昌平地震臺體應變觀測震前短臨異常特征研究

吳利軍，張 波

（1.中國地震局地震預測研究所，北京 100036；2.河北省地震局紅山基準地震臺，河北 邢臺 054000）

1 昌平地震臺臺站概況

中國地震局地殼應力研究所昌平地震臺（以下簡稱昌平臺）始建于1971年，臺站坐落在昌平縣北約3km處的十三陵風景區邊緣，位于昌平臥虎山北麓［1］（見圖1）。臺站地處陰山巨型緯向構造帶的南沿，在北東向南口—山前活動性斷裂和北西向南口—孫河活動性斷裂的交叉部位東側7.5km處，屬于應力—應變反應敏感區。臺基系霧迷山組白云巖，黃土覆蓋層深度5～15m。臺基巖層走向 NE45°～52°，傾向SE41°～45°，巖層厚度1.0～74.7m。臺站周圍均被果園包圍，附近無大量用水的深井，無大型工業及無線電發射裝置，距十三陵水庫5km，距110國道250m，臺基及觀測環境符合觀測規范要求。

1987年8月17日，安裝TJ－1A型體應變儀并投入試觀測，1989年7月1日正式觀測。探頭安裝深度58.18m，儀器靈敏度為10－9／mV。

2 震例研究

2.1 觀測資料的初步分析

唐九安等［2］利用昌平臺TJ－1體應變儀1969年7月至2000年12月期間的觀測結果，分析潮汐響應函數的動態特征及其穩定性。由全序列調和分析結果所得到的幾個主波潮汐因子的內符合精度接近目前正在使用的洞室應變儀器的整體水平。整體上來說，該臺體應變儀的內精度和觀測資料的連續性、完整性均很好。鉆孔應變觀測資料的可靠性如能得到保證，在定量研究地殼應力場的變化時，不用借助復雜的反演便可直接利用［3］。

圖1 昌平臺地理位置與地質斷層分布Fig.1 Geographic location of Changping Station and fault distribution

體應變觀測普遍存在受氣壓、水位影響的特性［4－12］，因此，氣壓和水位對體應變的影響研究是正確識別觀測資料變化的前提。

對2002—2008年昌平臺體應變、靜水位、氣壓的觀測資料進行初步分析，發現氣壓年變清晰、規則，峰值在12月底，谷值在6月底7月初旬。水位呈趨勢下降，2002—2007年下降約12.6m，速率2.1m／a，2008年8月后轉為快速上升，到年底上升了3.6m。年變基本清晰，峰在2月底，谷在11月中旬到12月上旬，在12月前后水位值波動較大。2008年，峰提前到2月5日，5月23日至7月7日達到最小值，之后快速上升。水位與氣壓基本呈負相關，有3個月左右的相位差。體應變觀測值大致分為3個階段的變化：2002—2005年年變清晰，谷值在3月初，峰值在8月中旬，年變幅大約34×10－9；2006年畸變，1—4月持平緩升，5月加速升到7月底，8月27日后快速降，變幅大約226×10－9，7月中旬至年底日變曲線不規則，畸變、突跳多；2007—2008年出現年變畸變，表現在轉向時間和幅度上。圖2a是消除固體潮和氣壓影響后的體應變曲線，為取2002—2005年為正常年變，計算體應變觀測的趨勢項為：

相關系數R＝0.73，通過α＝0.01的F檢驗，以此消除長趨勢變化，結果如圖2b所示。

圖2 2002—2008年體應變日均值和去趨勢曲線Fig.2 Daily mean value of body strain from 2002to 2008

根據彈性力學可知，鉆孔在垂直方向受到大氣壓的直接作用，在水平方向上則受到側向圍壓的作用。考慮到鋼筒、水泥層和鉆孔巖石的復合結構，可以從理論上推導出大氣壓對體應變的影響模型［13］。

式中：ε為鉆孔體應變；ΔPa為大氣壓增量；b為氣壓影響系數。上式表明一般情況下體應變隨氣壓增大而增大（探頭壓縮），減小而減小（探頭膨脹），即正相關。對2002—2008年的體應變整點值和氣壓整點值做逐日相關分析，得到每天的相關系數值。呈負相關的占18.5%，正相關的占80.5%，按0.1相關系數R值進行分檔，結果大于0.9的占3.5%，大于0.8的占22%，大于0.5的占52.5%，表明相關性很好。（當R＝0.5時，F檢驗值為7.33，通過了α＝0.01的檢驗）。由15日的滑動曲線看到，每年7月至9月相關性較差。2006年河北文安地震后，由于體應變曲線嚴重畸變，相關性差。

2.2 2006年7月4日河北文安5.1級地震

體應變觀測曲線的正常年變是8月底到次年3月下降。2005年8月16日至11月30日下降。之后轉為緩慢上升，與正常年變反向變化，2006年3月23日至7月23日快速上升，期間發生文安5.1級地震，8月底開始轉為快速下降（見圖2a）。

