川滇地區(qū)鉆孔四分量應(yīng)變儀記錄的同震應(yīng)變階分析1

唐 磊 荊 燕

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100085）

引言

地震發(fā)生時，鉆孔應(yīng)變儀會記錄到同震變化，震級越大，同震變化越明顯，且在觀測曲線上可能會產(chǎn)生一種明顯的階躍變化，此種階躍變化即為同震應(yīng)變階。對于同震應(yīng)變階的研究，國內(nèi)外相對較少。邱澤華等（2004；2005；2006；2007）首先用體應(yīng)變資料記錄的同震應(yīng)變階，研究了昆侖山MS8.1級地震和蘇門答臘MS8.7級地震引起的同震應(yīng)力觸發(fā)斷層活動；唐磊等（2011）利用中國鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)中93個臺站的觀測數(shù)據(jù)記錄的同震應(yīng)變階，試分析了中國大陸主要活動斷裂可能受到日本 MS9.0級地震的影響程度。以上研究僅對單個地震引起的某個區(qū)域的同震應(yīng)變階進(jìn)行了分析，缺乏對距離較近的2個或2個以上大地震的對比分析。

在中國大陸四川省境內(nèi)的龍門山斷裂帶區(qū)域，2008年5月12日發(fā)生了汶川MS8.0級地震，2013年4月20日又發(fā)生了蘆山MS7.0級地震，汶川地震發(fā)生在龍門山斷裂帶的中北段，蘆山地震發(fā)生在南西段，2次地震主震區(qū)相距約87km。在該地區(qū)發(fā)生的距離較近的2次強(qiáng)烈地震，為對比分析同震應(yīng)變階提供了例證。在中國鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)中，川滇地區(qū)共有6個臺站安裝YRY-4型鉆孔分量應(yīng)變儀，它們分別是：四川仁和臺、小廟臺、姑咱臺、金河臺和云南永勝臺、昭通臺，這些儀器自2008年1月開始運(yùn)行，觀測連續(xù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，且均記錄到了汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震變化。本文主要通過對比這2次地震6個臺站記錄的同震應(yīng)變階，分析與理論上的差別，探討同震應(yīng)變階的可靠性及影響因素，以及利用同震應(yīng)變階進(jìn)行地震研究時存在的問題。

1 觀測資料可靠性

分析鉆孔應(yīng)變儀記錄的同震應(yīng)變階，首先要保證資料真實(shí)、可靠。在中國鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)中，YRY-4型鉆孔分量應(yīng)變儀的觀測采樣率為每分鐘記錄1個數(shù)據(jù)，分辨率達(dá)到10-10。根據(jù)“鉆孔加襯模型”及 YRY-4型鉆孔分量應(yīng)變儀器特性，4個觀測元件按順時針排列，依次間隔45°。這里，產(chǎn)出的數(shù)據(jù)序列依次記為s1、s2、s3、s4，其中s1和s3、s2及s4的元件方向互相垂直，理論上：

式中，s13、s24表示4個元件計算的兩組面應(yīng)變。

對于觀測較好的臺站，兩組面應(yīng)變的曲線形態(tài)近似，相關(guān)性較好，但不滿足公式（3）的相等性，一般應(yīng)對四分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地相對標(biāo)定（邱澤華等，2004）。根據(jù)實(shí)地相對標(biāo)定方法，每套儀器4個元件觀測數(shù)據(jù)的校正系數(shù)越接近1，表明觀測數(shù)據(jù)越滿足公式（3），說明該儀器的觀測數(shù)據(jù)越滿足四分量應(yīng)變觀測的自檢關(guān)系，即觀測數(shù)據(jù)可靠性越高。表1為利用川滇地區(qū)6個臺站的鉆孔應(yīng)變儀記錄的整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，計算2008年1月1日—2013年3月31日的每月相應(yīng)4個元件的相對校正系數(shù)，取均值得到的結(jié)果。從表1可看出，除金河臺第4分量、昭通臺第2和3分量偏離1相對較大外，其他的相對校正系數(shù)都非常接近1，說明6個臺站的鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)滿足自檢，觀測數(shù)據(jù)可靠性較高。

