Review and prospect of borehole seismic observation research in China：From borehole to Donghai borehole vertical seismic array
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摘要:
目前我国约有数百个井下地震观测台。井下观测可以避免地表噪声干扰和场地效应，填补在高噪声区域获取高精度地震资料的空白。增加井下观测台站可以弥补地表观测能力的不足，使观测台站的布局更加科学合理，从而也为地震学观测研究开辟新途径。井下台网观测波形有利于准确测定地震参数，建立高精度波速模型，探索地震成因，从而推动地震预报工作。唐山强震就发生在低速体与高速体之间，文安地震前波速出现了可信的地震前兆性降低异常。井下地震仪可观测到地表反射波，对研究地壳精细结构和资源评估均有重要意义。井下观测到的震级、矩震级以及拐角频率均小于地面台站观测结果。江苏东海大陆深井垂直地震台阵井下波形的平均信噪比为70 dB以上，在高噪声背景区可获得高保真度的地震波形，也为研究震源提供更直接的约束条件，有利于高可信度的震源理论研究，以及地震波传播的非线性效应和场地效应的研究，进而提高强地面运动预测的精确度。井下与地面观测的震级差异可能与上层介质的波形非线性增幅效应及波的频率有关，它们拐角频率差异可能与上层介质对不同频率波分量的影响有关。这些差异的成因也具有多重复杂性，有待于深入地科学研究和探索。我国近期将建设更多井下地震观测台站，井下观测网和垂直地震台阵观测研究是创新未来地球物理学发展的重要途径。
Abstract:This paper summarizes the newly research achievements of the underground seismic observation networks and borehole vertical seismic arrays in China, and looks forward to the prospect of underground observation research in the future. There are hundreds of underground observation stations with excellent observation quality currently. The underground seismic observational network pioneers a new technical approach for the physics in the Earth's interior of observation and study in the depths.
This analysis indicates that the underground observation can avoid the surface noise and site effects, and obtain high-quality seismic data. Therefore, it is possible for scientist to construct borehole stations scientifically in the earthquake monitoring areas, even if in the high noise background areas. Then the earthquake epicenter will be determined more accurately based on data observed from the reasonable station layout. The ability monitoring seismic activity is improved greatly. Simultaneously, the underground seismometer can record clear seismic wave near the epicenter because of avoiding the surface noise. The seismic waves observed near the epicenter retain more high-frequency components of waveforms which are essential data for study of the fine structure of the earth. It promotes the development of the seismological science.
It also can reduce the average velocity differences of P and S waves between stations due to different ground station foundations for us to study the spatial heterogeneity of the seismic wave velocity distribution if we use underground observation velocities. The accuracy and reliability of the 3D velocity model can significantly be improved by employing the data that reduced velocity differences mentioned above. The research findings suggested that the Tangshan strong earthquake occurred between the low speed zone and high speed zone too. The study results on the temporal variation of wave velocity indicated that a credible precursor process of wave velocity reduction also appeared before the Wen’an MS5.1 earthquake.
The surface reflected seismic waves near earthquakes have been surveyed through the underground observations. The accurate velocity structure of the crustal sedimentary layer can be established by employing the combination of incident waves and surface reflection waves. The high precision velocity models of the shallow layer are also of great significance to study the fine structure of the Earth’s interior.
