摘要
灵敏度高（优于10-9）和频带甚宽（零到数百赫兹）的钻孔应变仪自1968年被成功研制以来，便为探赜地震前兆、震源物理、断层滑动、火山活动和构造运动等动力学机制提供了新视角。在半个多世纪的观测与探索过程中，其重要的理论价值和巨大的应用潜力已渐露峥嵘。但在耦合度、水文、地质结构和地壳介质的各向异性等诸多因子的综合影响下，钻孔应变仪对气压和潮汐的频响往往具有非线性特质，即频率依赖性。这对不同时长构造事件的合理提取尤为不利，同时也增加了非构造运动信号识别与改正的复杂度。因此，如何厘清钻孔应变信号中气压和潮汐的频响效应，一直都是地球动力学研究中的一大难点。 从20世纪60年代末，我国便逐步创建了钻孔应变观测台网，并积累了丰富的观测资料。但一个关键问题是，在频率域这些台站对气压和潮汐响应的特征和机理如何？截至目前，尚无系统性的研究。有鉴于此，本文尝试利用极端天气和传递函数等方法，对其中38个台站进行了全面诊断。主要研究内容和认识如下: (1)在高频气压扰动实证方面，我们通过分析2018年3月4日发生在华东地区的一次强飑线天气，发现飑线过境时短时气压突变所引起最大的钻孔体应变量为16.2×10-9;在26～74 min周期内，气压涌升幅度与钻孔体应变的弹性压缩量具有很好的线性关系，该高频段的气压影响系数达5.0×10-9/hPa;以上结果，不仅有助于科学识别飑线所引起单台或多台体应变异常变化的物理本源;同时，还能为短周期气压效应的改正模型提供实证依据。 (2)在低频气压扰动实证方面，本工作依据超强台风“利奇马”的强度和时空演变特征，采用经验模态分解(EMD)等方法，系统分析并揭示了台风期间低频气压波对东南沿海地区钻孔体应变影响的全貌，结果表明当周期为103 h时，18.2 hPa的气压降幅，便可在地下62 m深处产生高达-112.1×10-9的体应变，该频点的气压影响系数为6.2×10-9/hPa;这为钻孔体应变对长周期气压波动频响的理论研究，提供了更可靠的观测实证。 (3)通过传递函数，本文首次获取了29个台对不同频带(0.1～30 cpd)气压的频响全貌，发现低频带(0.1～0.5 cpd)气压响应的稳定性和可靠性较好，高频带(8～30 cpd)次之，中频带(0.5～8 cpd)最差。各台气压系数的频响差异显著;在不考虑潮汐频段的影响下，安康、库尔勒、固原、连云港、江宁和巴仑台等6个台站近线性平稳，其余则以非线性非平稳特性为主。在此基础上，也对各台频响的共性和个性特征进行了动力学诊断。 (4)针对气压响应近线性平稳的6个台站，本研究借助双衬套力学模型，定量反演了它们钻孔围岩的弹性模量和泊松比，量化结果与岩石力学试验测值大致吻合。但一个值得注意的问题是，基于线弹性介质的双衬套钻孔系统模型，还不足以刻画真实的气压响应特征，其适用性较为有限。 (5)区别于传统的调和分析，我们采用传递函数着重计算了陕西地区4个钻孔体应变台的潮汐响应，发现潮汐响应在半日波频段的稳定性和收敛性，均明显优于日波频段;此外，传递函数和最小二乘法所提取的潮波参数基本相符。 上述结果，不仅有助于气压和潮汐效应的分频改正;而且还能为相关动力学模型的构建和完善等，提供新的视角和实证依据。但要充分释放我国钻孔应变观测台网的价值和潜力，目前的工作和认识还十分有限，未来仍需解决若干难题和挑战;诚然，这也是我们后期所要努力的方向。
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