六合體應變干擾因素與地震短臨異常特征研究①

鄭江蓉，徐 徐，王 俊，江昊琳

（1.江蘇省地震局，江蘇南京 210014；2.南京市地震局，江蘇南京 210008）

六合體應變干擾因素與地震短臨異常特征研究①

鄭江蓉1，徐 徐2，王 俊1，江昊琳1

（1.江蘇省地震局，江蘇南京 210014；2.南京市地震局，江蘇南京 210008）

利用江蘇省南京市六合地震臺鉆孔體應變2003年1月1日至2008年12月31日的數字化觀測資料，對氣壓和降雨這二種主要干擾因素的基本變化規律進行分析，討論了發生在該臺預報效能范圍內的3次中強地震的短臨異常特征。結果表明：氣壓變化在各個季節對觀測值均有較大的影響，以短周期的正相關干擾影響為主，在時間上往往表現為準同步，相關系數能達到0.6～0.7以上；降雨對體應變的影響與降雨過程、降雨量及降雨時間等有密切的關系，持續降雨只有積累到一定程度才能促成固體潮畸變，這一過程雖較復雜，但仍有一定的規律可循。六合體應變對區域內中強地震有1～2月的突出短臨異常變化。

江蘇六合地震臺；鉆孔體應變；氣壓；降雨；干擾；短臨異常特征

Abstract：Based on the digital observation data of borehole volume strain at Liuhe seismic station near Nanjing city，Jiangsu province，from 2003to 2008，the main disturbance factors as atmospheric pressure and rainfall are analyzed，and the short－imminent abnormality characteristics of the volume strain for 3earthquakes in the range of predict efficiency are discussed.The results show that the atmospheric pressure in short period affect strongly to value of strain with synchronization on time，the positive correlation coefficient is 0.6～0.7.The effect of rainfall to the strain is complicate，depends on the process，duration time and volume of rain.Only rainfall accumulate to certain volume the solid tide can be distorted.But we still found some features between rainfall and volume strain.The volume strain at Liuhe station had significant short－imminent abnormalies in 1～2months before regional moderate－strong earthquakes.

Key words：Liuhe seismic station in Jiangsu province；Borehole volume strain；Atmospheric pressure；Rainfall；Disturbance；Short－imminent abnormality

0 引言

鉆孔體應變是監測地殼變形的一種有效手段，觀測精度達到10－9，能清晰的記錄到固體潮。經過前兆數字化改造后的鉆孔應變儀具有較好的穩定性和高采樣率，其探頭埋深地下幾十米處，減少了外部人為干擾影響，固體潮觀測精度有明顯提高。張凌空［1］、高福旺［2］、杜品仁［3］、蘇愷之［4］、李杰［5］等對數字化鉆孔體應變的觀測進行了深入研究，發現在影響觀測資料精度的各種因素中氣壓和降雨成為最主要的干擾源，不同臺點體應變對氣壓和降雨的響應模型有較為一致的物理機制，呈現出類似的干擾變化規律。但由于各臺的地理位置、地質條件、鉆孔參數不同等多種因素影響，不同臺點的響應模型也呈現出較大的差異性和地區性。

江蘇省六合地震臺的鉆孔體應變數字化改造以來，觀測資料正常背景變化形態和固體潮觀測精度較之以往有明顯的提高，氣壓和降雨對觀測資料的影響具有較強的典型變化圖像。本文對2003年1月1日至2008年12月31日六合鉆孔體應變觀測資料的的正常變化和觀測精度進行研究，分析氣壓和降雨這二種主要干擾因素的基本變化規律，并給予一定物理意義的量化，討論發生在該臺預報效能范圍內的3次中強地震的短臨異常特征，特別是對于包括地震異常信息、降雨干擾信息等多因素引起的觀測資料異常變化，用有物理意義的合理方式進行識別的方法。

1 測點地質概況

位于江蘇省南京市六合地震臺的T J－2C型體積式鉆孔應變儀安裝于2002年8月，測點位置北緯32°30′54″，東經118°56′42″。大地構造單元上屬于江南隆起的北部邊緣，屬中－新生代沉積盆地，覆蓋層很薄，下為震旦系白云巖、灰巖與燕山期中酸性侵入巖互層，缺乏堅硬巖石。海拔高度104m，體應變鉆孔深度80.17m，儀器探頭安裝在蝕變灰巖層中。圖1為六合體應變鉆孔柱狀圖。

2 資料選取及觀測精度分析

研究選用的六合體應變2003年1月1日至2008年12月31日整點值觀測資料來自江蘇省地震前兆數據庫，數據連續率達到99%，觀測精度達到10－9，能記錄到清晰的固體潮和遠大震地震波，并對華東區域內的幾次有感中強地震有一定的異常反映。降雨資料2003年1月1日至2006年12月31日來源于江蘇省氣象局六合觀測站，2007年以后來源于六合地震臺輔助觀測。

表1為六合體應變6年來的觀測資料年變幅和用V e n e d i k o v調和分析計算的M2波潮汐因子、中誤差和相對中誤差的年均值。

圖1 六合體應變鉆孔柱狀圖Fig.1 The histogram of borehole volume strain in Liuhe seismic station.