The seismic kinematic and dynamic parameters, such as arrival time, component frequency and amplitude of seismic waves can accurately be determined by employing the low noise waves by the underground observation. The reliable high-level research findings are likely achieved based on the accurate parameters. The low noise waves observed by borehole seismometer are actually reasonable constraint for the study on seismic source. It is beneficial for scientist to solve the precise seismic source parameters and to acquire highly reliable results about the source under the strict constraint condition. A large number of excellent results have already been achieved based on the data of underground observation today. The seismic moments and moment magnitudes calculated by employing seismic waveform data from the underground observations are less than that calculated using waveforms by the ground observation. The stress drops and average earthquake dislocations computed using the waveforms from the underground observation are both less than those computed from waveforms observed in the ground bedrock. The corner frequencies calculated by seismic waveforms observed at the underground platforms are also lower than that calculated using data from the ground observations. The high-frequency components of the source spectrum calculated by waveforms from underground observation are weak, and not as abundant as that calculated using waveforms observed on the ground. As mentioned above, the magnitude and moment magnitude of the underground observation are less than those observed in the surface bedrock. The differences between the two kinds of magnitudes may be attributed to the nonlinear amplification effect of the wave in the upper medium of the borehole seismograph and the frequencies of seismic waves. Relatively, the lower corner frequencies of underground observations compared with the surface observations may be attributed to the absorption and amplification effect for different frequency wave components by the upper medium of underground instruments. In addition, the site response of the surface layer also has a significant impact on the source spectral parameters. The majority of the site responses underground platform are greater than 1 at the low-frequency domain and less than 1 at the high frequency domain respectively. The different site response between high and low frequency domain may also cause the magnitude and corner frequency observed by underground stations to be lower than those observed on the ground. The causes of source parameter differences mentioned above may be generally multiple complexities. It is still an important topic of future scientific exploration.
