光纤振动传感之一:旋转测量技术及其地震学应用

地震波场可分解为三分量平动和三分量旋转运动.旋转分量包含重要的波场梯度信息,是地震波场重建的关键要素,但过去由于缺乏稳定的高灵敏度旋转测量仪器,它在不同的地震学应用中常被忽略.光纤旋转地震仪是率先打破测量仪器缺乏困境、最先实现商业化的旋转地震仪,也是目前最有发展前景的地震波旋转直接测量设备.光纤旋转地震仪基于Sagnac效应,并依托成熟的光纤陀螺技术实现振动的旋转分量测量.它具有纯光电传感不受平动影响的测量优势;并且能够在高灵敏度和宽频带旋转测量的基础下实现设备的小型化,有利于旋转测量的应用推广.因此,光纤旋转地震仪和传统的地震仪将形成互补,实现旋转和平动六分量(6C)的观测,更好地提取地震波场特征,提高振动监测能力,有效改善震源过程反演、地下结构成像和地震破坏机理研究等应用.本文主要介绍光纤旋转测量的基本原理、旋转地震学的应用及其潜在应用前景.     

地面运动旋转分量观测综述——以中国台湾地区旋转运动观测为例

旋转地震学是一门全面研究由地震、爆破以及周围环境震动引发的地面旋转运动的新兴学科.随着观测水平的提高及旋转运动研究的深入,旋转运动研究的重要性也逐渐突显出来.目前国际上对于旋转地震学研究较多,而中国大陆地区鲜有文章提及旋转运动观测.本文从3个方面对旋转运动观测进行描述.首先基于经典弹性力学,介绍了旋转运动的基本理论,表明可以通过直接、间接的两种方法获得旋转量.其次介绍了旋转运动观测进展,表明观测技术的发展对旋转运动的观测具有重要影响.最后考虑到中国台湾是旋转运动观测研究较早并且较为深入的地区,重点介绍了中国台湾地区的观测实例.本文对旋转运动观测进展进行梳理,期望对国内开展旋转地震学观测及研究提供一定的帮助.     

旋转地震仪的研制

1概况 渡边晃(1968)用两根铁管构成直角(分别取为x,y轴),中心固定在水泥台上.铁管头部装线圈,相对于线圈的磁钢固定在水泥台上,两者构成动圈式换能器.当地震波传来时,同一铁管(比如x方向)两端部的动圈换能器输出信号之差便构成(e)v/(e)x;另一铁管(y方向)两端动圈换能器输出信号之差便构成(e)u/(e)y.u,v分别表示地震波信号在x和y方向的位移.绕垂直轴z的旋转Wx为两者之差.     

云南漾濞MS6.4地震信号的旋转和平动分量面波记录分析研究

旋转分量是地震波场的重要组成部分,可以为地球内部结构成像和震源参数测定等研究提供基础信息,然而缺少高精度的观测仪器,其应用受限.新发展的高精度光纤陀螺为测量旋转分量提供了一个较为可行的方案,其性能需要进一步验证.为此,武汉大地测量国家野外科学观测研究站利用两个光纤陀螺和一个宽频带地震仪组成了多分量观测系统,并开展了观测工作,记录到了云南漾濞地震的Love波信号.基于Love波信号的垂向旋转速度记录和切向加速度记录,开展了Love波视速度和到达方位角度测算分析.结果表明视速度存在明显频散特性,测算值与其他方法测算值相当,到达方位角接近大圆路径预测值,尾波部分到达角偏离较大.由此表明高精度的光纤陀螺可以用于区域震监测,结合地震仪可形成多分量观测系统,为地震学研究提供有效数据.     

PKP（BC）—PKP（DF）走时的时间变化：是地震定位系统误差的结果吗？

内核的差动旋转最初是从穿过内核的PKP（DF）波与在外核底部发生折射的PKP（BC）波走时差的时间变化的观测中发现的（宋晓东and Richards,1996)，对该发现已出现一些批评，其中最主要的批评在于潜在的地震定位系统误差可能导致的偏差上，本研究中，通过比较地点和波形都相似的地震对的AB－BC和BC－DF的差值时间，对该问题进行了检验，这一检验程度与近期由Poupinet等（2000)提出的“地震对”技术相似，而Poupinet等认为宋晓东和Pichards(1996)观测的阿拉期加科利奇台站记录的南桑德维奇鸟的地震的BC－DF走时的时间变化，是人为的地震定位误差导致的。因为AB（PKP的另一分析，在外核中部回折）和BC间射线参数的差比BC和DF走时差随时间明显呈现出增加趋势，而相同地震对AB－BC走时差未呈现出任何增长趋势，相反，却有减小的趋势。这一结果排除了观测到的BC－DF走时的时间变化是由地震定位误差引起的可能性，为内核的差动旋转提供了强有力的支持。     

