷層系統(tǒng)、新馬德里地震帶與卡斯卡迪亞等地球科學(xué)天然實(shí)驗(yàn)場開展綜合研究。EarthScope的研究目標(biāo)源于不斷變動(dòng)的地球的觀點(diǎn),包括活動(dòng)斷層系統(tǒng)、巖漿活動(dòng)系統(tǒng)、造山運(yùn)動(dòng)以及地幔對(duì)流系統(tǒng)等。今天,僅對(duì)這些現(xiàn)象及其產(chǎn)生的結(jié)果開展觀測已不能滿足社會(huì)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的需要,我們必須了解過程的本質(zhì),以便預(yù)測它們的行為。

本文主要討論的問題涉及PBO計(jì)劃,該計(jì)劃包含廣泛分布的大地測量骨干網(wǎng),以及專門觀測特定的地震和巖漿噴發(fā)過程的局部密集監(jiān)測網(wǎng)(cluster arrays)。我們將重點(diǎn)關(guān)注在一些地點(diǎn)以組團(tuán)的方式安裝的鉆孔應(yīng)變儀,即在約100m的距離安裝2～3臺(tái)儀器構(gòu)成的小臺(tái)網(wǎng)。這項(xiàng)試驗(yàn)使得科學(xué)家能夠深入研究鉆孔應(yīng)變儀是如何響應(yīng)地球物理信號(hào)的,辨別哪些是構(gòu)造活動(dòng)的信號(hào),哪些是局部因素變動(dòng)造成的干擾。作者一直在關(guān)注其中的6個(gè)鉆孔應(yīng)變儀小臺(tái)網(wǎng),收集它們近幾年產(chǎn)出的數(shù)據(jù)。本文將首先介紹這些臺(tái)網(wǎng)的觀測曲線,簡要分析其反映的地層應(yīng)變狀態(tài)變化特點(diǎn)并進(jìn)行多臺(tái)比較,最后對(duì)已有的觀測結(jié)果揭示出的一些問題做初步的討論。

1 儀器

PBO計(jì)劃安裝的儀器是格拉德溫三分量鉆孔應(yīng)變儀(Gladw in 3-component strainmeter),該儀器使用差動(dòng)式電容位移傳感器測量鉆孔的徑向變形,由澳大利亞GTSM科技公司制造[3],其基本技術(shù)參數(shù)見表1。3個(gè)傳感器相互以120°角分布,以測量鉆孔3個(gè)不同方向的徑向線應(yīng)變,綜合分析測量數(shù)據(jù),可以解算獲得面應(yīng)變及兩個(gè)剪切應(yīng)變。為了隔離各種人為的和環(huán)境因素造成的干擾變化,儀器安裝的目標(biāo)深度為200m,測量儀器用水泥固結(jié)在井底,整個(gè)鉆孔再用水泥填充至井口大約50m處,供以后安裝其他儀器。多數(shù)鉆孔安裝有應(yīng)變儀和地震計(jì),一些站點(diǎn)還安裝了加速度計(jì),或者孔隙壓力計(jì)。各個(gè)觀測站地表均有氣象數(shù)據(jù)采集裝置。

表1 PBO鉆孔應(yīng)變儀基本參數(shù)

通常,儀器工作在設(shè)定比率變壓器檔位,電橋偏離平衡狀態(tài)情況下,不平衡信號(hào)的大小反映了鉆孔應(yīng)變的變化,此時(shí),測量系統(tǒng)的固有帶寬可達(dá)2 k Hz。如果應(yīng)變變化超過了基本動(dòng)態(tài)范圍,系統(tǒng)需要調(diào)整比率變壓器電橋使之達(dá)到新的平衡狀態(tài),其一次設(shè)定時(shí)間約需200m s,系統(tǒng)的帶寬會(huì)降低,整個(gè)調(diào)整過程將詳細(xì)記錄在數(shù)據(jù)文件中。

2 主要觀測結(jié)果

作者從UNAVCO的網(wǎng)站上收集了6個(gè)以組團(tuán)方式安裝的PBO鉆孔應(yīng)變儀小臺(tái)網(wǎng)的數(shù)據(jù),包括臺(tái)站建設(shè)信息與以曲線形式給出的觀測數(shù)據(jù)[4]。本節(jié)將給出各組團(tuán)每臺(tái)儀器獲得的觀測結(jié)果,并對(duì)鉆孔應(yīng)變儀反映的地層受力變形特點(diǎn)進(jìn)行相互對(duì)比并做簡要的分析。

