唐山4.8級(jí)地震前易縣地震臺(tái)地應(yīng)變異常特征

趙慧琴李均良張 肖佘雅文宋志剛符澤宇王 妍李萬(wàn)里

1）中國(guó)河北074211易縣地震臺(tái)

2）中國(guó)河北071000保定中心地震臺(tái)

3）中國(guó)河北063000唐山中心地震臺(tái)

4）中國(guó)河北067000承德中心地震臺(tái)

唐山4.8級(jí)地震前易縣地震臺(tái)地應(yīng)變異常特征

趙慧琴1）李均良1）張 肖1）佘雅文1）宋志剛2）符澤宇3）王 妍3）李萬(wàn)里4）

1）中國(guó)河北074211易縣地震臺(tái)

2）中國(guó)河北071000保定中心地震臺(tái)

3）中國(guó)河北063000唐山中心地震臺(tái)

4）中國(guó)河北067000承德中心地震臺(tái)

2012年5月28日河北省唐山發(fā)生MS4.8地震，地震前易縣地震臺(tái)地應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，對(duì)四分量應(yīng)變數(shù)據(jù)、體應(yīng)變及伸縮儀觀測(cè)數(shù)據(jù)，從發(fā)震時(shí)刻、異常形態(tài)、起始和持續(xù)時(shí)間、異常幅度等進(jìn)行分析，認(rèn)為異常在時(shí)間和形態(tài)上具有一致性，且同一地震臺(tái)不同觀測(cè)手段同時(shí)監(jiān)測(cè)到異常，可見(jiàn)此異常具有可靠性。

唐山4.8級(jí)地震；地應(yīng)變觀測(cè)異常；可靠性分析；異常形態(tài)；特征分析

0 引言

2012年5月28日10時(shí)22分52秒，河北省唐山市區(qū)與灤縣交界（39.7°N，118.8°E）發(fā)生MS4.8地震（以下簡(jiǎn)稱(chēng)唐山4.8級(jí)地震），震源深度8km。此次4.8級(jí)地震前，河北省易縣地震臺(tái)地應(yīng)變觀測(cè)資料出現(xiàn)異常變化，如YRY型四分量應(yīng)變儀、TJ-2型體應(yīng)變儀、SS-Y型伸縮儀記錄，異常變化是否與地震有關(guān)，本文就此進(jìn)行分析。

1 臺(tái)站概述

易縣地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)易縣臺(tái)）始建于20世紀(jì)70年代，地處河北省保定市易縣西陵鎮(zhèn)龍里華村，清西陵以南，是隸屬于河北省地震局的國(guó)家基本臺(tái)。地質(zhì)構(gòu)造上處于太行山北段低山丘陵地區(qū)，紫荊關(guān)斷裂帶東側(cè)，屬于太行山隆起帶與華北平原拗陷區(qū)的分界部位。易縣臺(tái)距唐山4.8級(jí)地震震中約290km（圖1）。

易縣臺(tái)有多種形變觀測(cè)手段，分別是YRY四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)、TJ-2鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)、SS-Y型伸縮儀觀測(cè)、DSQ型水管傾斜儀觀測(cè)、VS型垂直擺傾斜儀觀測(cè)、跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量等。形變觀測(cè)山洞進(jìn)深200 m，洞體覆蓋厚度大于40 m，洞體巖石為震旦系沉積巖。山洞年溫度變化幅度小于0.5℃，日變幅度小于0.03℃，山洞周?chē)鸁o(wú)明顯干擾因素。

易縣臺(tái)形變觀測(cè)資料連續(xù)率、可信度較高，數(shù)據(jù)內(nèi)精度和連續(xù)率均達(dá)到重點(diǎn)形變綜合臺(tái)的精度要求，符合形變觀測(cè)規(guī)范要求。