表1 六合體應變觀測資料精度計算結果

巖體經打鉆之后孔壁周圍的巖石出現卸載現象，巖體應力重新分布，從而造成鉆孔后初始地應力的變化，且不能恢復到鉆孔前基本平衡的應力狀態［6］；加之儀器安裝初期鉆孔傳感器由膨脹水泥密封，與地下巖體存在相互耦合過程，探頭周圍及探頭內部力學狀態需建立新的平衡機制；同時儀器系統自身的零漂或巖體的含水狀態均會影響巖石構造應力的緩慢累積，造成記錄曲線變化幅度較大，在一定時段內呈線性變化，并不能真實的反映井孔周圍的應力狀態。表1可看出2003年的觀測值呈線性快速上升變化，用直線擬合去除零漂后觀測年變幅依然較大。隨著觀測時間增長儀器零漂減小，新的平衡機制形成，自2006年起觀測資料趨于平穩，年變幅度逐年減小。計算評定觀測資料內在精度的M2波潮汐因子、中誤差和相對中誤差，符合體應變觀測規范的精度要求。

3 主要干擾因素影響

3.1 氣壓對體應變觀測的影響

對體應變觀測影響較大的因素之一是氣壓的變化，氣壓影響系數與臺址巖石的彈性模量、泊松系數有密切關系。氣壓在地殼內不同深度影響不同，在地下100m時氣壓影響最大。理論上氣壓每增加1 ×102Pa，應變值向壓縮方向變化約1×10－8［7］。通過對體應變與氣壓的觀測資料分析可知，不同周期氣壓波對體應變影響的特征不同，主要以年、月和日、半日周期氣壓波的作用最為顯著。

圖2 六合體應變日均值曲線與氣壓日均值曲線關系圖Fig.2 Comparison of daily values between the volume strain and atmospheric pressure at Liuhe seismic station.

在短臨異常分析中短周期氣壓干擾影響相當突出，其變化一致性較好，氣壓效應有超前與滯后現象，一般可達1至2小時。選取基本沒有降雨影響的2004、2006、2007、2008年每年3月的體應變與氣壓的日均值資料進行研究，用2階一般多項式曲線擬合去除體應變趨勢變化后，對比二個物理量的觀測曲線（圖2），可發現變化形態基本一致。選取一元線性回歸模型計算體應變和氣壓的相關系數：

其中α（t）為體應變觀測值；P（t）為氣壓觀測值；b為回歸系數；a為常數項。經計算六合體應變b＝1.056 7（1×10－10／Pa）。考慮氣壓效應的超前或滯后影響，計算資料取用五日均值，計算結果（表2）表明短周期氣壓變化與體應變的相關性較高，相關系數能達到0.6～0.7以上，特別是氣壓變幅越大相關性越好，以正相關為主。由此可知在日常資料分析時，與每月的固體大小潮汐變化類似，短周期氣壓的干擾影響容易識別和剔除。

表2 六合體應變與氣壓五日均值相關系數

3.2 降雨對體應變觀測的影響

降雨對觀測資料的影響較為復雜，降雨的速率、持續時間、累計總量、地質條件、探頭周邊介質的導水能力等都會對體應變觀測產生不同的影響，同時氣壓、地下水位、降雨三者又是互為作用的干擾因子［8］。為了討論的深入，首先假設研究時間段的氣壓基本穩定；其次由于降雨必然導致水位的變化而引起孔隙壓力的變化，也就導致了體應變測值的變化，地下水位和降雨可作為同一個影響因子并線性相關。

對比分析2003年至2008年的降雨量與體應變觀測值，其影響可分為三類：當降雨量低于50 mm／d時，對觀測值基本上沒有影響；當降雨量在51～150mm／d時，變化形態基本遵循上升－指數形式衰減－回到正常固體潮變化波動形態（圖3（a）），不同雨量會出現不同的體應變數據變化，時間上會出現一定的滯后，由于水的滲透需要一定時間，因而孔隙壓力的增加是逐漸進行的；當降雨量大于150 mm／d時，氣象學上稱其為特大暴雨，可理解為降雨帶來的荷載效應對觀測點和儀器是一次直接受力過程，形成快速上升－下降的脈沖式變化，上升的體應變變化量約293×10－8，衰減變化仍呈指數形式，只是持續時間較短，僅2天后便回至正常變化形態（圖3（b））。

圖3 六合臺降雨量與體應變觀測曲線關系Fig.3 The relationship between rainfalls and volume strain curves at Liuhe seismic station.

