與地方中強震伴生的鉆孔應變脈沖信號特征分析

張凌空，牛安福

(中國地震臺網中心，北京 100045)

0 引言

地殼巖石應變可采用鉆孔法進行相對連續測量，使用主流儀器分量式應變儀，一般安裝在井下幾十米至數百米深的基巖中。在國內，孔徑一般采用130 mm，國外一般為178 mm，探頭鋼筒用膨脹水泥(或改性的普通水泥)與巖石耦合(焊接)，保證應力與位移在邊界上連續。2003年美國開始實施板塊邊界觀測計劃(PBO)[1-3]，選用澳大利亞地震學家Gladwin新研制的四分量應變儀[4]，相繼沿圣安德烈斯斷層和阿拉斯加南部地區建立了85個鉆孔應變臺站，獲得一批觀測資料，并在PBO網站上與各國科學家共享(http://pboweb.unavco.org)。中國有三種自行研制的四分量應變儀，型號分別為YRY-4[5]、RZB-2(3)[6]和SKZ-1(2)(蘇愷之指導，孔向陽研制)，其各分量元件均互成45°，呈米字型排列，2007年以后在地震重點監測區共建有60余個測點，全部實現數字化分鐘值采樣。

2008年5月12日四川龍門山斷層上發生汶川MS8.0地震,姑咱臺震中距僅為150 km，國內有關學者用該臺鉆孔應變資料對這次震例進行了研究[7-9]。他們采用高通濾波和小波分解法(或S變換)從原始分鐘值中提取出震前高頻異常信號，周期為幾分鐘到數小時不等。

云南省騰沖臺位于騰沖-瀾滄地震帶,是地方震多發地區,同樣能夠應用鉆孔應變資料進行地震預測研究。文章研究了該臺2008-2015年觀測數據，采取一種原始分析方法，即不經任何數學處理，在計算機上分別逐日觀看應變固體潮分鐘值曲線(每日24 h，共1 440個數據點)，重點檢查其上是否記錄到肉眼就可直接識別的短周期高頻信號，并與氣壓、雷電和水位等資料進行比較，判斷是否受到影響，同時查閱臺站工作日志(http://qzweb.seis.ac.cn)，核對有無人為干擾，然后查看當天中強震目錄(震級MS>3.0)，先是使用陳培善研究員在《地震學報》上每期發布的地震目錄，再使用中國地震臺網(CSN)地震目錄和美國國家地震信息中心(NEIC)地震目錄(www.csndmc.ac.cn)補漏，結果發現一種不明原因的脈沖信號(共38次)，周期大致為2～4 min，振幅一般為(4～30)×10-10。下面將對其形態特征加以研究，并與地方中強震(震中距<100 km，共61次)的震級逐年進行對比，分析是否具有相關性。繼續搜集當地小震目錄(MS=2.0～3.0)和微震目錄(MS=0.1～1.9)比對，進一步探尋該信號的物理本質。

1 鉆孔應變儀記錄到脈沖信號

騰沖地震臺位于騰沖縣騰越鎮尚家寨村后山斷層的南東盤上，該斷層在此處與上馬廠斷層交匯。騰沖是我國著名的火山區之一，也是中國西部著名的地震活動區。該臺建有一口四分量鉆孔應變觀測井，井深45 m，基巖為安山玄武巖，儀器型號是YRY-4，為河南省鶴壁市地震局池順良研究員研制。該井于2007年10月底開始觀測，考慮到儀器安裝初期需要穩定一段時間，故資料分析從2008年1月1日起算。2016年2月19日觀測曲線突然變粗，直到12月29日調整了儀器接線頭后才終止。結合筆者的工作經驗，這屬于供電系統常見故障，可惜發現太遲，該段資料不能正常使用，所以資料分析截至2015年底，前后共約8 a時間。分析方法前已述及，規定觀測曲線向上表示探頭膨脹，呈張性；反之，呈壓性。

圖1給出了騰沖臺鉆孔應變儀記錄到的一組典型脈沖信號，可以看出他們分別疊加在固體潮半日波背景曲線上，4個分量同時記錄到該信號(周期為3 min)，且幅度與張、壓性不盡相同。查閱過中強地震目錄(MS≥3.0)，這一時間沒有地震記錄，同井水位和氣壓曲線也無此脈沖干擾。需要說明的是，這類脈沖信號四個分量應變每次不一定都能同時記錄到，為簡化工作程序，文章只選取第3分量作為研究對象，圖2給出了其他時段記錄到的部分脈沖信號。

圖1 2014年9月21日鉆孔應變固體潮半日波分鐘值觀測曲線上記錄到的脈沖信號Fig.1 Pulse signal recorded on the half-diurnal wave minute-observation curve of borehole strain tide on September 21, 2014

2 應變脈沖信號與地震波的比較

圖3、圖4給出了兩組應變脈沖信號與地震波的比較實例(皆為第三分量,由分鐘值觀測數據得到)，可以看出兩種信號波形和周期都很相近，但后者幅度明顯偏大，該實例中分別相差5～9倍，具體與震級和震中距有關。

圖2 鉆孔應變脈沖信號部分實例Fig.2 Examples of borehole strain pulse signals

圖3 應變脈沖信號與地震波的比較實例一Fig.3 Example 1 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

圖4 應變脈沖信號與地震波的比較實例二Fig.4 Example 2 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