2 鉆孔應(yīng)變資料異常

在唐山4.8級(jí)地震前，易縣臺(tái)TJ-2型體應(yīng)變、YRY型四分量應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，二者均屬于鉆孔應(yīng)變觀測(cè)，下面就其觀測(cè)原理、資料可靠性和異常形態(tài)進(jìn)行分析。

2.1 測(cè)量原理

地殼應(yīng)力狀態(tài)變化是引起褶皺、斷裂及地震等地表變形及破壞發(fā)生的根本因素，發(fā)生在地殼表面的各種地質(zhì)災(zāi)害與地應(yīng)力作用息息相關(guān)。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是將觀測(cè)儀器安裝在鉆孔下數(shù)十米至數(shù)百米的基巖中，精確觀測(cè)地層內(nèi)部應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)變化，研究應(yīng)變異常與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。這種技術(shù)是研究地殼應(yīng)力狀態(tài)及變化規(guī)律的主要手段，也是地震前兆觀測(cè)的重要組成部分（蘇愷之等，2005）。

體積式鉆孔應(yīng)變觀測(cè)儀力學(xué)原理簡(jiǎn)明清楚，具有良好的高頻特性與高靈敏度，儀器受地面觀測(cè)干擾因素小，易取得較為可靠的觀測(cè)資料，在全球應(yīng)變觀測(cè)儀數(shù)量中占有很大比例。

目前，采用的鉆孔地應(yīng)變測(cè)量方法是，在地面向地下打一個(gè)圓孔，采用儀器儀表記錄鉆孔直徑變化量（當(dāng)?shù)貞?yīng)變變化時(shí)，鉆孔形狀隨之變化），根據(jù)孔徑與地應(yīng)變之間的數(shù)量關(guān)系，由孔徑變化計(jì)算地應(yīng)變變化。在鉆孔應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量原理基于以下假設(shè)：①安裝儀器的鉆孔周?chē)鷰r石是均勻且各向同性的彈性體；②地應(yīng)力是平面應(yīng)力狀態(tài)；③測(cè)點(diǎn)周?chē)欢▍^(qū)域內(nèi)應(yīng)力均勻分布；④鉆孔變形可以看成，在無(wú)窮遠(yuǎn)處受均勻分布的外力作用下無(wú)窮大彈性薄板中圓孔的變形；⑤安裝的受力元件參數(shù)一致（王紫研等，2012）。

TJ-2鉆孔體應(yīng)變儀器為數(shù)字化記錄儀，靈敏度優(yōu)于10-9，易縣臺(tái)2001年3月20日安裝，鉆孔深70.30 m，鉆孔巖性分3個(gè)層位：0—2 m為第四系黃土，2—9 m為震旦系沉積頁(yè)巖，9—70.30 m為中生代侵入閃長(zhǎng)巖。YRY鉆孔應(yīng)變儀2009年8月安裝，孔深38.0 m，巖性與體應(yīng)變相同。

圖2是YRY四分量式鉆孔應(yīng)變儀測(cè)量元件分布示意圖。4個(gè)受力元件分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)，每個(gè)受力元件依次相差45°。當(dāng)受力元件受到巖石應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)該符合1號(hào)與3號(hào)元件測(cè)值之和等于2號(hào)和4號(hào)元件測(cè)值之和，簡(jiǎn)稱(chēng)1號(hào)+ 3號(hào)= 2號(hào)+ 4號(hào)，反映總面積應(yīng)變，體應(yīng)變=總面積應(yīng)變+垂直變化，通常垂直變化受氣壓或地下水位干擾，但影響不大。

圖2 YRY分量應(yīng)變觀測(cè)原件布置Fig.2 YRY component strain observation original layout plan

