連云港地震臺鉆孔應變同震變化觀測資料分析

孫 雷 曾 智 立 凱 何浩宇 秦 磊

（中國江蘇 222061 連云港地震臺）

0 引言

固體潮潮汐因子是固體潮觀測值與理論值的比值，具有物理意義清楚的特點，正常情況下在一定范圍內波動，能有效反映地殼介質的物性變化，往往在震前發生畸變。當地殼內應變積累到一定程度，力學狀態明顯改變時，介質物性發生變化，M2波潮汐因子隨之變化（中國地震局監測預報司2008），現已廣泛應用于地震前兆分析。

在鉆孔體應變實際觀測中，由于地震臺井孔條件、觀測環境的不同，體應變儀記錄的固體潮受到諸多因素影響，其中受氣壓與降雨影響較大，許多學者從理論模型和實際觀測資料分析其相關性（張凌空等，1996；蘇愷之等，2003；馬棟等，2011；鄭江蓉等，2011）。

本文嘗試使用潮汐因子分析方法，對連云港地震臺（以下簡稱連云港臺）體應變觀測資料進行相關分析，以期捕捉地震前兆信息。

1 測點地質概況

連云港臺始建于1976年，海拔高程約30 m，在大地構造分區中隸屬于揚子與華北斷塊之間的蘇北—魯南地體；南以嘉山—響水斷裂為界，西與郯廬斷裂為鄰，東瀕黃海。臺站附近主要斷裂為NE向猴嘴—南城斷裂和新河—桑墟斷裂，地形受構造控制明顯。臺址基巖屬前寒武系云臺山組中段，巖性為花崗片麻巖。巖層走向NE—SW，傾向SE，傾角約35°。探頭安裝于深度61.15 m、孔徑l50 mm的裸孔底部。鉆孔巖性較均勻，0—4.8 m 為土層， 4.8—61.0 m為混合片麻巖，鉆孔周圍無明顯干擾源。同時安裝氣壓、水位、井溫、觀測室溫和降雨量等輔助觀測儀器，儀器安裝完畢即投入試運行。

2 資料選取

連云港臺TJ-2型鉆孔體應變儀于2006年12月18日架設，2007年1月1日正式運行。TJ-2體積式鉆孔應變儀采用格值為2.32×10-9/mV，儀器靈敏度優于1×10-9，工作狀態良好，能清晰記錄到應變固體潮，能記錄到全球大部分強震類似地震波形的同震應變階。“十五”模式主機中含有氣壓、水位、室溫3項輔助測項，已積累多年連續可靠的觀測數據。本研究選取2009—2013年連云港臺體應變數字觀測資料進行分析。

3 干擾影響

鉆孔體應變受氣壓、水位影響，而強降雨最終通過鉆孔水位影響體應變變化。利用EIS2000（蔣駿等，2000）提供的軟件對連云港地震臺2009—2010年鉆孔體應變整點值數據進行多元線性回歸分析，取檢驗值F=0.05，得出復相關系數R=0.787。計算結果表明，連云港臺體應變與氣壓、水位及降雨存在明顯的相關性（圖1）。

圖1 2009—2010年連云港地震臺氣壓變化與鉆孔體應變和鉆孔水位變化的關系曲線Fig.1 The relative curves of the change of atmospheric pressure with the change of bore hole strain and water level at Lianyungang Seismic Station during the year 2009 to 2010

3.1 氣壓影響

連云港地震臺體應變觀測資料精度較高，可記錄到清晰的應變固體潮，但存在一定干擾和漂移現象。氣壓變化是對體應變觀測影響較大的因素之一，氣壓影響系數與臺址巖石的彈性模量、泊松系數密切相關。氣壓干擾主要是大氣壓強對地球表面的一種負荷效應，通過鉆孔和巖石或巖石裂隙同時作用于鉆孔水位和體應變探頭，造成鉆孔水位和應變量變化。圖1為2009—2010年兩者之間的對應關系（體應變資料進行去傾、零飄處理）。由圖1可見：①當氣壓變化比較劇烈時，體應變資料呈現同步變化；②當氣壓由高值向低值變化時，體應變資料由低值向高值變化，兩者之間呈反向準同步變化。