觀測數(shù)據(jù)的表示基本依據(jù)PBO的約定:

(1)安裝深度是指從鉆孔套管頂端到鉆孔應(yīng)變儀底部的長度。

(2)各個(gè)應(yīng)變傳感器的方位系指從北順時(shí)針計(jì)算的度數(shù)。

(3)各應(yīng)變傳感器讀數(shù)單位:0.1 nε。

(4)縱坐標(biāo)向上表示張應(yīng)變。

(5)4個(gè)分量應(yīng)變測值的時(shí)間序列曲線均從下井后一周開始取值。

2.1 B082、B089臺(tái)網(wǎng)

該小臺(tái)網(wǎng)位于Anza California區(qū)靠近南北走向的加納山谷(Garner Valley),含B082與B089兩個(gè)臺(tái)站,它們相距約幾百米(圖1)。B082井深796 ft(242.6m),2006年6月10日安裝;B089井深437 ft(132.8m),2006年8月28日安裝。巖性均為高度褶皺變形的片麻巖。

圖1 B082、B089臺(tái)網(wǎng)地圖

B082臺(tái)各個(gè)元件的方位角分別為:CH0=324.8°,CH1=264.8°,CH2=204.8°,CH3=174.8°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用明顯,作用方向?yàn)榻媳毕?。約半年后,變形速率穩(wěn)定,逐漸趨緩,顯示有近南北向持續(xù)性強(qiáng)烈擠壓作用。除近東西向的CH1傳感器記錄噪聲較大以外,其他3個(gè)應(yīng)變元件記錄穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍信號(hào)(見圖2a)。

B089臺(tái)各個(gè)元件的方位角分別為:CH0=291°,CH1=231°,CH2=171°,CH3=141°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用明顯,作用方向?yàn)楸北睎|向。之后,變形速率穩(wěn)定趨緩,顯示有北北東向持續(xù)性強(qiáng)烈擠壓作用。2007年10月,變形速率發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,變?yōu)檩^平穩(wěn)。4個(gè)應(yīng)變傳感器記錄噪聲均較大,但在2007年12月至2008年5月間曾同步記錄到一次應(yīng)變階躍信號(hào)。

圖2 B082(a)和B089(b)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)

從以上對(duì)B082、B089臺(tái)網(wǎng)近4年數(shù)據(jù)的分析比較(圖2),可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要異、同之處:

(1)B082臺(tái)顯示有近南北向持續(xù)性強(qiáng)烈擠壓作用;B089臺(tái)也顯示2007年10月之前應(yīng)變儀受到北北東向持續(xù)性強(qiáng)烈擠壓作用。兩個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場活動(dòng)基本相似。

(2)B089臺(tái)于2007年10月變形速率發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折,變?yōu)檩^平穩(wěn);地殼應(yīng)力場的這一變化在B082臺(tái)沒有反映。

(3)B089臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器在2007年12月至2008年5月間曾同步記錄到一次應(yīng)變階躍信號(hào),B082臺(tái)CH1與CH2號(hào)元件有同步記錄,但反映的作用方向有差異。

2.2 B005、B006、B007臺(tái)網(wǎng)

該臺(tái)網(wǎng)位于奧林匹克半島(Olympic Peninsula),含3個(gè)站(見圖3)。B005臺(tái)井深529 ft(161.2m),2005年7月19日安裝;B006臺(tái)井深514 ft(156.7m),2005年7月28日安裝;B007臺(tái)井深459 ft(140.03m),2005年7月23日安裝。3個(gè)鉆孔相距幾百米。

圖3 B005、B006、B007臺(tái)網(wǎng)地圖

B005臺(tái)各個(gè)元件的方位角分別為:CH0=319.7°,CH1=259.7°,CH2=199.7°,CH3=169.7°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用明顯,作用方向?yàn)榻媳毕颉＜s一年后,變形速率有所減緩,但仍顯示有持續(xù)性北北西向擠壓作用,趨勢穩(wěn)定。CH 1與CH3傳感器大約在每年的12月份均記錄到同步的應(yīng)變階躍信號(hào),因?yàn)檫@兩個(gè)元件互相垂直,故CH1的張性變化和CH3的壓性變化有力學(xué)上的關(guān)聯(lián)。