2.2 鉆孔應(yīng)變資料可靠性分析

張國(guó)紅等（2010）通過(guò)RZB-1分量應(yīng)變觀測(cè)資料自身檢驗(yàn)及與TJ-1A體應(yīng)變資料互相驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)短距離內(nèi)不同埋深的兩個(gè)鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)到同一種地應(yīng)力變化，證明兩種鉆孔應(yīng)變資料可靠。而易縣臺(tái)YRY鉆孔分量應(yīng)變儀與TJ-2體積式鉆孔應(yīng)變儀井孔相距約6.3 m，且處于同一構(gòu)造體系，可見(jiàn)二者觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可以印證資料的可靠性。

圖3為YRY鉆孔分量應(yīng)變儀1號(hào)、3號(hào)測(cè)值和2號(hào)、4號(hào)測(cè)值之和進(jìn)行去傾斜分析后殘差值曲線，對(duì)比兩條曲線發(fā)現(xiàn)，二者長(zhǎng)期變化趨勢(shì)一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.95，且變化幅度接近，前者為2.9×10-7，后者為3.2×10-7，說(shuō)明觀測(cè)資料自檢是可靠的。

圖3 YRY四分量應(yīng)變殘差值對(duì)比曲線（2012年）（a） 1號(hào) +3號(hào)元件；（b） 2號(hào) +4號(hào)元件Fig.3 Residual values of YRY four component strain in the year 2012

選取YRY鉆孔分量應(yīng)變與TJ-2體積式鉆孔應(yīng)變2012年1月1日—6月30日觀測(cè)資料，進(jìn)行一次多項(xiàng)式擬合殘差對(duì)比。將YRY鉆孔分量應(yīng)變儀1號(hào)與3號(hào)元件面應(yīng)變之和與TJ-2體應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合殘差值進(jìn)行比較（圖4），發(fā)現(xiàn)二者變化形態(tài)基本一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.842。由此可知，鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)是可靠的。

圖4 YRY分量應(yīng)變（1號(hào)+3號(hào)）與TJ-2體應(yīng)變殘差值對(duì)比（2012年）（a） YRY分量應(yīng)變1號(hào)+3號(hào)元件；（b） TJ-2體應(yīng)變Fig.4 Residual values of YRY component strain （1+3） and TJ-2 body strain in the year 2012

2.3 TJ -2體應(yīng)變異常

在2012年5月28日唐山4.8級(jí)地震前，TJ-2體應(yīng)變記錄到異常。體應(yīng)變觀測(cè)曲線3月19日起出現(xiàn)持續(xù)下降，呈張性變化，下降幅度達(dá)202.491×10-9，4月23日曲線轉(zhuǎn)為迅速上升，呈壓性變化，上升幅度達(dá)273.381×10-9，4月29日開(kāi)始緩慢恢復(fù)，在恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生唐山4.8級(jí)地震，異常持續(xù)時(shí)間50天，其中張性階段35天，壓性階段6天（楊紹富等，2014）。

圖5 體應(yīng)變?nèi)站导皻埐钪登€（a）體應(yīng)變?nèi)站担唬╞）殘差值Fig.5 The day mean and residual value curves of body strain

2.4 YRY分量應(yīng)變異常

唐山4.8級(jí)地震前，易縣臺(tái)YRY分量應(yīng)變儀的EW、NS、NE分量在3月初均出現(xiàn)負(fù)異常，呈張性狀態(tài)（圖6）。各向分量變化幅度大，EW向變化幅度為1 634.256×10-10，NS向?yàn)? 402.643×10-10，NE分量異常變化幅度最大，為1 903.579×10-10，預(yù)示應(yīng)張力方向?yàn)镹E向，指向震中方向。EW、NS、NE分量異常形態(tài)相似。EW向觀測(cè)曲線3月5日起大幅度下降，呈張性變化，3月15日轉(zhuǎn)上升，呈壓性狀態(tài)，持續(xù)53天后發(fā)生唐山4.8級(jí)地震；NS向3月6日起大幅度下降，呈壓性變化，3月19日轉(zhuǎn)上升，呈張性變化，持續(xù)49天后發(fā)生唐山4.8級(jí)地震；NE向3月6日起大幅度下降，即呈張性變化，3月14日轉(zhuǎn)上升，呈張性狀態(tài)，持續(xù)54天后發(fā)生唐山4.8級(jí)地震。四分量異常形態(tài)呈現(xiàn)先張后壓、異常恢復(fù)階段發(fā)震的模式。

