海原地震臺鉆孔應變震前短臨異常特征研究

楊 順, 程鵬圖, 王晨曦, 馬云舉, 馬治寧

(寧夏回族自治區地震局，銀川 750001)

鉆孔應變前兆觀測是地震監測預報的主要手段之一，四分量鉆孔應變儀觀測探頭一般安裝于鉆孔下數十米的基巖或土層中，觀測位移空間導數隨時間的變化，具有良好的高頻特性與高靈敏度的兼顧性，可以發現和掌握地應變前兆的長中期-短期-臨震以及震后調整的時空分布與發展變化規律，構成重要的地震前兆觀測手段[1-3]。實際震例分析表明，鉆孔應變觀測具有良好的映震能力，于汶川8.0 地震、烏恰7.4、烏什6.4、昆侖山 8.1、彝良5.7 等地震前，均出現較為明顯的短期異常[4-9]。蔣靖祥等[10]、朱航[11]依據鉆孔應變臺站異常數據，對新疆和靜5.7、巴楚北4.2、云南鹽津5.1等地震進行了較為準確的震前預測，為今后應用鉆孔應變異常開展地震預測預報工作具有重要的參考價值。海原地震臺YRY-4型四分量鉆孔應變觀測儀觀測數據連續，可靠性較高，具備開展相關地震研究的條件，且于漳縣岷縣 6.6、景泰4.7、中寧3.9等震前出現明顯的短臨異常反應。從而對觀測數據出現的異常變化原因進行準確的研究分析，總結其異常變化特征，是開展地震預報工作的前提，對區內開展防震減災工作有著重要意義。

1 觀測背景

1.1 構造背景

海原地震臺鉆孔應變觀測點位于海原縣小山村西南側南華山內，地面距離1920年海原8.5級地震主斷裂約450 m，地處青藏高原東北弧形構造帶內(圖1)。海原斷裂帶活動特征表現明顯的壓扭性，左旋跡象明顯，由于斷層活動強烈，斷層地表形跡清晰可見，跨斷層水系、溝谷左旋水平運動特征明顯。1920年海原大地震形變遺跡散布整個斷裂帶，如五橋溝-小山一帶見有水平扭動產生的鼓包和雁行形狀張裂凹坑和斷層陡坎等，五橋溝溝口跨斷層處的溝谷階地左旋分量較大，是斷裂帶多期活動的累積量[12]。小山形變臺臨近海原活動斷裂帶，為1920年海原8.5級特大地震的極震區。

圖1 海原小山形變觀測點地理位置Fig.1 The geographic location of Haiyuan Xiaoshan deformation observatory

1.2 儀器概況

圖2 四分量鉆孔應變內部結構圖Fig.2 The internal structure diagram of four-component borehole strain

YRY-4型分量鉆孔應變儀為長圓筒徑向位移式儀器，在圓筒中布置安裝4個分量的徑向測微傳感器，每個受力元件依次相差45°，呈“米”字布設，安裝時將圓筒探頭放入地層鉆孔，使用耦合介質將探頭與地層合為一體，通過儀器測量系統即可獲得平面內4方向鉆孔孔壁徑向位移，從而求取地應變量(圖2)[13]。正方向變化為張性應變，負方向變化則為壓性應變。

海原地震臺于2007年9月安裝架設YRY- 4型四分量鉆孔應變觀測儀(武漢地震科學儀器研究所研制)，靈敏度高(應變量級達10-10)。觀測井孔深 60.37 m，水位距井口15m，套管下到32 m 深，探頭安裝在深36.5 m的完整段，基巖為奧陶紀灰巖。如圖3所示，分量元件方位(相對磁南北)：第1分量：E21°S；第2分量：E66°S；第3分量：S21°W；第4分量：S66°W。

圖3 海原地震臺鉆孔應變布極方位圖Fig.3 The polar orientation map of borehole strain in Haiyuan Seismic Station

2 鉆孔應變資料可靠性分析

四分量式具備自檢功能，可以用來評價觀測數據的可靠性。自檢是依據在理論條件下，相互垂直的兩分量應變觀測之和相等，即自檢關系可表示為

S1+S3=S2+S4

(1)

