青海鉆孔應變強震前異常特征分析

李玉麗 李啟雷 孫春玲 楊青春 楊曉霞

（中國西寧810001青海省地震局）

青海鉆孔應變強震前異常特征分析

李玉麗 李啟雷 孫春玲 楊青春 楊曉霞

（中國西寧810001青海省地震局）

選取2007年以來青海省6套YRY-4分量鉆孔應變儀觀測資料，采用非潮汐和潮汐分析方法，對觀測資料進行分析處理。結果發現：①格爾木地震臺鉆孔應變差應變曲線顯示中短期速率異常，而德令哈地震臺則顯示超2倍標準差異常；②樂都地震臺鉆孔應變振幅因子顯示突跳型異常，且異常時間短，而潮汐因子表現為下降—恢復型異常。

鉆孔應變；差應變；振幅因子；潮汐因子

0 引言

20世紀60年代中期，中國開展鉆孔方法觀測地殼應變變化。近年來，許多專家對鉆孔應變非潮汐和潮汐參量異常變化進行研究，如：喬子云等（2001）提出應變潮汐因子變化曲線的異常特征較明顯，異常信度較高，對應地震效果較好；沈旭章等（2004）從非潮汐和潮汐方面研究蘭州水管傾斜儀觀測資料，認為在捕捉鄰區中強地震異常過程中，潮汐因子是一個良好指標；楊又陵等（2009）選取烏什地震臺石英傾斜儀觀測資料，通過震例研究表明，周圍地區6級以上地震前，可能記錄到由局部地殼形變異常而引起的潮汐參量異常變化。2006—2007年青海省在格爾木、德令哈、門源、湟源、樂都和玉樹地震臺架設6套YRY-4分量鉆孔應變儀，監測地殼應變變化。自鉆孔應變儀投入觀測以來，觀測穩定、數據連續、真實可靠。文中利用非潮汐和潮汐分析方法，對青海地區鉆孔應變儀觀測數據進行系統分析，研究資料異常與地震的對應關系。

1 資料可靠性分析

YRY-4分量鉆孔應變儀是21世紀初中國自主研發的儀器，具有靈敏度高、頻帶寬、抗干擾能力強、功耗低等特點。該設備屬長圓筒徑向位移式儀器，4個電容式徑向位移傳感器互成45°夾角，呈米字型布置。從徑向測微傳感器輸出信號中，可獲得完整的平面應變三分量（面應變、差應變、主應力方向），并有一個冗余分量，具有檢驗觀測數據真實性的自檢功能，自檢條件為：S1+S3≌S2+S（4S表示分量值）。該性能對地震分析預報工作具有重要意義（池順良等，2009；李玉麗等，2014）。

選取格爾木、德令哈、湟源、樂都、玉樹地震臺分量鉆孔應變儀（門源地震臺鉆孔應變儀一個分量出現問題，無法自檢）2007年7月至2014年12月整點值數據，計算相關系數，并與2011年整點值數據的相關系數做對比，結果見表1。由表1可見，德令哈地震臺相關系數略低，其余臺站相關系數均在0.9以上，說明S1+S3和S2+S4數據相關性顯著且相似性較高，表明5個地震臺的鉆孔應變資料滿足自檢條件，數據真實可靠。因此，其差應變數據應能準確反映所在地塊的受力狀態（李滔等，2010）。

表1 各臺S1+S3和S2+S4相關系數rTable 1 The correlation coeeffcient betweenS1+S3andS2+S4of each station

2 非潮汐分析

非潮汐分析是利用原始曲線過濾潮汐和線性漂移部分，對剩余殘差進行分析的方法?？梢圆捎镁?、別爾采夫濾波和組合濾波等分析方法，對鉆孔式應變儀記錄的應變固體潮整點值數據進行非潮汐變化分析。

分量鉆孔應變儀觀測數據可以分解為面應變和差應變。面應變來自兩路互相垂直的徑向位移之和，剪應變來自兩路垂直的徑向位移之差。差應變數據可以做到不受測長基準桿自身長度變化造成的漂移和探頭處地層溫度變化引起的漂移影響（池順良等，2009），可以更好地反映地殼應力場變化，有利于地震前兆異常分析。在此以格爾木和德令哈地震臺2007—2014年觀測數據為例，分析地震異常變化。