（1）氣壓對體應變的影響受季節影響。為消除氣壓對體應變的影響，采用一元線性回歸模型，計算體應變和氣壓的相關系數。

式中，a(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。由式（1）計算可得，連云港臺體應變觀測值與氣壓回歸系數b=－1.389×10-10/Pa（負號表示氣壓與水位負相關）。選取2009年應變觀測日均值，計算結果見表1，結果顯示：氣壓變化與體應變相關性較高，不少月份相關系數達0.5以上，氣壓變化幅度越大相關性越好。氣壓對鉆孔體應變的影響，季節不同強弱不同，春、秋、冬季影響較大。

表1 2009年體應變與氣壓相關系數Table1 The correlation coeff i cient of bore hole strain with atmospheric pressure in the year 2009

（2）氣壓短周期波動對應變量影響顯著。2013年3月23日連云港臺體應變、氣壓分鐘值曲線見圖2，由圖2可見：在19∶40—20∶30氣壓急劇變化時，應變量呈現明顯的正相關變化。

圖2 連云港臺2013年3月23日氣壓、體應變分鐘值曲線Fig.2 Minute-value curves of atmospheric pressure and body strain at Lianyungang Seismic Station on March 23,2013

3.2 水位影響

鉆孔水位變化的本質是含水層或破碎帶中孔隙水壓力的變化，孔隙水壓力發生變化帶來體應變觀測值變化。從鉆孔水位長期變化（圖1）看，連云港鉆孔體應變和水位變化具有較好的同步性，二者變化趨勢一致。采用一元線性回歸模型，計算體應變和水位的相關系數。

式中，a(t)為體應變觀測值，h(t)為水位觀測值，b為回歸系數，a為常數項。由式（2）計算得，連云港體應變與水位的回歸系數b=3.820×10-10/cm。選取2009年水位日均值，計算結果見表2，結果顯示：在鉆孔水位從高值下降時，鉆孔體應變觀測值呈下降趨勢，水位變化與體應變相關性較高，多數月份二者之間相關性較氣壓與體應變相關性高，不少月份相關系數達0.6以上，平均值達0.751。說明水位變化是影響體應變觀測的另一個重要因素。

表2 2009年體應變與水位相關系數Table2 The correlation coeff i cient of bore hole strain with water level in the year 2009

3.3 強降雨影響

鉆孔體應變受鉆孔水位變化影響比較顯著，其短期突然變化，主要因大量降雨造成水位上升，引起體應變觀測值變化。大量降雨造成鉆孔周圍巖石和巖石裂隙含水量增加、鉆孔水位上升，巖石吸水后膨脹效應導致體應變探頭負荷擠壓力增加，即應變量增大。當然，降雨只有積累到一定程度，才能促成固體潮畸變。根據鄭江蓉等（2011）的研究，驗證這一變化過程：由于降雨對體應變的影響與降雨過程、降雨量及降雨時間等密切相關，體應變對降雨的響應存在延遲效應，這是因為水的滲透需要一定時間，孔隙水壓力的增加是逐漸進行的。

2012年7月6—15日連云港臺體應變、水位分鐘值曲線見圖3。由圖3可見：7月8日出現強降雨，爆發山洪，導致井孔灌水，水位突然上升，體應變數值日變形態發生畸變，持續至11日。由此可見，強降雨引起鉆孔水位上升，水位變化量和應變變化量呈明顯的正相關變化，并具有滯后效應。

圖3 連云港臺2012年7月6—15日水位、體應變分鐘值曲線Fig.3 Minute-value curves of water level and body strain at Lianyungang Seismic Station during July 6 to 15,2012

4 異常變化特征

4.1 應變曲線映震效應

連云港臺TJ-2體應變儀運行以來，記錄到多次強遠震產生的顯著同震變化，映震能力較好，振幅效應明顯。圖4為幾次地震時連云港臺體應變同震效應分鐘值曲線。由圖4可見：震級越大，應變振幅波動和頻率變化越大；震中距越近，應變振幅波動和頻率變化越大。雖然高郵4.9級地震連云港臺震中距僅150 km，但因震級偏小，體應變曲線表現不明顯。此外，體應變同震效應變化形態不盡相同：除汶川地震為震蕩—上升型變化外，其余幾次均為震蕩型變化。