B006臺(tái)元件方位未能確定。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用不明顯。數(shù)月后,儀器變形趨勢平緩,有明顯的年周期變化,且各方向元件基本同步,顯示出受到一種圍壓作用。記錄曲線不平滑,外界干擾比較明顯。

B007臺(tái)各元件方位角為:CH0=193°,CH1=133°,CH2=73°,CH3=43°。下井安裝約半年后,變形速率基本穩(wěn)定,測量結(jié)果顯示北東向擠壓變形。北西向CH1傳感器于2006年7月記錄到壓性應(yīng)變階信號(hào);北東東向CH2傳感器在2006年9月至2007年3月間記錄到張性應(yīng)變階信號(hào);而北東向的CH3傳感器于2006年10月后記錄到幾次應(yīng)變階信號(hào),它們與前述的現(xiàn)象似無明顯關(guān)聯(lián)。

從以上對(duì)B005、B006、B007臺(tái)網(wǎng)近5年數(shù)據(jù)的分析比較(如圖4所示),可以發(fā)現(xiàn)這3個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B005臺(tái)顯示持續(xù)性北北西向擠壓作用;B006臺(tái)卻顯示儀器受到一種類似圍壓的作用;而B 007臺(tái)在變形速率基本穩(wěn)定后,測量結(jié)果卻顯示北東向擠壓變形。

圖4 B005(a)、B006(b)和B007(c)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)

(2)B005臺(tái)CH1與CH3傳感器大約在每年的12月份均記錄到同步的應(yīng)變階躍信號(hào);其他兩個(gè)應(yīng)變傳感器變形速率基本穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍記錄;而B007臺(tái)CH1、CH2和CH3等傳感器于2006年、2007年分別記錄到數(shù)次不同步的大幅度階躍變化,兩個(gè)臺(tái)站之間記錄的信號(hào)似乎無明顯關(guān)聯(lián)。B006臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器未見應(yīng)變階躍記錄。

(3)B006臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器記錄年周期變化十分明顯,且記錄曲線不平滑,外界干擾較大,與另外兩個(gè)臺(tái)站迥然不同。

2.3 B009、B010、B011臺(tái)網(wǎng)

該臺(tái)網(wǎng)位于加拿大境內(nèi)的溫哥華島上(Vancouver Island)。這個(gè)小臺(tái)網(wǎng)由3個(gè)鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)站構(gòu)成,其中B009井深739 ft(225.25m),2005年9月14日安裝;B010井深653 ft(199m),2005年9月26日安裝;B011井深739 ft(225.3m),2005年9月13日安裝。3個(gè)鉆孔相距在100m之內(nèi)。該臺(tái)網(wǎng)與B005、B006、B007臺(tái)網(wǎng)同處于一個(gè)研究區(qū),其地理位置參見圖3。

B009臺(tái)各元件方位角為:CH0=271.4°,CH1=211.4°,CH2=151.4°,CH3=121.4°。下井安裝初始階段,水泥硬化固結(jié)過程基本正常。約半年后,測量顯示存在持續(xù)性北西向擠壓作用,變形速率基本穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍記錄,CH1、CH2與CH3有年周期變化顯示。

B010臺(tái)各元件方位角為:CH0=267.8°,CH1=207.8°,CH2=147.8°,CH3=117.8°。下井安裝初始階段,水泥硬化固結(jié)過程壓縮效果不明顯。約一年后,測量結(jié)果顯示持續(xù)性北西向大幅度受張,并于2009年3月、2010年4月等時(shí)段,CH2和CH3等傳感器分別記錄到不同步的大幅度張性階躍變化。CH0傳感器有年周期變化顯示。

B011臺(tái)元件方位未能確定。下井安裝初始階段,水泥硬化固結(jié)過程正常。約一年后,測量結(jié)果顯示CH2傳感器持續(xù)性受壓,變形速率穩(wěn)定趨緩,未見應(yīng)變階躍變化記錄,4個(gè)應(yīng)變測量元件年周期變化較明顯。

從以上對(duì)B009、B010、B011臺(tái)網(wǎng)近5年數(shù)據(jù)的分析比較(圖5),可以發(fā)現(xiàn)這3個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B009臺(tái)顯示持續(xù)性北西向擠壓作用;而B010臺(tái)卻顯示持續(xù)性北西向大幅度張性變形;B011臺(tái)CH2傳感器觀測到持續(xù)性擠壓作用,但遺憾的是不知道它的方位角,無法做進(jìn)一步判斷。