裂纹端部的力学研究

本文计算并讨论了忽视旋转的传统理论所不能给出的裂纹端部场与场源的相互作用，首先利用弹性力学方法计算了共线裂纹组端部的应力场及位移场，然后应用旋转理论给出共线裂纹组端部的扭转力通解，对单裂纹和双裂纹情形做了重点讨论．     

地球的差异旋转

对于具有流体对流层的旋转星球 ,由于星球自转对对流的影响 ,必然会在星球对流层内部不同部分间以及星球的不同圈层间产生差异旋转 (differentialrotation) .所谓差异旋转是指旋转角速度随着深度 (星球不同圈层的旋转角速度不同 )以及纬度 (同一圈层内部不同部分间的角速度不同 )具有差异的现象 .地球是一个多圈层的旋转系统 ,主要由大气圈、水圈、岩石圈、地幔、外核以及内核组成 .大气圈和水圈具有明显的流体性质 ,并且在漫长的地质年代中 ,地幔、岩石圈和地幔之间的软流层以及外核均具有流体性质 ,而且在大气压力、热、重力和电磁力等的作用下发生了对流 .这些对流运动一旦受到地球自转的影响 ,就必然会致使地球各圈层间以及对流层内部不同部分间产生差异旋转 .几个重要现象 :基本地磁场的长期西漂、岩石圈的长期西漂、地球自转速率变化 (周日长度波动 )和固体内核各向异性对称轴的移动表明在固体地球内部各圈层—岩石圈、地幔、外核和内核间存在差异旋转 .来自地震学上的数据证明了固体内核与地幔之间存在较明显的差异旋转 ,速率可达 1.1°～ 3.0°/a.这跟其它数据如自由振荡数据以及地磁场长期西漂数据获得的结果具有很大的差异 .导致固体地球内核相对于地幔差异旋转的主要宏观机制为电磁力矩、引     

国产自动化磁通门经纬仪研制

通过激光准直机构、无磁二维旋转机构、二维旋转控制与角度测定等装置的设计,并通过磁通门传感器配置、数据采集与总控装置设计和地磁场偏角与倾角自动算法的研究与实现,构建自动化地磁倾角与偏角自动测量系统原理样机。通过原理样机的实验验证和误差分析,取得地磁绝对观测系统关键技术,为地磁自动化绝对观测系统研制提供技术支撑,突破目前人工观测的限制,为地磁无人值守台站观测模式的发展提供有力保障。     

利用单点六分量地震提取面波频散谱的数值验证

面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段.传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析.旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线.本文从频率域谐振分析出发,利用模态叠加正演方法,讨论了不同模型下平动与旋转联合估算Rayleigh波相速度的可靠性.结果表明：单台站多分量地震数据估算的频散曲线受多种因素影响,估计过程存在一定的系统误差;典型浅层地质模型下,单点估算与多道面波分析方法（MASW）提取的Rayleigh波频散曲线在低频段吻合性好;若要降低单点多分量地震估算的系统误差,仍需研发配套的波场分离与不同阶频散谱的高精度提取技术.

     

地震动旋转分量的研究

本文用相关分析的方法获得了三次地震波沿地表传播的视波速,讨论了地震动旋转分量的物理概念和有限差分法,并用有限差分法对行波法的精度进行了检验。研究结果表明:1.不同地震波通过同一场地时沿地表传播的视波速有很大不同;2.在本文所研究的频带内,行波法有相当的精度;3.行波法的精度与震中距有关。     

近年新疆地震围绕塔里木盆地的顺时针迁移与塔里木盆地的顺时针旋转

塔里木盆地是我国最大的内陆盆地,作为稳定地块,被周围许多深大断裂所围限.王琪等(2000)基于天山及塔里木地区多年的GPS观测结果,认为塔里木盆地整体上作为刚性块体,相对于稳定的西伯利亚地块作顺时针旋转,其内部变形较小或基本不变形.赵俊猛等(2008)应用人工地震和天然地震等综合地球物理探测方法,获得青藏高原壳幔组成、...     