圖6 2012年1月1日—6月30日分量應(yīng)變?nèi)站底兓€（a）EW向；（b）NS向；（c）NE向；（d）NW向Fig.6 The day mean curve of component strain from January 1st to June 30th，2012

3 SS-Y型伸縮儀異常

3.1 觀測(cè)參數(shù)

易縣臺(tái)SS-Y型伸縮儀置于易縣地震臺(tái)南側(cè)山洞，山洞進(jìn)深200 m，覆蓋厚度大于40 m，山洞巖性底部為閃長(zhǎng)巖，頂部為中厚層夾薄層石灰?guī)r和頁(yè)巖，觀測(cè)環(huán)境符合觀測(cè)要求。

SS-Y型短基線伸縮儀選用含鈮特種因瓦棒（Nb-Invar）為基線，膨脹系數(shù)比石英小，性能穩(wěn)定。NS向分量基線長(zhǎng)度為10.17 m，EW向分量基線長(zhǎng)度為15.85 m，NE向分量基線長(zhǎng)度為15.38 m。

3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性分析

SS-Y型伸縮儀2001年5月安裝以來(lái)進(jìn)行多次檢定，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，觀測(cè)資料可靠。

3.3 異常特征

易縣SS-Y伸縮儀NS、EW、NE分量在2012年唐山4.8級(jí)地震前均出現(xiàn)異常形態(tài)。由圖7可見(jiàn)，NS向2012年3月31日曲線開(kāi)始上升，呈張性狀態(tài)，4月5日達(dá)最大值，上升幅度達(dá)1 262.924×10-10，4月18日曲線開(kāi)始下降，呈壓性狀態(tài)，38天后發(fā)震；EW向4月14日曲線開(kāi)始迅速上升，呈張性狀態(tài)，4月15日達(dá)最大值，上升幅度達(dá)365.925×10-10，4月28日曲線開(kāi)始下降，呈壓性狀態(tài)，異常持續(xù)24天；NE向4月14日曲線開(kāi)始迅速上升，呈張性狀態(tài)，4月15日達(dá)最大值，上升幅度達(dá)667.6×10-10，4月27日曲線開(kāi)始下降，即呈壓性狀態(tài)，異常持續(xù)24天。由圖7可知，NS、EW、NE方向均在異常恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生唐山4.8級(jí)地震。

圖7 2012年1月1日—6月30日伸縮儀日均值（a）EW向；（b）NS向；（c）NE向Fig.7 The day mean curve of expansion meter from January 1st to June 30th，2012

4 結(jié)果

由上述分析可知，在2012年唐山4.8級(jí)地震前，易縣臺(tái)TJ-2型體應(yīng)變儀、YRY型四分量應(yīng)變儀、SS-Y型伸縮儀均記錄地形變異常，見(jiàn)表2，由此可得出以下結(jié)論。

表2 唐山4.8級(jí)地震前易縣臺(tái)地應(yīng)變異常統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical analysis of the abnormal situation before Tangshan MS4.8 earthquake

（1）同一臺(tái)站不同觀測(cè)手段均監(jiān)測(cè)到地震異常，顯示異常具有可靠性。TJ-2型體應(yīng)變儀、YRY型四分量應(yīng)變儀、SS-Y型伸縮儀屬于不同形變前兆觀測(cè)項(xiàng)目，在唐山4.8級(jí)地震前均記錄到異常變化，3種觀測(cè)相互印證，顯示異常具有可靠性，應(yīng)為地震前兆異常。

