作者:王宝山等 来源:《美国地球物理学联合会会刊》 发布时间:2012-2-6 14:52:52
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用“地震气枪”能监测断裂带压力变化

 
新研究表明,由气枪一样的装置爆炸所产生的地震波速度的改变能够用来监测断层带压力的变化。图片来源:王宝山
 
长期以来,石油地质学家一直利用气枪来寻找石油和天然气沉积。他们用这种设备突然爆炸产生的地震波来绘制地下岩层。那么类似的技术能否用来研究地震呢?一个由中国科学家组成的研究团队便是这样想的。研究人员已经设计出一种气枪,能够有效监测沿断裂带积聚的压力变化。
 
尽管地质学家通常在陆基勘察中利用炸药或其他方法来制造地震波,但他们在水中的探测通常都使用气枪。当这些装置——通常被拖在船后——利用压缩空气产生的剧烈爆炸在水中引发巨大的冲击波,并被传送至沉积层时,它们便能够引发地震震动。就像医生用CT扫描人体一样,地质学家利用一个与地震仪类似的接收器网络来采集这些数据,并利用它来绘制岩层沉积的结构或该区域地壳的其他特征,例如地质断裂带。
 
类似的网络还可以用来监测细微而长期的地震波速度变化。北京中国地震局的地球物理学家王宝山(音译)指出,此类变化意味着沿着断裂带的压力积聚发生了改变。尽管有研究已经指出了在断裂带和火山地区出现的这种变化,但它们都依赖于地震波的自然来源。而这些来源在强度上会产生变化且很少发生,同时间隔也不规律,地点亦不可预知。王宝山说,结果,图像分辨率便相对较低。
 
并未参与该项研究的美国得克萨斯州休斯敦市莱斯大学的地质学家牛凤林(音译)表示:“挑战在于开发出一个地震能量保持一致的源头。”而这一设备所需要的正是王宝山及其同事所设计的。该装置——被研究人员称为“传输地震台”——由4个大型空气罐构成,每个空气罐都能够在15兆帕斯卡(大约相当于海平面大气压强的153倍)的压力下存放近33升的空气。
 
研究小组于2011年4月在中国云南省进行了现场试验,场所便位于用来监测贯穿附近的两大断裂带的1万平方公里地震仪阵列的中心附近。王宝山介绍说,在他们的试验过程中,为了确保很好地覆盖,研究人员还在周围区域临时布置了另外40个地震仪。
 
在试验过程中,气枪装置被一部吊车放到一个小水库中,并点火111次。由水库周围的仪器采集的数据表明,所有的发射都产生了几乎完全相同的地表运动——相当于由0.5级地震引发的地表运动。研究人员在2月份出版的《美国地球物理学联合会会刊》(EOS, TRANSACTIONS AMERICAN GEOPHYSICAL UNION)上报告说,由单次发射引发的地表运动能够被112公里之外的一部地震仪所识别。当数据采集针对随之而来叠加的所有发射时,即便是240公里之外的仪器,地表运动也能够从背景地震噪音中脱颖而出。
 
除了从一项试验到另一项试验具有很大的一致性外,无论气枪爆炸还是由此产生的地表运动显然都不会对野生动植物或附近的地质构造产生任何影响。王宝山表示,没有一条湖鱼被发射杀死或吓蒙,并且安装在距离试验地点1.4公里之外的一座大坝上的仪器显示,地表峰值加速度远低于人类能够察觉的加速度。他承认,其他可能的影响还有待评估,但相信它们都是最小限度。
 
研究人员提出,在未来3年或更长的时间里,通过每周开一次气枪来监测附近断裂带的变化。王宝山说,通过将由地震仪区域网络采集的数据和由GPS或其他设备获得的数据整合在一起,科学家们或许便能够确定与沿着断裂带的压力变化相关的地震波速度是如何改变的。这些变化反过来可以为沿着断裂带的压力积聚——这是未来一场地震的可能信号——提供早期警报。
 
牛凤林说,研究小组的成果充满希望,尤其鉴于地震传感器最近取得的进步。但他提出了一些可能存在的问题。首先,水库水位的变化可能导致下面岩石应力的改变,从而影响由气枪爆炸产生的地震波的速度。他认为,今后试验所采集的数据将会揭示这是否为一个问题。(来源:中国科学报 赵路)
 
 
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