式(1)中：S1、S2、S3、S4分別表示1～4路應變觀測分量。在分量鉆孔應變儀中，1路和3路互相垂直，2路和4路互相垂直，1路+3路和2路+4路的結果越一致，則表示儀器探頭與圍巖耦合效果越好，記錄的資料越可靠[13]。

對2013年1月1日—2016年12月31日事件段內海原臺YRY-4型鉆孔應變儀觀測資料的進行儀器自洽檢驗，通過式(2)計算四分量鉆孔應變觀測的信度，在剔除掉5%的壞點后，計算所得海原小山四分量鉆孔應變觀測的信度為0.907，由此可得該儀器信度高，觀測數據可靠(圖4)。

(2)

式(2)中：N95為剔除掉5%壞點后的有效觀測數據；C95為有效觀測數據的檢測信度。

圖4 2013—2016年海原臺分量鉆孔應變自檢曲線Fig.4 Self-test data curve of borehole strain at Haiyuan Seismic Station in 2013—2016

3 震例分析

海原地震臺四分量鉆孔應變自2008架設投入觀測以來，于多次中強震前均出現短臨的異常變化，在此期間發生的2013年7月22日漳岷MS6.6級地震、2014年11月15日景泰MS4.7級地震及2016年4月11日中寧MS3.9級地震震前，出現了明顯的短臨異常變化。

2013年7月22日，甘肅漳縣岷縣發生MS6.6級地震，海原小山鉆孔應變于震前14 d前出現了明顯的異常變化，震中距239 km。如圖5所示。由圖5 可知，S1、S4分量于2013年7月8日出現明顯的加速壓性下降變化，7月10日下降變化結束且加速上升恢復，變化形態呈“V”形，S1變化幅值792×10-10，S4變化幅值1 104×10-10；S2、S3分量于7月9日出現明顯的加速壓性下降變化，7月12日下降變化結束且緩慢上升恢復，變化形態呈“√”形，S2變化幅值為1 266×10-10，S3變化幅值為1 187×10-10。依據四分量對比分析可知，S2、S3分量較之S1、S4分量，變化幅度大、持續時間長、恢復速度慢。

圖5 海原小山鉆孔應變觀測曲線(漳岷MS6.6級地震前)Fig.5 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Zhangming MS6.6)

2014年11月15日，甘肅景泰縣發生MS4.7級地震，海原小山鉆孔應變于震前60 d前出現了明顯的異常變化，震中距174 km。景泰MS4.7級地震震中與海原小山形變觀測點同處于海原斷裂帶構造變形帶內，如圖6所示。由圖6可知，此次地震前海原鉆孔應變S1、S4分量無明顯變化，S2、S3分量出現了壓性下降-張性上升的變化形態。S2、S3分量于2014年9月15日出現壓性下降變化，9月26日下降變化結束且出現張性上升變化，10月9日上升變化結束且出現緩慢下降變化至10月28日開始轉折緩慢恢復，變化形態呈“W”形，S2變化幅值為 1 113×10-10，S3變化幅值為1 086×10-10。

圖6 海原小山鉆孔應變觀測曲線(景泰MS4.7級地震前)Fig.6 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Jingtai MS4.7)

2016年4月11日，寧夏中寧縣發生MS3.9級地震，海原小山鉆孔應變于震前10 d前出現了明顯的異常變化，震中距78 km。如圖7所示。由圖7可知，S2、S3分量于3月31日出現明顯的加速壓性下降變化，4月4日下降變化結束且加速上升恢復，變化形態呈“V”形，S2變化幅值為2 501×10-10，S3變化幅值為 2 177×10-10；S4分量于3月31日出現加速張性上升變化，4月4日上升變化結束且緩慢下降恢復，S4變化幅值為1 321×10-10。

圖7 海原小山鉆孔應變觀測曲線(中寧MS3.9級地震前)Fig.7 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Zhongning MS3.9)

4 異常特征分析

分析總結海原地震臺鉆孔應變震前異常特征，對寧夏及鄰區的地震預報工作有著積極地參考意義。通過分析典型震例，從空間、時間、構造關系、變化幅值等方面總結海原地震臺鉆孔應變震前異常特征。