2.1 格爾木鉆孔應變差應變分析

格爾木鉆孔應變儀2006年9月架設，儀器架設在格爾木市西南約25 km的南山口戈壁灘，臺基為花崗巖，測點緊鄰昆侖山，基本無人為干擾，除氣象因素干擾外，無明顯環境干擾。圖1為格爾木鉆孔應變差應變曲線日均值曲線，由圖可知：①2008年四川汶川8.0級地震前1—7個月，即2007年11月至2008年5月，差應變具有快速異常變化，且在快速變化過程中發震，震后曲線持續快速變化，表現為中短期前兆異常；②2008年青海海西6.3級地震前存在顯著中短期前兆異常，震前1—12個月，即2007年11月至2008年11月，差應變快速變化，2008年9月至發震，變化速率減緩，但仍在持續變化，震后異常持續；③2009年青海海西6.4級地震（與2008年海西地震震中較近）前存在顯著中期前兆異常，震前1—23個月，即2007年11月至2009年9月，差應變逐漸快速變化，異常持續23個月，在曲線快速變化過程中發震，震后異常結束，曲線平穩；④2010年青海玉樹7.1級地震、2013年四川蘆山7.0級地震前無明顯異常。

圖1 格爾木鉆孔應變差應變曲線(a)S1—S3差應變； (b)S2—S4差應變Fig.1 The differential strain curve of borehole strain at Golumd Seismic Station

2.2 德令哈鉆孔應變差應變擬合殘差

選取2007—2014年德令哈鉆孔應變觀測資料，進行差應變擬合殘差分析。德令哈鉆孔應變觀測點距離2008年海西6.3級、2009年海西6.4級地震震中約135 km，距離大柴旦—宗務隆山斷裂不足20 km，對鉆孔應變數據進行長趨勢變化分析，發現震后存在明顯趨勢轉折現象。

利用一般多項式分段曲線，擬合該時段德令哈鉆孔應變差應變變化趨勢，去除趨勢后得到差應變與擬合曲線的殘差曲線，見圖2。以2倍標準差作為控制線，發現：①2008年汶川8.0級地震前1—8個月，S1—S3和S2—S4的殘差均有超2倍標準差異常，在數據無超差時發震，震后數據超差；②2008年青海海西6.3級地震前3—6個月，S1—S3和S2—S4的殘差均有超2倍標準差異常，震時、震后無超差數據；③2009年青海海西6.4級地震前3—8個月，S1—S3和S2—S4的殘差均有超2倍標準差異常，震時、震后無超差數據；④2010年玉樹7.1級地震前1個月，S1—S3的殘差有超2倍標準差異常，發震時數據超差，S2—S4的殘差無超差異常；⑤2013年蘆山7.0級地震前，S1—S3和S2—S4的殘差無超差異常。

圖2 德令哈鉆孔應變差應變殘差曲線(a)S1—S3差應變殘差； (b)S2—S4差應變殘差Fig.2 The residual strain curve of borehole strain at Delingha Seismic Station

3 潮汐分析

Nakai擬合檢驗方法是潮汐分析中經常使用的、有效的預處理和資料檢驗方法，直接反映觀測值日變的準確性（趙小賀等，2014）。應用Nakai擬合模型，對鉆孔式應變儀記錄的線應變固體潮分量整點值進行擬合檢驗，求取線應變固體潮觀測的振幅因子、時間滯后等參數。固體潮潮汐因子是表征觀測場地的介質彈性參數，反映地殼機制的物性變化。潮汐因子分析方法的物理意義清晰，異常容易識別，是當前地震預報形變領域重要方法（韓勝等，2012）。在此以樂都地震臺2007—2014年鉆孔應變觀測數據為例，采用Nakai擬合檢驗方法，分析固體潮觀測數據振幅因子及潮汐因子曲線，揭示地震與異常的對應關系。

3.1 振幅因子

Nakai擬合振幅因子變化曲線的異常形態為突跳型（上升突跳和下降突跳），異常持續時間較短，一般為幾天到十幾天（喬子云等，2001）。

以3倍標準差為控制線，消除缺數影響后，樂都鉆孔應變振幅因子變化曲線見圖3。由圖3可見：①2008年汶川8.0級地震：NS分量于震前5天至8個月，即2007年9月28日、10月26日產生下降突跳異常、2008年5月9日發生上升突跳異常變化，3次異常均持續1天；EW分量于2007年9月6日產生下降突跳異常，異常持續1天，震時無明顯異常，震后5月29日有上升突跳異常；②2008年海西6.3級地震： NS分量震前無無突跳異常，EW分量在震前6個月，2008年5月29日發生上升突跳異常變化，持續1天；③2009年海西地震： NS分量于震前4個月，4月15日產生上升突跳異常； EW分量于震前2個月，2009年6月1日產生上升突跳異常，持續1天；④2010年玉樹7.1級地震： NS分量于震前8天至6個月，2009年10月28日產生下降突跳異常、2010年2月21日及4月6日產生上升突跳異常； EW分量于震前3個月，2009年12月30日產生下降突跳異常，持續1天；⑤2013年蘆山7.0級地震： NS分量于震前1個多月，2013年3月27日、28日產生上升突跳異常； EW分量于震前3個月，2013年1月5日產生下降突跳異常、3月25日產生上升突跳異常，各持續1天。