The underground seismometer recorded the surface reflection waves besides of the direct waves. The phenomenon is very valuable. So the nonlinear site effects and amplification characteristics of seismic wave propagation in sediment layers are solved accurately using the two types of data: Direct and reflected waves. Then the uncertainty of theoretical wave field solution can be reduced using the high-precision site effect results. The accuracy of strong ground motion prediction can surely be improved.
The Donghai, Jiangsu Province, borehole vertical seismic array is the first vertical seismic array in China. The array is consisted of one station at surface and four stations established at different deep layers in the borehole over
5000 meters deep and another borehole station with multiple geophysical instruments about 500 m away from the5000 m deep borehole. The array can observe more clearer waveforms of micro-earthquakes with zero or negative magnitudes and then improve the ability to monitor crustal and seismic activities. The signal-to-noise ratios of waveforms recorded at different depths in the borehole can provide valuable reference for the construction of underground stations currently. The signal-to-noise ratios of waveforms observed in the borehole are also all greater than or equal to 70 dB. The seismic waveforms with high fidelity were obtained in the high noise background areas by means of the vertical seismic array system. The precise three-dimensional seismic wave velocity model can be established using high-quality seismic waveforms, which contributes to comprehensive reveal of the tectonic movement of the earth. The waveforms without site response and noise observed by the vertical array system are more appropriate constraints for the study of seismic sources too. The innovative research achievements on seismic source theory are expectable by the study under above scientific constraint condition.The borehole seismic observation research not only have made significant contributions to earth science, but also is of great practical significance for the resource assessment, earthquake prediction and disaster prevention and mitigation of earthquakes.