圖5 B009(a)、B010(b)和B011(c)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)

(2)B009臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器變形速率基本穩(wěn)定,未見應(yīng)變階躍記錄;而B010臺(tái)CH2和CH3等傳感器于2009年3月、2010年4月等時(shí)段分別記錄到不同步大幅度張性階躍變化;B011臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器變形速率穩(wěn)定趨緩,未見應(yīng)變階躍變化記錄。

(3)B011臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器記錄年周期變化最為明顯;B009臺(tái)次之;而B010臺(tái)僅CH0傳感器有微弱顯示。

2.4 B013、B943臺(tái)網(wǎng)

B013、B943臺(tái)網(wǎng)安裝在阿伯丁市(Aberdeen)以北,含兩臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀。其中:B013井深554 ft(168.4m),2007年1月5日安裝;B943井深741 ft(225.9m),2008年2月26日安裝。B943井與B013井相距140m。由于該臺(tái)網(wǎng)與B005、B006、B007臺(tái)網(wǎng)同處于一個(gè)研究區(qū),其地理位置仍參見圖3。

B013臺(tái)各元件方位分別為:CH0=231.7°,CH1=171.7°,CH2=111.7°,CH3=81.7°。下井安裝約1個(gè)月后,4個(gè)傳感元件大幅度、長時(shí)間顯示張性應(yīng)變作用。約1年后,又先后轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性北西向擠壓,變形速率長趨勢基本穩(wěn)定。4個(gè)應(yīng)變傳感器各自記錄到大量不同步的階躍變化。

B943臺(tái)各應(yīng)變傳感器的方位分別為:CH0=329.5°,CH1=269.5°,CH2=209.5°,CH3=179.5°。下井安裝初始階段,3個(gè)傳感元件大幅度、長時(shí)間為張性應(yīng)變,僅CH0顯示受到擠壓作用。之后,變形速率基本穩(wěn)定、趨緩,從面應(yīng)變估計(jì),應(yīng)變狀態(tài)為持續(xù)性北東向拉張變形。2009年2月開始,南北向傳感器CH3記錄到大幅度張性應(yīng)變擾動(dòng)與多次應(yīng)變階躍變化,其他方位的應(yīng)變元件未見同步記錄。

從以上對(duì)B013、B943臺(tái)網(wǎng)兩臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀近3年數(shù)據(jù)的分析比較(參見圖6),可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B013臺(tái)顯示持續(xù)性圍壓作用;而B943臺(tái)卻是北東向拉張作用。

圖6 B013(a)和B943(b)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)

(2)B013臺(tái)4個(gè)傳感器變形速率長趨勢基本穩(wěn)定;而B943臺(tái)南北向傳感器CH3自2009年2月開始,記錄到大幅度張性應(yīng)變擾動(dòng)與多次應(yīng)變階躍變化。

(3)B013臺(tái)4個(gè)應(yīng)變傳感器各自記錄到大量不同步的階躍變化;而B943臺(tái)CH0,CH1及CH2等3個(gè)應(yīng)變傳感器,基本上未見階躍應(yīng)變信號(hào)記錄。

2.5 B027、B028臺(tái)網(wǎng)

B027、B028臺(tái)網(wǎng)安裝在俄勒岡州西北部的波特蘭市南邊。B027井深768 ft(234.09m),2007年4月11日安裝;B028井深789 ft(240.5m),2007年3月19日安裝。兩個(gè)臺(tái)站相距幾百米,其地理位置見圖7。

圖7 B027、B028臺(tái)網(wǎng)地圖

B027臺(tái)各應(yīng)變傳感器方位分別為:CH0=316.3°,CH1=256.3°,CH2=196.3°,CH3=166.3°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用不明顯。半年多后,測量數(shù)據(jù)顯示持續(xù)性北西西向壓縮,變形速率穩(wěn)定,4個(gè)應(yīng)變傳感器記錄曲線均較平滑,未見應(yīng)變階記錄。