地球内核旋转不同的地震学证据

在过去的３０年中，穿过地球内核的地震波的走时显示出虽然小然而却是系统的变化。这种变化通过使已知内核地震各向异性的对称轴产生移动的内核的自转而得到圆满的解释。推断的自转速率每年比地幔和地壳的自转快１°。     

中国大陆现今地壳水平运动基本特征

介绍利用中国地壳运动观测网络基本网、基准网1998年和2000年GPS观测结果所获得的中国大陆地壳水平运动信息．简要介绍这两次GPS观测概况，以及用GAMIT / GLOBK软件对所获得GPS观测数据的处理及精度分析．基准网与基本网各年观测结果得到的网内点位精度、水平分量精度平均为2mm左右，高程分量精度平均为5mm 左右，由两期观测得到的水平位移分量的精度平均为3mm 左右． 得到的1998年9月初至2000年6月中旬基本网、基准网中的地壳运动，包括以位于东部的一组稳定点为基准的各观测站位移、网内各部分的应变及部分地区的旋转量．根据所获得的我国大陆较为完整而详细的地壳水平运动图象，分析了中国大陆现今地壳运动的主要特征．在所述观测期间，我国东部地区变形较小，相对较为稳定．相对位于东部的稳定点组，东北块体向北运动，位移量约10mm；华南块体向东南运动，位移量约9mm．相对东部地区，西北部新疆地区以北西向运动为主，位移量约26mm；西南西藏地区以向北运动为主，位移量约32mm；西藏东部与云南地区形成非常明显的顺时针旋转构造运动，旋转中心位于26.5N，95.5E，旋转量为0.0045，旋转位移平均为12mm 左右．我国中部南北地震带是一强烈而复杂的变形带．GPS测量结果表明，印度板块向北挤压是影响我国地壳运动的主要因素．      

SOMATOM PLUS全身CTX线管旋转阳极及其控制电路的工作原理及维修

Ｘ线管是ＣＴ中最重要、最昂贵同时也是最易损坏的部件之一，而旋转阳级又是Ｘ线管中故障率最高的部件。因此正确判断Ｘ线管旋转阳级的故障显得尤为重要。如判断失误，将会给用户造成巨大的经济损失。本文阐述西门子ＳｏｍａｔｏｍＰｌｕｓ全身ＣＴ的旋转阳极及其控制电路的工作原理及维修方法，并以流程图的形式给出了步骤。     

台湾HGSD台站2007～2008年观测的地面旋转和平移运动

受仪器限制,地面旋转运动直到过去10年才被观测到。日本对地震近场旋转的观测(Takeo,1998)表明,地面旋转运动是经典弹性理论估计值的很多倍。由于利用类似Takeo所用的旋转传感器没有得到有价值的地面旋转运动,于是我们在台湾东部HGSD台站布设了灵敏得多的旋转速度传感器(R-1型)。在2004年12月7日至2006年11月12日的一期观测实施期间共记录到数百个地震。这主要是解决野外观测问题的一次实习;一期观测最终因其中两台R-1传感器停止工作而结束。2007年春我们重新安装了K2+R1型仪器,从而开展了二期观测。从2007年5月8日到2008年2月17日,我们观测了52个地方震,记录到信噪比～5的好的旋转速度信号和信噪比～10的极好的平移加速度信号。可惜的是,2008年2月中旬HGSD台站被洪水淹没,野外观测由此中断,一直到2008年6月才恢复正常观测。本文叙述了迄今为止HGSD台站对地面旋转和平移运动的观测,集中描述了我们的仪器和二期观测期间所得到的52个地方震的数据,并给出一些很初步的结果。     

冰圈

“冰圈”现象在全球非常罕见,通常只发生在北极、斯堪的纳维亚、加拿大等地区。在河面的拐角处,加速流动的水会产生一种被称为“旋转剪切”的力量,将冰块切断,然后冰块缓慢旋转。     

三维叠前偏移新技术

首次采用空间（ｘ,ｙ）坐标旋转的方法推导出了适应于任何炮检方向并与炮检方向相关的三维波动方程,理论上定量地说明了炮检方向及炮检距与偏移响应的关系,进而证明３Ｄ－ＤＭＯ（叠前部分偏移）只需在炮检方向上进行二维ＤＭＯ即可得以实现。理论模型试算结果表明,该方法正确描述了波的实际传播过程,实现了三维叠前全偏移及３Ｄ－ＤＭＯ处理。     

地球内核的旋转和磁性

地球发电机三维数值模拟说明,地球固内核相对于地幔的超（速）旋转是由内核和液体外核内的东向热风之间的耦合来维持的。这种机制类似于同步电动机的机制,在地球磁场的产生中也起着重要作用。