The underground observation net and vertical array observation research are the frontiers of scientific problem in the world currently. More underground observation networks and borehole vertical seismic arrays are being constructed to obtain more high-precision seismic data and research findings, which will continuously innovate the future development of earth science.
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引言
地形变观测被公认为是目前最有效的地震前兆监测手段之一，自1966年邢台地震后我国就开始设站进行地形变的连续观测（吴翼麟，1990；张国民，2002），经多期规划调整，目前已发展成多学科、多方法的综合观测，并初步实现了观测的数字网络化（秦家林，2015）。大量的地形变观测数据被初步用于前兆异常识别和强震地点预测研究（严尊国等，2000；江在森，武艳强，2012），但随着观测资料的日益丰富及观测数据的长期积累，我们注意到同台同物理量不同仪器的观测数据有较大差异，部分仪器的观测结果与区域构造背景明显不符，给观测数据的物理解释造成了一定困难，同时也影响了前兆异常的可靠性。因此，结合仪器观测原理和台址环境建模作进一步分析，从而深化对观测数据的认识是十分必要的。
地震地质建模的研究由来已久，早在20世纪80年代就开始引用数值模拟方法（England，McKenzie，1982），特别是将有限元建模方法用于三维非线性多场耦合复杂建模分析，目前已成为主流的建模分析方法之一（Parsons，2002），在走滑断层活动过程（Xing，Makinouchi，2002）、地震孕育机理（Xing et al，2004 ；邓志辉等，2011）、滑坡形成机制（申通等，2014）、构造应力与历史地震（祝爱玉等，2015）、活动地块地壳形变差异（唐方头等，2003）、介质不均匀性和断层倾角对同震位移场影响（李锋，黄金水，2011）的模拟以及地壳运动动力学机制的有限元分析（叶正仁，王建，2004）等方面均有很多应用。此外，针对地电台址的介质条件和构造环境也有过初步的数值模拟研究（阮爱国，赵和云，1991；赵和云，阮爱国，1992），但基于山体上形变台站的应力环境的数值模拟研究相对缺乏，基底应力场与山体中观测到的应力变化是否一致目前尚存在很大争议。为此，本文拟以黔江仰头山上的形变综合台黔江台为例，结合实际构造地质资料建立有限元模型，分析台址环境对观测数据的影响，以期解释前兆观测结果的真实物理意义。
1. 黔江台简介
黔江台地处重庆市黔江区仰头山，海拔1 020 m，属于渝东南武陵山区。武陵山区的地貌受地质拼迭控制，以低中山为主，山脉走向多与构造线方向一致，其中仰头山是NE走向山脉的一段，其NW方向有区域内最高的八面山，其SE方向为黔江向斜，地势低洼，阿蓬江贯穿其中（图 1a）。黔江台位于NE向彭水基底断裂与黔江断裂之间，距台站4 km处有第四纪仰头山断层（1856年小南海M6¼地震即发生在该断层上）通过（图 1b），而断裂可能影响区域应力场的分布（曹建玲等，2013）。
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图 1 黔江台地理位置图（a）和构造地貌分布图（b）Figure 1. The location of Qianjiang station （a） and its geomorphic distribution （b）黔江台配置SS-Y伸缩仪、DSQ水管仪和VS垂直摆等三套形变仪器，均安装在同一个观测硐室，其中水管仪和伸缩仪的基线布设相同，分别监测该区域的应变和倾斜变化，每套仪器分南北和东西分量。三套仪器均能记录到明显的固体潮，数据连续性较好，同震记录丰富。
2. 黔江台地质环境
黔江台位于上扬子台坳、渝东南断褶隆起区，区域内NNE向褶皱群呈带状分布，以隔槽式褶皱为主，背斜轴部发育正断层，盖层中逆冲推覆构造发育，断层的新生性较强。此外，新生代的山间盆地和断陷盆地也较为发育。
2.1 地层特征
黔江地区新生代以来遭受了比较强烈的剥蚀，地层出露良好（图 2a），其中以古生界地层发育最佳，下古生界发育最全，分布最广，上古生界假整合于中志留统之上，发育较差，缺失早中泥盆统和早晚石炭统的沉积；中生界假整合于长兴组之上，三叠系分布广泛，中侏罗统与上白垩统之间为角度不整合接触；新生界第三系和第四系不甚发育，零星分布，角度不整合于老地层之上（丁仁杰，李克昌，2004）。
观测硐室的台基为二叠系栖霞灰岩，厚约68 m；其下为泥盆系泥灰岩夹砂岩，岩层相对较薄；基底出露大量志留纪泥页岩。
2.2 岩性特征