3 應變脈沖信號與地方中強震的統計結果

圖5顯示2008年8、9月間地方中強震頻發(18次)，最大震級達到MS5.9，之后應變儀記錄到的脈沖信號開始增多，達到8次。

2009年地方中強震發生了11次，最大震級為MS4.4，應變脈沖信號僅出現了3次(見圖6)。

2010年發生15次地方中強震，最大震級為MS4.8。前已述及，3月份以后距臺站600～800 m遠處有重型機械挖湖施工，每日大約在8：00～22：00，其振動相當于人工地震，應變儀記錄到持續的脈沖干擾信號，已無法與待研究的異常脈沖信號相區分，因此該年資料作廢。

2011年全年都有施工干擾，其中2-4月較重，故圖7給出的脈沖統計數字可能不夠完整，其中有2次近震，分別為MS5.3(震中距17 km)和MS5.2(震中距18 km)，與之對應的脈沖信號也主要集中在這一時段。

2012年3、4、11月份施工干擾明顯，其他時段較輕，全年僅發生2次地方中強震，最大為9月11日MS4.9，震中距為78 km，5月2日和15日、6月10日、8月11日和21日各記錄到1次脈沖信號。

2013年全年施工干擾較輕，臺站100 km以內僅發生4次3級多地震，6月8日和8月14日各記錄到1次脈沖信號。

2014年全年施工干擾較輕，統計結果顯示應變脈沖信號出現的時段與地方震發生的時段大致吻合(見圖8)，其中較大的兩次地震為5月24日和30日盈江MS5.9及MS6.1，相距70 km和73 km，震前記錄到數次脈沖信號。9月16日23時33分騰沖發生MS4.2地震，震源深度9 km，震中距僅為5.4 km，臺站幾乎就在震中區，地震前后出現數次脈沖信號，由分鐘值觀測數據得到(見第39頁圖9)，其中最大振幅達到42.8×10-10，地震波振幅為2 740×10-10，相差64倍。

2015年施工干擾較輕，但觀測曲線變粗，估計應變儀電路系統受到了某種電信號的干擾，不過仍可區分脈沖信號，其間發生7次地方震，最大為10月30日MS5.0，震中距93 km，11月27日記錄到1次脈沖信號。

4 應變脈沖信號與當地小震和微震的關系

駱鳴津研究員[10]曾指出：“地震預報的創新只能放在更真實可靠尋找與地震破裂、孕育相聯系的物理信息上。”基于這一思路，應進一步探尋該信號的物理本質。繼續搜集當地小震目錄(MS=2.0～3.0)，發現有19次脈沖信號原來是應變小震波(震中距一般<70 km)。再將剩下的19次信號與當地微震目錄(MS=0.1～1.9)比對，又發現有9次是應變微震波，還有10次信號沒有與地震對應，推測地震目錄可能記錄不全，該信號依然由近震引起，即，由鉆孔附近巖石的微破裂所致，與區域性地震活動存在一定關聯。

圖5 2008年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.5 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2008

圖6 2009年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.6 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2009

圖7 2011年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.7 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2011

圖8 2014年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.8 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2014

現已查明,圖1給出的脈沖信號是由一次MS2.7小震引起，震中距僅為3.1 km；圖2給出的一組脈沖信號沒有找到相應的地震，估計是目錄漏掉了；圖9騰沖MS4.2地震前后記錄到的幾次脈沖信號皆為當地小震和微震(震中距5 km以內)引發。

圖9 2014年9月16日-17日應變脈沖信號與騰沖MS4.2地震對比分析Fig.9 Comparative analysis of strain pulse signals and Tengchong MS 4.2 earthquake (16-17 September 2014)

5 結論與討論

(1) 騰沖臺鉆孔應變原始分鐘值觀測曲線上記錄到的脈沖信號是真實、客觀存在的，但四個分量應變不一定都能同時記錄到脈沖信號，并且該信號與氣壓、水位、中強震和人為干擾無關。信號有時呈壓性，有時呈張性，周期大致為2～4 min，振幅一般為(4～30)×10-10，個別的可以達到(40～60)×10-10，波形與地震波相似，現已查明絕大多數脈沖信號都是由臺站附近小震(震中距一般<70 km)或微震(震中距一般<16 km)所致。

(2) 將脈沖信號出現的時間和振幅與地方中強震(震中距<100 km)的震級做逐年對比分析，表明二者之間存在一定的伴生現象。

(3) 地震是一個大規模巖體受壓發生破壞的力學過程，是遍布于巖體中各類裂紋擴展并相互貫通的結果。巖石力學實驗表明，石塊的破壞主要是裂紋尖端形成應力集中引起的。新裂紋的產生、裂紋擴展及裂紋尖端應力場的動態變化，會在巖石中產生應力波[11]。地震在孕育過程中區域應力場會增強，如果臺站離震中較近，鉆孔附近巖石就可能產生微裂隙，從而形成應力擾動，這一過程導致小震和微震發生。騰沖臺觀測到的應變脈沖信號之所以與區域性地震活動有一定的關聯，與此有關。

(4) 臺站選址如何遠離人類活動的干擾，是一個急需解決的問題。和騰沖臺一樣，最近幾年玉樹、昭通和門源臺鉆孔應變也都積累了寶貴的震例，這是可遇不可求的，但在進行資料分析時都面臨著棘手的干擾問題。