B028臺(tái)各傳感器方位分別為:CH0=282.3°,CH1=222.3°,CH2=162.3°,CH3=132.3°。下井安裝初始兩個(gè)月期間,水泥固結(jié)擠壓作用正常。約半年后,測量數(shù)據(jù)顯示持續(xù)性近南北向壓縮,變形速率基本穩(wěn)定,至2009年4月,數(shù)據(jù)顯示北西西向張性變化,2010年1月北東CH1出現(xiàn)張性變化。4個(gè)傳感器各自記錄到數(shù)次不同步的應(yīng)變階躍變化。

分析比較B027、B028兩臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀3年多的數(shù)據(jù)(見圖8),可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要差異之處:

(1)B027臺(tái)顯示持續(xù)性北西西向壓縮;而B028臺(tái)卻是近南北向壓縮。

(2)B027臺(tái)4個(gè)傳感器記錄曲線較平滑,變形速率平穩(wěn)趨緩;而B028臺(tái)近南北向壓縮變形速率基本穩(wěn)定,但在2009年4月,數(shù)據(jù)顯示北西西向張性變化,2010年1月北東向元件CH1出現(xiàn)張性轉(zhuǎn)折變化。

(3)B027臺(tái)4個(gè)傳感器基本未見應(yīng)變階躍記錄;而B028臺(tái)4個(gè)傳感器各自記錄到數(shù)次不同步的應(yīng)變階躍變化。

2.6 B035、B036臺(tái)網(wǎng)

B035、B036臺(tái)網(wǎng)位于俄勒岡州西北部的波特蘭市南邊。B035井深742 ft(226.2m),2006年3月19日安裝;B036井深597 ft(182m),2007年5月8日安裝。兩個(gè)臺(tái)站相距幾百米,它們的地理位置仍參見圖7。

圖8 B027(a)和B028(b)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)

圖9 B035(a)和B036(b)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)

B035臺(tái)各應(yīng)變元件方位分別為:CH0=279.1°,CH1=219.1°,CH2=159.1°,CH3=129.1°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓作用基本正常,受力方向?yàn)榻鼥|西向。半年多后,測量數(shù)據(jù)顯示持續(xù)性近東西向壓縮,變形速率逐漸趨緩,4個(gè)應(yīng)變傳感器記錄曲線較平滑,未見應(yīng)變階躍記錄。

B036臺(tái)各應(yīng)變元件方位角分別為:CH0=258.9°,CH1=198.9°,CH2=138.9°,CH3=108.9°。下井安裝初始階段,水泥固結(jié)擠壓過程基本正常,受力方向?yàn)榻鼥|西向。但約兩個(gè)月后,近東西向的CH3傳感器轉(zhuǎn)而顯示出持續(xù)性大幅度拉張變化,持續(xù)3年多,其間于2009年10月、2010年12月記錄到張性應(yīng)變階躍型變化。其他3個(gè)應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)反映持續(xù)受壓作用,變化曲線比較平滑,無應(yīng)變階躍記錄。

分析比較B035、B036兩臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀3年多的數(shù)據(jù)(圖9),可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)臺(tái)站觀測到的地殼應(yīng)力場變化有以下重要不同之處:

(1)B035臺(tái)顯示近東西向持續(xù)性擠壓作用;而B036臺(tái)卻是近東西向持續(xù)性拉張作用。

(2)B035臺(tái)4個(gè)傳感器記錄曲線較平滑,變形速率逐漸趨緩,未見應(yīng)變階躍記錄;而B036臺(tái)近東西向的CH3傳感器于2009年10月、2010年12月記錄到張性應(yīng)變階躍型變化。

3 問題與討論

3.1 6個(gè)鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng)試驗(yàn)揭示的問題

PBO原計(jì)劃在2008年10月前完成103個(gè)鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)站的建設(shè),但是到2010年7月只安裝了80余臺(tái)儀器。雖然投入觀測的儀器絕大多數(shù)工作正常,都能記錄到固體潮汐與地震,也能記錄到應(yīng)變積累信號(hào),但6個(gè)鉆孔應(yīng)變儀小臺(tái)網(wǎng)試驗(yàn)觀測卻揭示出一些問題。這項(xiàng)試驗(yàn)的初衷是使得科學(xué)家能夠深入研究鉆孔應(yīng)變儀是如何響應(yīng)地球物理信號(hào)的,辨別哪些是構(gòu)造活動(dòng)信息,哪些是局部因素變動(dòng)造成的干擾。從上述對(duì)6個(gè)鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng)數(shù)年觀測資料的初步分析發(fā)現(xiàn),除了位于Anza California區(qū)的B082、B089臺(tái)網(wǎng)在2006年10月至2007年10月期間兩臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀有相近的觀測結(jié)果,可能反映了統(tǒng)一的區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)外,我們沒有看到其他任何與之相似的記錄。