表1 相對校正系數(shù)Table 1 The relative correction factor

以姑咱臺為例，圖1為姑咱臺2013年3月鉆孔應(yīng)變觀測曲線，（a）為4個分量記錄的觀測曲線；（b）為面應(yīng)變原始觀測曲線s13和s24；（c）為經(jīng)過相對校正后的面應(yīng)變觀測曲線S13和 S24（S13=k1×s1+k3×s3；S24=k2×s2+k4×s4）。從圖 1 可知，4 個分量的觀測曲線固體潮清晰，說明觀測質(zhì)量較好；原始面應(yīng)變觀測曲線s13和s24形態(tài)一致，相關(guān)性較好，但不滿足公式（3）的相等性；經(jīng)過相對校正后的面應(yīng)變S13和S24，不但趨勢變化一致，而且觀測曲線幾乎重合到一起，說明面應(yīng)變S13和S24近似滿足公式（3）的相等性，達(dá)到理想效果。

圖1 姑咱臺記錄的2013年3月觀測曲線Fig. 1 The observed data in March 2013 at Guza station

2 同震應(yīng)變階

一般而言，鉆孔應(yīng)變儀記錄的同震變化主要表現(xiàn)為兩種方式：一是應(yīng)變階明顯，如圖 2（a）所示，L表示同震應(yīng)變階，對于像圖2（a）一樣階躍變化明顯的曲線，可以直接讀出變化量，對分析精度的影響不大；二是應(yīng)變階不明顯，如圖2（b）所示，地震前后曲線趨勢沒有明顯變化，這里應(yīng)變階計為零，此種觀測現(xiàn)象可能是地震對臺站及周圍的應(yīng)變場變化影響不大，也可能因?yàn)榕_站周圍構(gòu)造運(yùn)動不活躍，無法觸發(fā)周圍的構(gòu)造活動。對于YRY-4型分量應(yīng)變儀，當(dāng)L>0時，表示為張性變化；當(dāng)L<0時，表示為壓性變化。另外，上述提到根據(jù)分量鉆孔應(yīng)變的觀測原理，理論上s13=s24，那么大地震產(chǎn)生的應(yīng)變階是否會滿足此條件？下面將以川滇地區(qū)鉆孔應(yīng)變觀測記錄的應(yīng)變階結(jié)果為例進(jìn)行探討分析。

圖2 同震變化曲線Fig. 2 The Coseismic variation curve

川滇地區(qū)的6個鉆孔分量應(yīng)變臺站，均記錄到了汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震變化，除仁和臺未記錄到蘆山地震的應(yīng)變階外，其他均記錄到了同震應(yīng)邊階。表1為統(tǒng)計的 2次地震6個臺站各分量記錄的同震應(yīng)變階（d1、d2、d3、d4）、面應(yīng)變的應(yīng)變階（d13=d1+d3、d24=d2+d4）及經(jīng)過相對校正后的面應(yīng)變的應(yīng)變階（D13=k1×d1+k3×d3；D24=k2×d2+k4×d4）。為了減小校正系數(shù)多年變化的誤差，表2中的相對校正系數(shù)分別為2次地震前12個月的校正系數(shù)的均值，所以略有差別。圖3—圖6為小廟臺分量應(yīng)變儀記錄的汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震觀測曲線，兩組面應(yīng)變的原始觀測曲線和經(jīng)過相對校正后的面應(yīng)變觀測曲線。綜合表2、圖3—圖6可以得到如下結(jié)論：