结合黔江区域的地层分布特征，该区域出露的岩性主要为砂岩、灰岩和页岩（图 2b），由于不同岩性的物质成分和结构均不相同，其物理特性和岩石力学参数具有很大差异（叶金汉等，1991）。① 砂岩。岩性较硬，年代较新，上白垩统为砂质灰质细砾岩和石英砂岩，中侏罗统石英粉砂岩和长石砂岩互层，上三叠统为细至粗粒石英砂岩及岩屑砂岩，中三叠统上部为白云质、钙质石英砂岩；中志留统上部为罗惹坪组粉砂岩；② 灰岩。岩性致密，岩溶裂隙发育，中三叠统下部为薄—厚层灰岩、灰质白云岩及白云岩，下三叠统为中厚—巨厚层白云岩和灰岩互层；上二叠统为中—厚层含硅质团块和条带灰岩，下二叠统为中—巨厚层灰岩，夹硅质层；上泥盆统上部为泥质灰岩；③ 页岩。岩性较软，主要为下二叠统梁山组炭质页岩、中志留统罗惹坪组粉砂质页岩和下志留统龙马溪组页岩。
2.3 构造特征
黔江区域的盖层变形以NE向构造（NE向褶皱及其伴生断裂）为主体构造格架，断层走向和褶皱轴向以NE向为主，相互平行交替排列，同时存在少数NNE和NNW向派生构造。褶皱主要为铜西向斜，位于黔江台的东南部，呈NE走向，核部出露白垩系和三叠系新地层，与邻近的背斜构成箱状褶皱。
黔江地区NE向断裂与NNE向褶皱伴生形成盖层断裂，当褶皱完全发育后，地壳持续缩短进而导致错断，平行于褶皱轴线发育逆冲断层和逆掩断层，如黔江断裂，总体走向为N40°E，全长约140 km，在平面上由近于平行的4条断裂组合形成右阶斜列式结构，以阶区为界，黔江断裂分为北、中、南三段，黔江台位于龙潭坝断裂与筲箕滩断裂（中南段）的交界处；该断裂剖面上，破碎带比较发育，断层岩主要为碎裂岩、角砾岩、方解石脉和断层泥，为晚更新世活动断层。与褶皱轴直交发育派生的正断层，如仰头山断层，距黔江台约4 km，总体走向为290°—320°，断续展布约12 km，倾向SW或NE，倾角为70°—80°，具有逆滑左行平移性质，断裂破碎带发育，由碎裂岩、角砾岩、方解石脉和团块组成，1856年该断层上发生重庆辖区最大的小南海M6¼地震，活动性较强（刘玉亮，2009）。
3. 黔江台应力环境
重庆地处中国南北构造带的东侧，属于东、西部板块运动的中间过渡地区。从前述构造运动、活动断裂、褶皱的形成过程分析，该区域断褶构造的形成和地壳的缩短、隆升分别与印度板块和太平洋板块碰撞、俯冲所产生的挤压相联系，反映了印度板块与太平洋板块两侧在挤压动力条件下对区域新生代构造应力场的影响和制约。
丁仁杰和李克昌（2004）通过汇集经绝对年龄测定或有确切证据认定的近30条第四纪活动断层资料，依据其力学性质和运动方式，确定其正应力方向，同时基于现代地震震源机制解的P轴轴向，结合新构造运动形迹（图 3），综合推断出重庆辖区新生代构造应力场的基本特征。
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图 3 重庆辖区应力环境及黔江地区应力示意图（改自丁仁杰和李克昌，2004）Figure 3. The stress environment in Chongqing area and the stress distribution in Qianjiang region （modified from Ding and Li，2004）3.1 构造应力环境
构造应力分析主要结合重庆辖区第四纪活动构造展布的空间位置、力学性质、运动方向及区域地震的震源机制反演进行。该区域的新构造运动是在NNE向倾斜的古地势环境下发展演化而来，现阶段地壳活化，持续掀斜抬升运动（李伦炯，1997）；受NW向压应力和深部滑脱层的影响，该区域发育大量的隔槽式褶皱和逆冲推覆构造，其轴向多为NE向，垂直于区域应力方向；而第四纪断层的力学性质表现为NE向断层的逆滑（左行）运动；近NS向或NNE向断层表现为强烈压性逆冲性质；反演所得正应力轴向整体为WNW方向，反映该区域的主应力迹线方向为WNW向（颜丹平，汪新文，2000；颜丹平等，2008）。徐纪人等（2008）的中国大陆中强地震的震源机制解表明该区域的P轴方位集中在280°—290°和340°—350°的范围内，而辖区内发生的统景M5.2，M5.4和荣昌M5.2地震，其震源机制解P轴轴向分别为287.5°和320°，与断层运动所表现出的正应力轴向基本吻合。因此，渝西-渝东南地区所形成的主应力迹线，由西向东呈WNW向缓缓弯曲转为NW向（图 3）。主应力迹线形态与该断褶构造的力学性质基本吻合，而现代地震震中地震构造的正应力方向与震源主压应力轴向基本一致，也证明了现代构造应力场对新生代构造应力场的继承性。
3.2 GPS应力场
结合全球导航卫星系统资料可知，印度板块以（37±0.2） mm/a的平均速度沿NNE方向运动（Malaimani et al，2008），但在北部坚硬地块的阻挡下，青藏地块发生明显的缩短、隆起并向东部逃逸，这使得川滇地块向SE方向运动（张培震等，2002），而辖区GPS站点（全球国际地球参考2008框架）以大约30 mm/a的速度向SE方向运动。陈涛等（2013）结合重庆辖区2008—2012年GPS资料，应用块体整体旋转线性应变模型获取了该地区的水平形变场和应变场，结果显示该区域的应变以压应变为主，方向近似NW向，主压应力方向与大范围构造应力场基本一致。杨淑贤等（2005）利用地形变测量、震源机制解和钻孔应力测量等资料，综合分析认为重庆辖区新构造期现代构造应力场的作用方向具有明显的分区性，其中黔江区域的应力主要受到NW向的挤压。综上所述，多种研究结果一致认为研究区域内的应力场以NW向压应力为主，各种应变参数处于10−8量级。
4. 有限元建模分析
有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，通过有限的相互作用的单元去逼近无限未知量的真实系统，从而将复杂问题简单化并求得近似解。随着科技的不断发展，涌现出大量的有限元分析工具，其中Ansys软件常用于地质工程的应力和结构分析。经过不断更新，Ansys软件的有限元分析功能越来越强大，涵盖结构、静力、动力、流体、电磁及多场耦合等多领域分析。本文选用Ansys16.0中的Workbench模块进行建模分析。
