浩渺宇宙中,地球这颗美丽的蓝色星球是我们人类赖以生存的唯一家园,也是数以万计生命繁衍不可或缺的生存空间。然而,地球并不是静止不动的,它无时无刻不在进行着细微或剧烈的运动。我们人类的五官只能通过观察昼夜与季节交替、潮汐变化、地震、火山喷发等现象,感触到地球自转、公转、地壳活动等大范围的运动,而对地球运动产生的“固体潮汐”细微变动、板块或地块之间微变形运动、地震后产生的地壳自由振荡,以及周期性的地幔运动等等却无法感知。

“力”是地球物质运动的来源。“地应力”是地壳岩体内部的应力。随着地球不停地运动,地壳岩体中的地应力也会不断变化,我们可以通过观测地壳中地应力的变化来感知到地球内部的运动。所以,“地应力监测”便是目前人类寻找到的可以感知“地球脉动”的一把便利钥匙。

地球运动:火山喷发

地应力监测是利用精密观测仪器记录岩体受力与变形过程的一种技术,通常是将仪器放入地下钻孔的岩体中,通过仪器采集岩体中应力变化信号,来观测地壳应力变化的特征,也称为钻孔应变监测。

地应力监测系统主要由地应力监测主设备、辅助观测仪器和电源通信系统三部分构成(见下图)。常见的地应力监测主设备有三种:第一种是体应变仪,也是最常见的一种观测仪器,它利用断层岩体各方向所受的压力差导致仪器内长圆形的弹性筒筒内液体变化量,求得岩石所受的体应变量,其观测精度可达1×10-11ε;第二种是分量压容式应变监测仪,它通过地应力作用下仪器的4个压容传感元件(各传感器之间夹角45°)记录的电容改变量,获得各个方向应力变化情况;第三种是四分量压磁应力仪,应力作用下岩体会使应力计产生机械变形,并产生磁性变化,同时记录线圈电感量的变化,进而得到应力动态变化情况。

地应力监测系统示意图

地应力监测仪器记录到的应力变化最终都会通过电信号以曲线的形式表现出来,这样我们就可以用肉眼观测到地球内部运动的情况,并直观感受到地球脉动了。比如,通过地应力监测系统我们看到了海南岛锦山地区2017年的地应力波动曲线总体上具有上升趋势,结合区域构造情况便可以推测出监测区附近的地壳在逐渐隆升。因此,通过积累长期的地应力监测数据可以用来分析地壳运动规律,为地震预测、地质灾害预测、地貌演化趋势预测,以及重大工程区地壳稳定性评价和资源开采安全利用等提供重要依据。

随着我国5G通信、人工智能、云计算等科学技术的不断进步,地应力监测将在我们人类生产生活和国民经济建设中扮演更为重要的角色。

(作者单位:中国地质科学院地质力学研究所)

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