（1）6個臺站4個分量的同震應(yīng)變階大小變化及張壓性變化無明顯規(guī)律。

（2）對于無震時的觀測時間序列，s13和 s24形態(tài)近似，張壓性變化一致，且校正后滿足S13=S24（圖1）；但對于兩組面應(yīng)變的同震應(yīng)變階，經(jīng)過相對校正后仍不滿足D13=D24（圖4、圖6），說明實(shí)地相對標(biāo)定不適用于同震應(yīng)變變化。

（3）6個臺站記錄的汶川MS8.0級地震面應(yīng)變的同震應(yīng)變階，其中3個張壓性變化一致，3個不一致；蘆山MS7.0級地震的5個張壓性變化一致，1個差別較小；此種現(xiàn)象可能和地震震級有關(guān)，說明地震震級越大，兩組面應(yīng)變的同震應(yīng)變階差別越大，此時鉆孔分量應(yīng)變觀測可能已不符合“鉆孔加襯模型”。另外，也有可能和儀器自身的特性、臺站所處斷層環(huán)境、臺站與震中的距離、元件的方位角等有關(guān)。

表2 汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震引起的同震應(yīng)變階Table 2 Coseismic strain steps caused by Wenchuan MS8.0 and Lushan MS7.0

續(xù)表

圖3 小廟臺鉆孔應(yīng)變記錄的汶川MS8.0級地震的同震變化Fig. 3 Coseismic changes observed in Wenchuan MS8.0 by borehole strain at Xiaomiao station

圖4 小廟臺鉆孔應(yīng)變記錄的汶川MS8.0級地震面應(yīng)變同震變化曲線Fig. 4 Coseismic variation curve of plane strain caused by Wenchuan MS8.0

圖5 小廟臺鉆孔應(yīng)變記錄的蘆山MS7.0級地震的同震變化曲線Fig. 5 Coseismic changes observed in Lushan MS7.0 by borehole strain at Xiaomiao station

圖6 小廟臺鉆孔應(yīng)變記錄的蘆山MS7.0級地震面應(yīng)變同震變化Fig. 6 Coseismic variation curve of plane strain caused by Lushan MS7.0

3 結(jié)論與討論

（1）川滇地區(qū)6個鉆孔應(yīng)變儀記錄的汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震應(yīng)變階不滿足四分量鉆孔應(yīng)變觀測的自檢特性，同震應(yīng)變階數(shù)據(jù)的可靠性還需進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

（2）在這2次地震中，兩組面應(yīng)變同震應(yīng)變階張壓性的不同變化，可能和地震震級有關(guān)，震級越大，兩組面應(yīng)變的同震應(yīng)變階差別越大，此時鉆孔分量應(yīng)變觀測可能已不符合“鉆孔加襯模型”；也有可能和儀器自身的特性、臺站所處斷層環(huán)境、臺站與震中的距離、元件的方位角等有關(guān)。

（3）上述分析表明，利用鉆孔分量應(yīng)變儀觀測的同震應(yīng)變階進(jìn)行地震、同震應(yīng)力觸發(fā)斷層活動等相關(guān)研究，還需對數(shù)據(jù)的可靠性做深入分析，否則可能會產(chǎn)生錯誤結(jié)果。

邱澤華，石耀霖，2004. 觀測應(yīng)變階在地震應(yīng)力觸發(fā)研究中的應(yīng)用. 地震學(xué)報，26（5）：481—488.

邱澤華，石耀霖，歐陽祖熙，2005. 四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實(shí)地相對標(biāo)定. 大地測量與地球動力學(xué)，25（1）：118—122.

邱澤華，闞寶祥，唐磊等，2006. 用鉆孔應(yīng)變資料反演同震應(yīng)力觸發(fā)斷層活動. 地震學(xué)報，28（6）：596—602.

邱澤華，唐磊等，2007. 用鉆孔應(yīng)變觀測研究北京地區(qū)活斷層的現(xiàn)今活動. 地震地質(zhì)，29（4）：716—728.

唐磊，邱澤華，郭燕平等，2011. 日本9.0級地震引起的應(yīng)變階分析. 地震地磁觀測與研究，32（6）：13—16.