統計六合體應變72個月內大于50mm降雨時的體應變變化量，作降雨量和體應變變化量關系圖（圖4），其中圖4（a）為降雨初期引起體應變增量變化圖，圖4（b）為體應變恢復過程中變化量。降雨量在50～150mm時大部分的體應變增量在100× 10－8～150×10－8；達到高值回調時呈現指數形式衰減，持續時間較長，回調幅度較大，一般在100× 10－8～300×10－8，且并不和上升變化一一對應。對這14次降雨引起上升變化和下降變化過程分析，不一一對應主要原因有二個：①對于體應變增量較小的一些變化回調圖像不顯著；②日降雨速率也有一定的調制作用，如降雨速率慢，巖體孔隙滲透能及時釋放降雨引起的壓應力，回調也就不顯著。

為了定量地分析體應變對降雨的響應情況，引入降雨干擾系數β和降雨效率η進行討論［9］，設降雨量為w（mm），由其產生的體應變增量為Δα（1× 10－8），產生增量的時間為Δt（d），則

圖4 不同降雨量引起的體應變變化量統計圖Fig.4 The statistical diagrams of volume strain variation due to different rainfalls.

計算六合體應變在日降雨量大于100mm時的降雨系數β和降雨效率η，結果如表3。分析表3的各組數據可知，六合體應變對不同降雨模式的降雨效率是有一定差距的。

表3 六合體應變降雨系數β和降雨效率η

2003年和2007年分別有一次特大暴雨，根據氣象部門的整點值降雨數據，219mm和220mm的降雨過程基本上是在半天內完成的，降雨效率高干擾系數大，對體應變的影響非常顯著。其回調過程很快，二天之內這次的干擾影響就消失，背景變化和固體潮形態回到正常形態（圖3（b）），因此在降雨量很大時引起巖體孔隙壓力的改變是突發性的，體應變觀測值出現的變化相當同步。

累計降雨量較大時（≥100mm），降雨效率并不與降雨量成正比，更多的決定于降雨方式和降雨持續時間。如2008年7月的降雨量為118mm，降雨持續時間為24小時。2005年9月和2007年9月的降雨量為150mm和162mm，雖然這二次的降雨量大于2008年7月，但累計這些降雨量的時間分別是48小時和36小時，相比而言是較緩慢的一種降雨形態，降雨效率低于2008年7月的0.75。

因此可認為降雨對體應變的影響與降雨過程、降雨量及降雨時間等有密切的關系。由于水的滲透需要一定時間，孔隙壓力的增加是逐漸進行的，所以體應變對降雨的響應存在延遲效應。持續降雨只有積累到一定程度（外在因素），才能促成固體潮畸變，這一過程雖然較為復雜，但它們之間的內在響應仍有一定的規律可尋。

4 幾次中等地震的短臨異常討論

六合體應變對區域內中等地震有1～2月的突出短臨異常變化，是在對資料的反復深入分析中逐步認識到的，同時在2007年5月6日響水4.0級地震的震前短臨預測取得了一定的實效。本文根據4級地震有效映震范圍200km左右、5級地震有效映震范圍300km左右、6級地震有效映震范圍400 km左右［10］的鉆孔體應變有效范圍，選取有典型意義的3次地震短臨異常進行討論（表4）。

表4 短臨異常分析選用地震

4.1 江西九江6.0級地震

2005年11月26日江西九江發生ML5.7地震，位于六合臺西南約400km。六合體應變資料在震前10天在沒有任何顯著外力作用和降雨氣壓等干擾影響下改變正常零漂背景變化，于11月15日出現轉折向下，至24日10天內平均每日下降88× 10－8，總計下降幅度約809×10－8，24日開始轉折回升，轉向兩天后，即11月26日發生5.7級地震，震后處于緩慢上升應力恢復調整時期（圖5）。

4.2 安徽定遠4.7級地震

圖5 2005年11月26日江西九江ML5.7地震前后六合臺體應變異常Fig.5 Abnormality of volume strain at Liuhe station before and after Nov.26，2005，Jiujiang ML5.7earthquake.