由圖3可知，NS、EW分量在同一地震前異常形式不盡相同，主要表現為：2009年海西地震、2013年蘆山地震前兩分量振幅因子曲線異常類型相同，2008年海西地震、2010年玉樹地震前異常類型不同；多數地震前半年內，樂都鉆孔應變振幅因子的變化曲線表現為突跳型異常，地震多發生在異常結束后振幅因子不超差時段內，多數地震震時無突跳異?，F象。

圖3 樂都鉆孔應變振幅因子曲線(a) NS分量振幅因子； (b) EW分量振幅因子Fig.3 The amplitude factor curve of borehole strain at Ledu Seismic Station

3.2 潮汐因子

應變（M2波）潮汐因子變化曲線的異常形態為上升—恢復型和下降—恢復型，異常持續時間較短，一般為一個月到幾個月（喬子云等，2001）。消除數據缺記影響后樂都鉆孔應變M2波潮汐因子變化曲線見圖4。由圖4可見：NS、EW分量2008年汶川8.0級地震、海西6.4級地震、2009年海西6.3級地震和2010年玉樹7.1級地震前半年內均表現為下降—恢復型異常，異常大多持續1個月，地震多發生在異常結束后潮汐因子平穩階段；2009年海西6.3級地震同震下降比較明顯，2008年汶川8.0級和2010年玉樹7.1級地震有明顯震后響應，潮汐因子震后下降；2013年蘆山7.0級地震前無明顯異常，但有明顯同震反應。

圖4 樂都鉆孔應變M2波潮汐因子變化曲線Fig.4 The M2wave tidal factor curve of borehole strain at Ledu Seismic Station

4 結論

綜上所述，得出以下結論：①對于格爾木鉆孔應變差應變曲線，2008年青海海西6.3級地震前存在顯著中短期前兆異常，2007年11月至2008年9月呈快速變化狀態；德令哈鉆孔應變長趨勢資料在震后存在明顯趨勢轉折現象；②對于德令哈鉆孔應變差應變殘差曲線，汶川、海西地震前，S1—S3和S2—S4的殘差曲線均有超2倍標準差異常，而玉樹地震前，S1—S3的殘差曲線有超2倍標準差異常，S2—S4的殘差曲線無異常；③對于樂都鉆孔應變NS、EW分量振幅因子曲線，幾次強震前均有異常，兩分量同一地震前異常形式不盡相同，其中2009年海西地震、2013年蘆山地震前均有上升突跳異常，2008年海西地震、2010年玉樹地震前異常形式不同；④對于樂都鉆孔應變NS、EW分量M2波潮汐因子變化曲線，2次海西地震和2010年玉樹地震震前半年內均有下降—恢復型異常，2009年海西地震同震下降，2008年汶川和2010年玉樹地震震后下降。

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Analysis on the anomalous characters of the borehole strain before strong earthquake in Qinghai Province

Li Yuli，Li Qilei，Sun Chunling，Yang Qingchun and Yang Xiaoxia
(Earthquake Administration of Qingai Province,Xining810001,China)

The observation data recorded by the six sets of YRY-4 component borehole strainmeter in Qinghai Province were selected since 2007.Non tidal and tidal analysis method was used to analyze the data.The results showed that:① There were medium term rate anomaly in shear stain curve of the borehole strain meter at Golumd; The shear strain curve of the borehole strain at Delingha showed anomalies that more than 2 times of the standard deviation.② There were breakaway anomalies on amplitude factor curve of the borehole strain meter at Ledu Seismic Station, in very short period, and there were downward-recovery type anomalies in tide factor curve of the borehole strain meter at Ledu Seismic Station.

borehole strain meter，shear strain，amplitude factor，tidal factor

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.014

李玉麗（1981—），女，山東臨邑人，工程師，主要從事前兆觀測與資料分析工作。E-mail：282000724@qq.com

中國地震局監測、預測、科研三結合課題（編號：152903）

簡介：李啟雷（1981—），男，山東嘉祥人，工程師，主要從事地震監測與資料分析工作

本文收到日期：2015-09-26