4.1 问题描述与假设条件
自2008年观测以来，黔江台的三套仪器工作正常，积累了丰富的观测资料，经对比分析可知：① 在基线布设完全相同的情况下，倾斜类仪器的映震能力远远高于应变类仪器；② 两套倾斜仪能记录到明显的固体潮，而应变仪固体潮幅度较小，特别是东西分量几乎记录不到固体潮；③ 两套倾斜仪的长期趋势不一致，垂直摆观测趋于东南倾，而水管仪观测没有明显的倾斜方向。以上现象除受仪器观测原理影响外，还可能与台址环境有关，因此有必要对其进行建模分析，解释数据差异产生的原因。
由于实际台址环境较复杂，且针对大量的物理量只有定性的研究，为了便于建模分析，本文设定以下假设：① 山体模型。因该地区山体、褶皱及断裂均沿NE方向展布，本文以SW向的地质剖面为基准，并沿其法线方向（NE向）拉伸形成的几何体模拟实际的山体模型；② 地质条件。因该区域的地质构造条件较复杂，可能存在局部破裂或岩性的不均一性，而该模型是针对山体整体的受力变形，故对岩性和构造要素作简单的均一化处理；③ 应力环境。因该区域内的应力场以NE向压应力为主，应变大小为10−8量级，本文设置的应力载荷为108量级，方向指向SE向。
4.2 模型建立与分析
4.2.1 几何模型建立
黔江台位于NE向仰头山体内，沿山体两侧均有同方向的断裂和褶皱分布，构造格局较复杂，区域主压应力方向为SE方向（图 4a）。本文选用与应力方向大致相同的AB剖面图建模分析（图 4b），既保留了整个山体的构造框架，又利于简化模型分析结果的显示。
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图 4 黔江台址环境（a）和几何建模示意图（b）Figure 4. The environment （a） and geometric modeling （b） of Qianjiang station台址的应力状态除受构造要素影响外，还与该区域的岩石力学性质相关，尤其是当岩石力学性质差异较大时，较软的岩石更容易受力变形。正如图 4b所示，该区域出露的岩性主要为志留纪页岩、泥盆纪砂岩及二叠纪灰岩，以及受断裂破碎作用形成的碎裂岩，这几种岩石的成因、成分、结构及岩石力学性质均不相同，因此，本文结合实际地质资料，参考岩石力学参数表（叶金汉等，1991），设定介质模型的材料参数，列于表 1。
表 1 模型介质岩石力学参数汇总表Table 1. The rock mechanics parameters of model medium岩性 容重/（103 kg·m−3） 抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比 剪切模量/GPa 体积模量/GPa 灰岩 2.70 96 6.00 0.35 2.22 6.66 砂岩 2.58 75 4.00 0.30 1.54 3.33 页岩 2.49 50 2.66 0.20 1.11 1.48 断层 1.32 20 0.91 0.18 3.88 4.73 ![]()
图 2 黔江区域地质图（a）及台站地质剖面图（b）Figure 2. The regional geological map （a） and stratigraphic profile （b） in Qianjiang region4.2.2 模型分析
1） 网格划分。网格划分的目的是使模型离散化，并利用适当数量的网格单元得到相对精确的解。网格划分的工具有多种，本文选用Workbench中的自动网格划分工具，该工具自动优化网格划分类型，可满足模型要求。网格的疏密程度直接影响到计算结果的精度，但是网格加密会增加CPU计算时间，需要更大的存储空间。为保证模型网格密度和计算质量，综合考虑计算精度和计算量，本文选取网格尺寸为1.5 m （几何模型的规模为百米级），其它参数均采用默认值，满足模型的需求。
2） 接触关系。当几何体存在多个部件时，需要确定部件之间的相互关系，部件的接触关系影响其间的荷载传递方式。Workbench提供多种接触类型，但由于不同岩层间的摩擦系数和黏合系数很难确定，且岩层之间不存在滑脱现象，本文采用直接绑定接触，符合模型的需求。
3） 边界条件。载荷和约束是Ansys软件求解计算的边界条件，是以所选单元的自由度形式定义的，本文主要分析台址环境受力变化特征，因此载荷主要选择力载荷工具的压力载荷，方向为SE向，大小为100 MPa。考虑到垂向上重力与下地壳的支持力处于平衡状态，模型的基底采用垂向结构约束；而台址东南侧为华南板块，比较稳定，为防止模型移动，模型的东南端采用固定约束。
4.3 模型结果解释
本模型主要研究在SE向应力的挤压下，台址山体的等效应力分布特征和变形特征，其中：等效应力分布主要反映山体受挤压后的应力传播途径，而变形特征则显示山体不同部位的变形程度，包括水平变形和垂向变形。图 5给出了有限元模型的分析结果。
等效应力分布结果（图 5a）显示：在NW向应力的挤压下，区域等效应力的分布受构造要素影响较大，特别是在断层破裂带，应力的方向发生明显变化，远离断层后恢复正常；当岩层具有明显弯曲褶皱时，等效应力较集中于向斜轴部岩层弯曲角度较大的地方。
总体变形结果（图 5b）显示：受挤压后，山体明显缩短，越接近力源，变形幅度越大；岩性较软的志留纪页岩和断层碎裂岩更容易变形，而较硬的灰岩和砂岩变形幅度较小，使得山体变形不均匀，下部页岩在力的作用下水平缩短，垂向上增厚，向上推挤上覆岩层形成上拱的背斜，这与实际的地貌相符合。此外，由于岩层之间存在摩擦力和黏附力，上覆岩层也能记录到部分水平变形（图 5c），但其变形幅度远小于对应的垂向变形（图 5d），特别是山体西北部垂向变形最大，造成山体岩层倾向SE方向。