2006年7月26日安徽定遠4.7級地震期間，在受到較大降雨干擾影響的背景下，六合臺出現了變化形態既與九江地震異常圖像相似，也與降雨的基本形態“上升－指數形式衰減”一致的異常圖像（圖6）。自6月中旬以來六合地區進入雨季，7月2日38mm的降雨引起體應變觀測值的一個小幅增量上升后開始轉折呈指數形式下降，在此期間7月5日48mm的降雨也可從圖中識別出一個小幅上升，但由于回調的量值大于上升的增量，因而變化不突出；7月8日達到最低值后回升，與六合體應變受降雨影響呈現的形態完全一致；隨后7月20日六合地區出現了更大一次的暴雨，降雨量達到96mm，7月19日和7月20日累計降雨達到137mm，在7月22日觀測曲線開始轉折快速下降變化，出現固體潮畸變。由于有此干擾在日常會商分析時一直判定為降雨干擾，但在下降4天后也就是7月26日即發生了安徽定遠ML4.7地震。

圖6 2006年7月26日安徽定遠ML4.7地震期間六合體應變異常和降雨量Fig.6 Abnormality of volume strain at Liuhe station before July 26，2006，Dingyuan ML4.7 earthquake and rainfall.

即使現在回顧性分析，在當時背景下僅希望依靠變化圖像對這次地震短臨異常做出判斷也是很困難的。對這種多因素引起的異常變化判定，需要用有物理意義的合理方式進行分別識別。運用公式（2）、（3）和表3的計算結果，可近似地參考2005年9月4日的降雨效率η。2005年9月4日在2日內降雨量為150mm，與本次2日內降雨量137mm相近，取降雨效率η＝0.40／mm.d，計算出體應變受降雨干擾影響的變化量約為Δα＝109×10－8，在此異常期間體應變變化幅度累計為956×10－8，扣除降雨干擾影響量，則變化量為847×10－8，到7月26日最低值時日均變化為141×10－8，即在扣除降雨對體應變干擾的增量之后，異常變化幅度和變化形態依舊存在。

4.3 江蘇響水4.0級地震

2007年5月6日江蘇響水4.0地震前，4月9日六合體應變觀測值出現了快速轉折下降。這次的異常較易判定，與九江地震震前一樣，沒有任何顯著外力作用和降雨氣壓等干擾影響下，異常變化持續時間長變化幅度大（圖7），對此異常4月17日召開緊急會商會，明確提出了預報意見①江蘇省地震局.江蘇省臨時會商地震監測報告第1期.2007.；在4月25日月會商時六合體應變觀測值總變化量為1 046× 10－8，平均日變幅為70×10－8，且仍處于異常變化發展階段，需密切關注省內近期中等地震的發生②江蘇省地震局.江蘇省周、月地震監測報告第20、21期.2007.；江蘇省地震局在4月30日召開全省市地震局長和地震臺長會議，通報近期震情和異常情況，要求各單位做好地震監測和應急準備工作。之后5月6日發生響水4.0級有感地震。

圖7 2007年5月6日江蘇響水ML4.0地震期間異常Fig.7 Abnormality before May 6，2007，Xiangshui ML4.0earthquake.

5 結論和討論

（1）六合體應變觀測資料主要受氣壓和降雨的干擾影響，且干擾系數較大。氣壓干擾在各個季節均存在，時間上往往表現為準同步或體應變較氣壓變化超前或滯后1～2小時，相關系數能達到0.6～0.7以上，以短周期的正相關干擾影響為主，在資料分析中容易識別和排除；降雨對體應變的影響與降雨過程、降雨量及降雨時間等有密切的關系，總體上遵循“快速抬升－指數形式衰減－緩慢恢復到正常背景變化”形態，但對不同的降雨過程又呈現出一定的差異，雖然較為復雜，但它們之間的內在響應仍有一定的規律可尋。

（2）六合體應變觀測是一種較好的地震短臨異常監測手段，對區域內中強地震有1～2月的突出短臨異常變化。在無任何外界干擾因素影響情況下，地震短臨異常較易識別；在有降雨等外界干擾因素影響時觀測資料的異常變化，需用干擾系數和干擾效率對干擾增量進行排除。

（3）通過對六合體應變的降雨和中強地震短臨異常圖像討論，可知該觀測點和觀測儀器對地下巖石在受到一定強度的外力擠壓或者在荷載發生變化時均有典型變化，且多以3個月內的短臨異常為主。但由于六合地震臺位于蘇浙皖交界地區，地震活動水平本身偏低，周邊也沒有更多的鉆孔體應變臺進行同步觀測，對取得更多更準的地震預測實效帶來較大的困難，但在資料的深入研究上仍做出了積極的探索。

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Research on the Disturbance in Volume Strain Data at Liuhe Seismic Station and Its Short－Imminent Abnormality Characteristics

ZHENG Jiang－rong1，XU Xu2，WANG Jun1，JIANG Hao－lin1

（1.Earthquake Administration of Jiangsu Province，Nanjing 210014，China；2.Earthquake Administration of Nanjing，Nanjing，210008，China）

P315.727

A

1000－0844（2011）01－0084－07

2009－12－09

江蘇省科技廳社會發展項目（BS2006085）；國家自然科學基金（40901272）

鄭江蓉（1971－），女，江蘇蘇州人，高級工程師，主要從事地震監測預報工作.