4.1 空間

通過分析三次典型震例與海原小山形變觀測點的空間位置關系，如圖8所示，震前異常變化對應的最大震中距為漳縣岷縣MS6.6級地震的239 km。由此可知，海原地震臺鉆孔應變對領區300 km內中強震的震前異常變化較為明顯，超過300 km則無明顯異常變化，如九寨溝MS7.0級地震、蘆山MS7.0地震及玉樹MS7.0級地震等。

4.2 時間

通過對這三次典型震例總結分析可知，異常變化出現最早的地震為景泰MS4.7級地震，于震前60 d出現，持續時長43 d。漳縣岷縣MS6.6級地震與中寧MS3.9級地震均于震前15 d之內出現異常變化，持續時長也均在5 d之內。景泰地震與漳縣岷縣地震、中寧地震時間尺度上的差距，究其原因系為景泰地震震中與海原小山形變點同處一個構造變形帶內，因此造成其在震前出現持續時間較長的“W”形異常變化。由此可知，海原地震臺鉆孔應變震前異常特征在時間尺度上具體表現為，同處海原斷裂構造變形帶內的震前異常出現時間早、持續時間長，而處于其他構造變形帶內的震前異常出現時間晚、持續時間短。

4.3 構造關系

由圖8可以看出，海原地震臺小山形變點所處斷裂構造走向與對應震例發震構造走向均沿NW-SE向展布延伸，此類走向的斷裂均受來自NE、SW向的擠壓應力作用。由此可知，海原地震臺鉆孔應變異常變化所對應的震例，均與其有著較為一致的構造應力環境及相似的地震構造背景。

圖8 震例空間分布Fig.8 The distribution of seismic space

4.4 變化幅值

通過典型震例分析可知，海原地震臺鉆孔應變震前異常變化幅值與震中距、震級大小有著直接的關系。如表1所示，中寧地震震級小于其他兩個典型震例，但由于其震中距最小，從而使得其S2、S3分量的變化幅值為其他震例S2、S3分量的兩倍；漳縣岷縣地震震級雖大于景泰地震，但因其震中距大于景泰地震，因此兩者S2、S3分量的變化幅值相差不大。由此可知，變化幅值受震中距的影響要大于震級的影響，也由此可發現海原地震臺鉆孔應變對地方中強震的映震能力更為顯著。

4.5 分量變化

由表1可知，海原地震臺鉆孔應變S2、S3分量于震前表現的異常變化較之S1、S4分量更為顯著。究其原因與鉆孔應變四分量布極方位有關，由圖5所示，鉆孔應變S2、S3分量布極方位與震例發震構造所受的應力方向較為一致，從而使S2、S3分量于震前表現得更為靈敏。

表1 震例震級、震中距、變化幅值統計表Table 1 The statistical table of seismic space magnitude、epicentral distance and change amplitude

5 結論

利用2013—2016年海原地震臺鉆孔應變可靠性高的觀測資料，對在此期間所對應的三次典型震例進行分析研究，得出海原鉆孔應變震前異常變化特征如下。

(1)海原鉆孔應變對領區300 km內中強震的震前異常變化較為明顯，超過300 km則無明顯異常變化。

(2)海原鉆孔應變震前異常特征在時間尺度上具體表現為，同處海原斷裂構造變形帶內的震前異常出現時間早、持續時間長，而處于其他構造變形帶內的震前異常出現時間晚、持續時間短。

(3)海原鉆孔應變異常變化所對應的震例，均與其有著較為一致的構造應力環境及相似的地震構造背景。

(4)異常變化幅值受震中距的影響要大于震級的影響，也由此可發現海原地震臺鉆孔應變對地方中強震的映震能力更為顯著。

(5)鉆孔應變各分量異常變化的差異性，與其布極方位和震例發震構造的應力環境有關，鉆孔應變S2、S3分量布極方位與震例發震構造所受的應力方向較為一致，從而使S2、S3分量于震前表現得更為靈敏。

前兆觀測資料分析是地震預報工作的重要組成部分，通過分析典型震例總結了海原鉆孔應變的臨震異常變化特征，在排除其他因素干擾的情況下，可對今后觀測資料出現的短臨異常變化在此研究基礎上進行嘗試性的震前短臨預報，以期為該區今后的防震減災工作提供參考依據。