可以初步認(rèn)為,6個(gè)試驗(yàn)臺(tái)網(wǎng)記錄的大量持續(xù)數(shù)月的應(yīng)變積累信號(hào)可能不是統(tǒng)一的地殼構(gòu)造活動(dòng)使然,基本上是局部因素變動(dòng)造成的干擾。這就使我們必須深入思考,PBO鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng)可能在哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題?不然,相距僅幾百米的儀器為什么未能記錄到基本相同的應(yīng)變場活動(dòng)信號(hào)?PBO鉆孔應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)有哪些局限?臺(tái)網(wǎng)建設(shè)有什么不足之處?作者認(rèn)為,諸如PBO鉆孔應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、觀測井鉆井施工工藝、儀器下井安裝技術(shù)等環(huán)節(jié),均有必要重新加以審視,以期找到問題所在。

3.2 USGS淺層鉆孔傾斜儀臺(tái)網(wǎng)試驗(yàn)的聯(lián)想

這使我們想起20世紀(jì)70年代初期,羅克威爾公司(Rockwell)開發(fā)出一種用于航空設(shè)備的高精度氣泡傾斜傳感器。美國科學(xué)家隨即用來設(shè)計(jì)了一種鉆孔傾斜儀,安裝于數(shù)米深的淺井中進(jìn)行地震監(jiān)測預(yù)報(bào)研究[5]。新的鉆孔傾斜測量系統(tǒng)很快在1973年和1974年霍利斯特地震之前記錄到明顯的前兆異常[6-7],于是,USGS傾斜儀臺(tái)網(wǎng)于此后的兩年里迅速發(fā)展,在加州西部建立了74個(gè)觀測站,安裝了84臺(tái)儀器。但是,之后積累的大量觀測資料說明,安裝在淺井中的傾斜儀記錄的基本上是各種氣象變化與人為活動(dòng)的干擾。1982年以后,大多數(shù)USGS淺井傾斜儀已不再用于地震預(yù)測研究[8]。觀測儀器好并不等于數(shù)據(jù)質(zhì)量好,用于地球物理觀測的儀器在實(shí)際應(yīng)用中要解決的一個(gè)重要問題,就是如何實(shí)現(xiàn)與地球的耦合。前述的氣泡傾斜儀無論本身性能如何好,安裝在淺井中并不能拾取到地殼真實(shí)的傾斜變化。

美國地球科學(xué)界1972年在PFO(Pinon Flat Observatory)觀測站,對(duì)石英桿伸縮儀與長基線激光應(yīng)變儀進(jìn)行過對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)前者3個(gè)月的漂移竟是后者的20倍。后來,在USGS的資助下,從1981年至1986年,在PFO系統(tǒng)地開展了不同傾斜儀之間[9]以及鉆孔應(yīng)變儀和長基線激光應(yīng)變儀之間[10]的對(duì)比觀測實(shí)驗(yàn)。人們逐漸認(rèn)識(shí)到,用于地球物理觀測的傾斜儀與應(yīng)變儀必須具有足夠長的基線,或者能夠放置于足夠深的井下,并且要選擇合適的場址,妥善地進(jìn)行安裝,才能較好地實(shí)現(xiàn)與地殼的耦合,有希望記錄到真實(shí)的地殼構(gòu)造活動(dòng)的信號(hào)。Roeloffs E等美國學(xué)者在研究PBO鉆孔應(yīng)變儀數(shù)據(jù)時(shí),也注意到上述應(yīng)變儀與區(qū)域應(yīng)變場解耦這類問題,提出要從地層破碎、地形變化以及儀器安裝等方面開展研究,找到問題的癥結(jié)[11]。