文安5.1級地震前異常持續7個月，從2005年12月開始，先是4個月的緩慢反向變化，即壓應力緩慢增加，之后是3個月壓應力加速增強。

圖3是2006年4月至7月（見圖3a）、6月15日至7月4日（見圖3b）和7月3日至4日（見圖3c）的體應變記錄。在6月15日以前，日變形態基本正常，期間記錄到3次突降（張性變化），但在6月24日出現明顯的壓性上升變化（震前10天），28日以后形態畸變，7月3日06點至4日00點又出現一次壓性上升變化，4日00點至09點持平，之后開始下降（張性變化），到地震后快速下降（見圖3c）。

圖3 河北文安5.1級地震前臨震異常曲線Fig.3 Impending anomaly before Wen’an 5.1earthquake

與氣壓變化的相關分析是對比震前25天的記錄。第7頁圖4a是2006年6月10日至7月4日的體應變值、氣壓值，看出，體應變值相對平穩，氣壓值出現幾次劇烈波動，體應變值未隨氣壓值而變，但體應變值出現加速變化時，氣壓值也未出現大的變化。圖4b是同時段體應變與氣壓日相關系數，以正相關為主，有一半時間R值大于0.5，表明體應變與氣壓的日變存在較好的相關性，但體應變出現較大壓性變化的時段R值均較差。分析認為，6月24日至7月4日體應變記錄的異常較可靠。

圖4 河北文安5.1級地震前體應變、氣壓觀測值和相關系數Fig.4 Observation values of body strain－barometric pressure before Wen’an 5.1earthquake and the correlation coefficient

2.3 2008年5月12日四川汶川8.0級地震

2005年12月以后，體應變的整體年變形態被打破，在文安5.1級地震后，體應變值出現兩種變化：仍快速上升到7月底，在高位波動持平1個月（8月底）后，轉為下降，快速下降到2007年1月底，速率達1.410 4×10－9／d，約是正常時段的10倍；日變曲線上疊加大量的張性突變，持續到12月，開始幅度大，后逐漸減小，2007年1月消失。

若將2006年8月到2007年1月的快速下降視為5.1級地震的震后恢復，則2 0 0 7年3月1 0日到6月10日恢復上升變化，速率比正常年快50%，之后轉為緩慢上升，到9月23日轉為下降，速率恢復正常，直到2008年4月20日，年變形態基本正常（見圖5）。

對2007—2008年氣壓、水位、體應變觀測曲線進行分析，發現體應變與水位的關系長期呈負相關，短期變化不相關。從年變角度看，氣壓年變形態規則，與體應變大致呈負相關，而2008年4月至9月體應變的變化與氣壓無關。從短期看，氣壓與體應變的日變主要呈正相關。2008年4月18日至5月8日，起伏變化相關明顯，除與氣壓變化相關外，體應變值明顯偏離正常年變。

對分鐘值進行低通濾波，提取臨震前的變化。利用EIS2000軟件中的濾波功能，分別取窗長為31和128，周期取5，對分鐘值進行低通濾波，分析殘留的高頻成分，提取異常信息。圖6是2007年7月至2008年5月的計算結果，兩組結果基本一致。2007年7月至2008年3月濾波殘差值在（0.34±0.07）×10－9，個別高值主要是記錄地震波引起的，從2008年4月20日開始，高值開始增多，并且連續出現，反應在觀測曲線的不規則變化。分析認為，震前短臨異常較為可靠。

圖5 四川汶川8.0級地震前后體應變觀測與正常年變的對比Fig.5 Contrast of body strain observation and normal annual variation before and after Wenchuan 8.0earthquake

圖6 2007年7月至2008年5月低通濾波殘差Fig.6 Low－pass filtered residual from July 2007to May 2008

3 結論與討論

（1）河北文安5.1級地震震前短臨異常的主要特征是壓應力持續增強的過程，地震前異常持續7個月。從2005年12月開始，先是4個月的壓應力緩慢增加，之后是3個月加速增強，震前10天進一步增強。張性、壓性畸變頻繁出現，臨震前14小時維持—緩慢釋放—地震大釋放。

（2）四川汶川8.0級地震震前短臨異常的主要特征是震前20多天記錄中疊加大量的高頻信息。2007年4月至9月形態異常，主要呈現張性變化，2008年4月20日至5月12日震前的形態異常，也屬于張性變化。

鉆孔應變、應力短臨異常是孕震系統進入臨近破裂狀態時所表現出來的動態變化，這種異常具有明顯的脈沖性、間歇性［3］。對于震前出現的壓性和張性突變，是由于震源體受力是多方向的，引起應力場變化的不同力的大小和方向并不是恒定的，此消彼長，不同方向力的增加和抵消的相互作用使應變值在短時間內出現張性、壓性突變現象。震前出現的固體潮畸變現象是震源區區域應力場失衡的直接表現，畸變持續時間反映了應力加速積累的時間。在固體潮畸變過程中，張性和壓性突變是震源區區域應力場失衡過程中，巖石由蠕變到塑變階段表現在體應變觀測值上的顯著異常特征反映。因此，在對氣壓、水位等干擾因素分析的基礎上，體應變觀測出現應變固體潮畸變，并在畸變過程中連續多次出現張性、壓性突變和高頻成分增多等異常現象，可作為地震短臨預測的指標。

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