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图 5 有限元模型分析结果（a） 等效应力分布；（b） 总体变形；（c） 水平变形；（d） 垂向变形Figure 5. The results of finite element model analyses（a） Equivalent stress distribution；（b） Total deformation；（c） Horizontal deformation；（d） Vertical deformation结合总体变形和等效应力结果可知：黔江仰头山受SE方向的挤压，其变形和应力均集中在山体基底，下部的志留纪页岩发生塑性缩短而向上隆起；上部的二叠纪灰岩受力不再是水平挤压，而是垂向上抬升，使得上覆岩层上拱形成一定弧度，越接近背斜的轴部，其变形越大，对应的上覆岩层弯曲拉张。在上拱的同时，由于岩层自身倾向SE方向，加剧了台站向SE方向倾斜的趋势（图 6）。
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图 6 变形前（a）、后（b）形变仪器观测数据的变化模式图Figure 6. The change pattern of observation data from deformation instrument before （a） and after （b） deformation4.4 模型验证
黔江台有倾斜观测和应变观测，前者用于观测地壳垂向上的变形，后者用于观测地壳水平向上的变形。观测仪器均布设在仰头山山腰的硐室内，基岩为二叠纪灰岩，观测时段长达十余年，均能记录到清晰的固体潮和同震形变波，灵敏度和精度较高，观测结果可靠。因此，本文选用该台长期积累的观测资料来检验有限元模型的可靠性。黔江台伸缩仪和垂直摆的东西分量均呈稳定持续上升变化趋势（图 7），反映了观测点位的张性变化和东倾变化与模型计算结果一致，即岩层持续上拱，地表弯曲拉张，山体持续向岩层倾向方向倾斜。
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图 7 黔江台伸缩仪（EW）和垂直摆（EW）长期趋势变化Figure 7. Long-term trends of extensometer （EW） and vertical pendulum （EW） in Qianjiang station综上所述，黔江台能记录到区域应力场的形变信息，但受岩石力学性质和构造要素的影响，台址的变形与山体基底的变形具有一定的差异性，台站记录到的形变并不能完全反映区域应力变化，而是区域应力与构造条件及岩石力学参数的综合反映。因此，定点形变台站观测到的形变信息并非完全是区域应力场的信息，而是经台址构造环境改变后的信息，这是导致其观测结果与构造应力背景不一致的主要原因。
5. 讨论与结论
台站区域范围内的断层、褶皱、岩性及岩层特征是构成台站构造环境的主要因素。由于不同台站具有其独特的台址构造环境，仪器观测数据差异性较大，观测数据的物理意义不明确。以往的研究大多是结合数据曲线形态、时频特征、固体潮及同震信息来提取前兆异常，研判震情形势（即传统的经验预报方法）；而关于数据曲线变化的物理意义及前兆机理方面的研究较少，这也正是下一步物理预报所急需解决的问题之一。因此，本文通过地质模型将观测数据与台址环境有机地结合在一起，探寻数据变化的内在本质。
黔江地区构造较复杂，岩性变化差异较大，长期受NW向挤压应力的影响，使得该区域出现大量的褶皱和断层，这些构造要素在一定程度上影响着区域应力场的大小和方向。本文对黔江台的台址资料进行全面收集和整理，并以此为依据建立有限元模型，分析观测数据不同趋势变化的成因机理，得到以下结论：
1） 有限元模型分析结果显示：在NW向压力的作用下，岩性较软的页岩和断层碎裂岩更容易发生变形，而上覆的砂岩和灰岩变形较小；页岩在压力作用下不断塑性缩短，其上覆岩层上拱形成背斜，并倾向SE方向，使得上覆岩层垂向变形大于水平变形；等效应力的分布受断层及褶皱轴的倾向影响较大，均与实际地貌相符。此外，该模型分析结果有助于理解黔江台仪器观测数据的物理意义。
2） 建模结果表明，受岩石力学性质和断层构造要素影响，台址的变形与基底的变形存在差异，台站仪器记录到的形变不完全反映区域应力，而是区域应力与构造条件及岩石力学参数的综合反映，基于此对形变观测数据进行分析，能更好地理解观测数据变化的指示意义。
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图 1 中国大陆地区部分井下地震台站分布简图
Figure 1. A distribution diagram of some underground seismic stations in Chinese mainland
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图 2 东海垂直地震台阵的地面及井下仪器记录的2019年9月22日烟台ML3.1地震
G0：地表宽频地震仪；G1：400 m深宽频地震仪；G3：3 km深短周期地震仪
Figure 2. The September 22，2019，Yantai ML3.1 earthquake recorded by surface and underground instruments of Donghai