圖4 連云港地震臺體應變同震效應分鐘值曲線Fig.4 Coseismic effect minute-value curves of body strain at Lianyungang Seismic Station

以2008年5月12日汶川8.0級地震為例，分析連云港臺體應變同震效應。表3為汶川8.0級地震發生后，連云港體應變同震效應與水位的相對變化量（相對于數據平穩時段）。圖5為連云港地震波形及體應變、水位的變化曲線。由表3和圖5可見：①汶川地震發生后，連云港臺體應變14∶34出現震蕩變化，與S波到時基本相同（體應變是分鐘值采樣，而地震計每秒采樣60個數據，存在一定時間誤差），隨著L波的到來，體應變震蕩幅度隨之變大，當面波開始衰減，體應變的變化幅度隨之衰減，14∶44后產生變化量約240.7×10-9的臺階；②體應變與地震波形變化相似，呈現壓性—張性—壓性的交替變化，與S波及L波的運動過程相同，說明體應變的同震效應由二者的運動作用產生；③因P波運動的傳遞軌跡與S波和L波不同，當地震儀記錄到P波后，而體應變未記錄到相應變化；④連云港臺體應變的同震效應為震蕩—上升型變化，而水位的同震效應為震蕩型變化，原因有待進一步研究。

表3 汶川8.0級地震時體應變與水位相對變化量Table3 The relative variation of body strain and water level in Wenchuan M 8.0 earthquake

圖5 汶川地震8.0級地震體應變同震效應分鐘值曲線(a)原始記錄波形；(b)體應變與水位同震效應Fig.5 Amplitude effect minute value curves of body strain for Wenchuan M 8.0 earthquake

4.2 臨震異常特征

連云港臺體應變整點值M2波潮汐因子精度較高，在一定幅度內持續波動。以2013年4月20日8時02分發生四川蘆山縣M7.0地震為例，分析連云港臺體應變臨震異常特征。

（1）單臺變化。2009年至2013年7月31日連云港臺體應變潮汐因子變化見圖6。由圖6可見：2012年11月M2波潮汐因子數值較高，12月突然快速上升，打破原有波動幅度，出現超2倍均方差的異常現象，2013年1月—3月精度明顯下降，體應變周日波潮汐因子同時段出現類似異常，核實發現，連云港臺輔助氣壓和水位均無明顯變化，也無人為和環境干擾。異常結束后，于2013年4月20日8時02分發生四川蘆山縣M7.0地震（震中距約1 600 km）。因此認為，異常的出現對應此次地震的信度較高。

圖6 連云港臺2009年1月1日至2013年7月31日體應變潮汐因子變化曲線Fig.6 The tidal factor curves of borehole pressure at Lianyungang Seismic Station form Jan.1, 2009 to Dec.31, 2013

（2）多臺變化。連云港、徐州和溧陽地震臺2014年1—7月體應變周日波潮汐因子變化曲線見圖7。由圖7可見，3個地震臺的周日波潮汐因子于2013年3月1日、13日同時出現明顯的超差異常現象。經調查落實，上述3臺地理位置相差不遠，當日天氣無較大變化，認為氣象因素干擾可能性較小，且3個地震臺異常形態相似，由此判斷此次地震前異常是可靠的。

圖7 連云港臺、徐州臺、溧陽臺2013年1—7月體應變周日波潮汐因子變化曲線Fig.7 The tidal factor curves of borehole pressure at Lianyungang, Xuzhou, Liyang seismic stations form Jan.to Jul, 2013

5 結束語

因連云港地震臺位于蘇魯皖交界地區，地震活動水平偏低，近震資料缺乏，且異常特征不明顯，只能針對遠大震進行數據分析。通過對2009年—2013年7月31日連云港臺體應變潮汐因子M2波、周日波變化進行分析，得出以下結論：①遠大震同震效應明顯；②在2013年蘆山7.0級大震前，臨震異常特征明顯。同時，氣壓、水位、降雨等干擾因素與連云港臺體應變相關性較高，在資料處理時應予以剔除。

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