（2）異常顯示出時(shí)間上的一致性。3種異常時(shí)間比較同步，基本起始于2012年3月底到4月初，4月中下旬產(chǎn)生轉(zhuǎn)折變化，持續(xù)一段時(shí)間發(fā)生地震。

（3）異常顯示出相同的形態(tài)特征。易縣臺(tái)體應(yīng)變、分量鉆孔應(yīng)變和伸縮儀記錄在唐山4.8級(jí)地震前出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折變化，可以歸納為曲線先呈張性變化，之后轉(zhuǎn)為壓性變化，在異常恢復(fù)過(guò)程中發(fā)震（陳開(kāi)坊等，1999）。該現(xiàn)象表明，在區(qū)域應(yīng)力—應(yīng)變、震源應(yīng)力—應(yīng)變的共同作用下，儀器觀測(cè)場(chǎng)地地殼發(fā)生變化，反映了震源區(qū)外圍地殼的變形過(guò)程，能夠明顯記錄地殼介質(zhì)在孕震過(guò)程中應(yīng)力—應(yīng)變的演變過(guò)程，是一種較好的臨震異常反應(yīng)。

（4）臺(tái)站觀測(cè)記錄的群體性異常應(yīng)當(dāng)引起重視。具有多項(xiàng)同類(lèi)觀測(cè)手段的地震臺(tái)站，如果僅有個(gè)別觀測(cè)手段出現(xiàn)異常反應(yīng)，可信度較低，往往是環(huán)境、人為干擾或儀器因素所致，如果多項(xiàng)觀測(cè)手段均出現(xiàn)異常，則可信度較高，應(yīng)當(dāng)引起重視（李占錄等，2004）。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)不同儀器記錄到的數(shù)據(jù)曲線特性，可以分辨地震前地殼應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)渥冞^(guò)程曲線的共性，觀測(cè)斷層由地幔擠入巖漿引起的變化，能夠判明沿?cái)鄬游灰疲ǖ孛媛∑稹A斜，并試圖從各方面闡明發(fā)震過(guò)程。曲線形態(tài)隨空間變化的規(guī)律性表明，地震在孕育過(guò)程中的共性占主導(dǎo)地位，至少在臨地震前異常階段是如此（蘇愷之等，2003）。這種規(guī)律性可能建立具有普遍性的地震前兆觀測(cè)機(jī)理，將有力地推動(dòng)地震臺(tái)站觀測(cè)與研究的深入進(jìn)展。

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The abnormal characteristics of the earth train at Yixian Seismic Station before Tangshan MS4.8 earthquake

Zhao Huiqin1），Li Junliang1），Zhang Xiao1），She Yawen1），Song Zhigang2），F(xiàn)u Zeyu3），Wang Yan3）and Li Wanli4）
1） Yixian Seismic Station，Hebei Province 074211，China
2） Baoding Central Seismic Station，Hebei Province 071000，China
3） Tangshan Central Seismic Station，Hebei Province 063000，China
4） Chengde Central Seismic Station，Hebei Province 067000，China

A MS4.8 earthquake occurred in Tangshan，Hebei Province on May 28，2012.The earth train observation at Yixian Seismic Station are abnormal，which include the observation of the four component strain，the body strain and the expansion meter.The reliability of these data is verified.The basic situation of abnormal is introduced.The common features of the anomalies are summarized from the abnormal form，the abnormal start and the duration，the abnormal amplitude，the earthquake moment and so on.The analysis shows that the anomaly has the consistency of time and form，and the different observation means of same station at the same time all detect the anomaly，and show that the anomaly has the reliability.

Tangshan MS4.8 earthquake，earth strain observation anomaly，reliability analysis，abnormal form，feature analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.013

趙慧琴（1982—），女，河北張家口人，工程師，碩士研究生，主要從事地震形變觀測(cè)與研究工作。E-mail：zhaohuiqinzhjk@163.com

河北省地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合項(xiàng)目資助課題（2015123104）

本文收到日期：2015-07-09