vertical seismic array G0：Surface broadband seismograph；G1：400 m deep broadband seismograph； G3：3 km deep short period seismometer
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图 3 同一地震井下与地面观测的震级比较
Figure 3. Comparison of seismic magnitude between underground and surface observation for the same earthquake
表 1 我国部分井下观测台站基本情况
Table 1 Basic information of some underground observation stations in China
台站名 井深/m 地震仪型 参考文献 台站名 井深/m 地震仪型 参考文献 首都圈台网 150—480 宽、甚频 短周期 刘渊源等（2 011） 上海东滩 421 FSS-3DBH 裴晓等（2 012） 北京市台网 宽、甚频 短周期 兰从欣等（2 005） 上海金泽 305 FSS-3DBH 首都圈白家疃 257 韦士忠和李玉萍（1 990） 上海上戏 370 FSS-3DBH 首都圈文安 266 上海南汇 280 JDF-2 首都圈东三旗 250 上海大新中学 375 FSS-3DBH 首都圈大兴 110 上海竹园 317 JDF-1 首都圈雄县 358 上海虹桥 651 768 首都圈龙门庄 447 上海八角厅 780 JDF-1 吉林松原 384 FSS-3DBH 韦庆海等（2 015） 上海张江 350 KS-2000M 裴晓等（2 013） 吉林松原 243 FSS-3DBH 陈闯等（2 022） 上海崇明 463 李伟等（2 013） 大庆新台 708 JD-2 韦庆海等（2 015） 江苏宝应 460 CMG-3TB 仇中阳等（2 014） 河北赵县 260 BBVS-60 郑德高等（2 018） 江苏高邮 440 CMG-3TB 河北唐海 480 短周期 郑德高等（2 018） 江苏淮安 315 JDF-2 河北涿县 320 768 李彦林和郑淑兰（1 989） 江苏涟水 400 CMG-3TB 河北邯郸 400 JD-2 张新东（2 002） 江苏射阳 380 CMG-3TB 河北肥乡 400 JD-2 江苏盐城 445 CMG-3TB 河北临漳 440 JD-2 江苏金湖 447 GL-S60B 宫杰等（2 019） 天津静海 371 768 赵惠君等（1 991） 江苏滨海 470 GL-S60B 天津芦台 276 768 江苏丹阳 175 GL-S60B 天津武清 450 768 江苏响水 410 GL-S60B 内蒙赤峰 90 GL-S120B 郭延杰等（2 020） 江苏高邮 458 GL-S60B 甘肃天水 337 短周期 蔡耐芳（1 990） 江苏建湖 443 GL-S60B 新疆喀什 283 GL-S60B 赵瑞胜等（2 021） 江苏启东 410 GL-S60B 山西太原 500 JD-2 张少泉等（1 988） 江苏盐城 436 GL-S60B 陕西定边 300 BBSV-60BH 李少睿等（2 016） 江苏泰兴 425 GL-S60B 宁夏灵武 248 JDF-2 江苏东台 458 GL-S60B 宁夏陶乐 245 JDF-2 江苏溧阳 83 CMG-DM24 mk3 胡米东（2 014） 河南安阳 393 FSS-3DBH 江苏盐城 445 CMG-DM24 mk3 河南清丰 308 FSS-3DBH 江苏南通 105 CMG-DM24 mk3 四川泸州 95 CMG-3TB 江苏大丰 366 短周期 徐元耀（1 994） 山东荷泽 370 768 周焕鹏（1 986） 江苏淮阴 325 井下摆 安徽六安 126 GL-S60B 石英杰等（2 021） 江苏海安 420 JD-2 安徽霍邱 150 GL-S60B 石英杰等（2 021） 云南昆明 2 02 GL-S60B 李雷等（2 018） 浙江景宁 68 FSS-3DBH 张明等（2 019） 云南昆明 452 JD-2 修济刚（1 988） 浙江北仑 86 FSS-3DBH 云南大寨 375 井下仪 王芳等（2 017） 浙江南麂岛 110 GL-60DBH 广东汕头 2 00 TBG-60B 郭德顺等（2 014） 上海普陀 564 768 叶世元和柳国华（1 987） 江苏东海 4050 宽频 短周期 Xu等（2 016） 上海海运 600 768 叶世元和柳国华（1 987） 
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表 2 江苏东海垂直地震台阵地面与井下观测能力比较
Table 2 Comparison of observation ability between surface and underground of vertical seismic array in Jiangsu Donghai
ML 震中距
Δ/km地面观测宽频
带地震仪井下观测 井深/m 仪器 观测效果 −1.3 64 无法识别 2545 短周期 图像清晰 −0.5 71 无法识别 2545 短周期 图像清晰 0.8 97 无法识别 3500 短周期 图像清晰 3.1 492 无法识别 400 宽频 图像清晰
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