3.3 我們的借鑒

我國20世紀(jì)90年代在北京昌平臺(tái)曾開展過幾種鉆孔應(yīng)變儀的對(duì)比觀測,但是,對(duì)比觀測的試驗(yàn)站比較少,有關(guān)的研究不夠深入。PBO的工作給我們提供了很好的借鑒。為了今后更好地推進(jìn)我國鉆孔應(yīng)變觀測領(lǐng)域的工作,作者認(rèn)為,在設(shè)計(jì)、建設(shè)新的臺(tái)網(wǎng)之前,做好下述3方面工作是十分必要的。首先,中國現(xiàn)在使用的鉆孔應(yīng)變觀測儀器和采用的技術(shù)與PBO技術(shù)系統(tǒng)有哪些共性?又有何不同之處?可能存在什么類似的問題?需要做全面的清理、比較和研究。其次,在上述第一方面研究的基礎(chǔ)上,選擇幾個(gè)不同地區(qū)有條件的臺(tái)站,開展全面的對(duì)比觀測,檢驗(yàn)運(yùn)用我國現(xiàn)有的鉆孔應(yīng)變儀,以及配套的鉆井與安裝技術(shù),是否確實(shí)能觀測到區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場積累變化的信號(hào)?以期發(fā)現(xiàn)存在的問題,有針對(duì)性地開展研究。最后,基于前面兩項(xiàng)研究工作的成果,系統(tǒng)整理與構(gòu)造應(yīng)力場測量及鉆孔應(yīng)變觀測和分析有關(guān)的理論與技術(shù)問題,澄清思想上的模糊認(rèn)識(shí),總結(jié)“十五鉆孔應(yīng)變儀臺(tái)網(wǎng)”建設(shè)的經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)鍛煉科研團(tuán)隊(duì),切實(shí)做好科學(xué)、技術(shù)與隊(duì)伍上的準(zhǔn)備,才不致盲目地去上新的項(xiàng)目和建設(shè)新的臺(tái)網(wǎng)。

(作者電子信箱,歐陽祖熙:zxo@ht.rol.cn.net)

[1]EarthScope Project Plan—A New View into Earth,2001;http:∥www.unavco.net/p roject

[2]The Plate Boundary Observatory(PBO)Component of the EarthScope mRE Proposal,2002;http:∥pboweb.unavco.org

[3]Critical Design of PBO Borehole Strainmeter Network,2004;http:∥pboweb.unavco.org

[4]PBO Strainmeter Products,2011;http:∥pboweb.unavco.org/stations/

[5]Allen R V,Wood D,Mortensen C.Some instruments and techniques for the measurement of tidal tilt.Phil.Trans.Roy.Soc.Ser.A,1973,274:219-222

[6]Johnstonm J S,Mortensen C E.Tilt precursors before earthquakes on the San Andreas Fault,California.Science,1974,186:1031-1034

[7]Mortensen C E,Johnston m J S.Anomalous tilt preceding Hollister earthquake of November 28,1974.J.Geophys.Res.,1976,81:3561-3566

[8]Mortensen C E.Experimental tilt and strain instrumentation,U.S.Geol.Surv.Open-File Repo rt,1982,82-840,357-360

[9]Wyatt F,Bilham R,Beavan R J,et al.Comparing tiltmeters for use in crustal deformation measurements:A preliminary report.Geophys.Res.Lett.,1984,11:963-966

[10]Wyatt F K,Agnew D C,Gladwin m.Continuous measurements of crustal deformation for the 1992 Landers earthquake sequence.Bull.Seism.Soc.Am.,1994,84:768-779

[11]Roeloffs E.Evidence for aseismic deformation rate changes prior to earthquakes.Annual Review of Earth and Planetary Sciences,2010,34:591-627

U.S.PBO Project:Borehole strainmeter networks face a challenge

Ouyang Zuxi
(Institute of Crustal Dynamics,CEA,Beijing 100085,China)

Several clusters of borehole strainmeters were specially established in PBO,in which 2 or 3 instruments were installed within a few hundred meters to study how the borehole strainmeter responds to tectonic activities and what interference will be generated by local,non-tectonic factors.Data of 6 such clusters were collected and presented in the paper.The crustal strain field revealed at the data and a brief analysis were also given.It show s that many strain accumulation signals recorded by 6 strain meter net works are basically due to local processes instead of tectonic activities.Primary discussion about PBO strain meter networks was carried out and some suggestions concerning development of bore hole strain meter networks in China were made as well.

bore hole strain meter;PBO Project;parallel observation;tectonic stress field

P315.72+7;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.10.005

2011-07-08;

2011-07-29。