鉆孔體應變儀在地震前兆觀測中的理論和應用研究綜述

孫藝玫， 查 楠， 任 雪， 張 麗， 毛佳寧

（遼寧省地震局， 遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震發生前后一般會出現各種異?，F象，包括但不限于普通的地震波信號[1]； 通過統計發現在一些地震的前后， 地震臺站會觀測到部分異常信號， 相比于普通的地震波， 這些異常信號有一定的特殊性， 比如發生概率偏小、 衰減周期較長、 振幅沒有明顯的規律等等， 對這些異常信號（也被稱為“前驅波”） 的研究對地震的預測有著重要意義[2]。

這些異常的、 不規律的信號， 在模擬觀測時期受制于儀器分辨率的約束， 難以被識別。但隨著地震研究引入了現代數字化觀測技術，比如高精度GPS[3]、 寬頻地震計[4]以及高分辨應變儀等[5]， 研究人員可以觀測并記錄到這些前驅波的特征， 并運用統計學的相關理論， 來對這種特殊的觀測信號進行研究， 期望達到預測地震的現實意義[6]。

鉆孔應變觀測是研究地殼應力應變狀態規律的主要手段， 在地震前兆觀測與研究中不可或缺[7]； 一般情況下， 儀器探頭被安裝于地下數十米甚至數百米深的土層或者巖層中， 不間斷的記錄地殼內部應力應變狀態， 由此描繪出的曲線可以用來分析地震前、 中、 后等各個重要節點的地殼應力應變的變化。

1 鉆孔體應變儀的原理及優勢

在觀測地震前兆的手段中， GPS 和鉆孔應變儀各有所長， 可以相互補充， 在短臨前兆觀測中應變儀器的效用更勝一籌[8]。 鉆孔應變觀測可以觀測區域應力場作用下的地殼變形[9]， 與其他觀測手段不同的是， 鉆孔應變儀觀測的優勢在于觀測的是一個張量， 專注于某個點的應變變化數據， 可以將地殼變動的數值以秒或者分鐘的形式， 連續記錄下來形成一套曲線數據。

從圖1 可以看出， 鉆孔應變觀測的范圍更為廣泛， 幾乎覆蓋了整個觀測頻帶； 而傳統地震儀和GPS 的觀測范圍相對較窄， 傳統測震儀側重于高頻觀測頻帶、 GPS 側重觀測相對低頻的觀測頻帶[8]。

圖1 傳統測震儀、 GPS 與鉆孔應變儀觀測頻帶對比Fig.1 Comparison of observation frequency bands of traditional seismometer， GPS and borehole strain gauge

這種鉆孔應變觀測的的測量原理是根據安裝在鉆孔儀器中腔體的體積變化而獲得巖體體積的相對變化量， 是一種高精度地形變觀測儀器， 最適合揭示短期形變變化。 澳大利亞地球物理學家F.D.Satcey 指出“由于來自于大自然（如降雨） 而非儀器本身的強干擾， 短基線應變和近地表設置的傾斜儀并不是很有用， 所以在短基線儀器中， 只有放置在地下水深處不排水鉆孔中的儀器才更有效率”[10]。

我國的鉆孔應變觀測起步較早且設計理念達到世界領先水平[11]， 我國現在使用的體應變儀有兩個系列： 一是上世紀八十年代中期從美國進口的Sacks 體應變儀[12]， 一是我國國內自主研發的TJ 型體應變儀[13]。

體積式鉆孔應變觀測是鉆孔應變觀測的重要組成部分， 在全球的應變儀數量中占據最大的比重， 這得益于鉆孔體應變儀的獨特優勢：

第一， 鉆孔應變觀測可以精細、 準確地刻畫地應力在時間和空間上的變化圖像； 第二，鉆孔應變觀測可以在保持高靈敏度的同時， 在時間維度上有較大的持續性； 第三， 鉆孔體應變儀安裝到地下， 受地表的干擾較小， 甚至可以規避近地表水位的影響； 第四， 該觀測方法占地面積小， 便于定位和布置， 可以有效進行對比； 第五， 鉆孔應變觀測可以全方位觀測應變、 地磁等多種地球物理參數， 一孔多用， 極大地提升了鉆孔利用率和觀測效率[9]。

鉆孔體應變儀因其觀測精度高、 穩定性好，在鉆孔應變觀測中占據著重要地位和影響， 它能記錄到地震發生時的應變變化[14]， 在一系列的爆炸試驗、 微地震試驗、 礦山監測等領域得到實證[15]。

比如， Sacks 等運用鉆孔體應變儀曾觀測到上世紀八十年代日本伊豆半島7 級地震的前驅波信號[16]； 甚至， 有人還根據體應變儀觀測到的前驅波信號， 成功預報了2000 年2 月26 日的火山噴發； 從這里可以看出， 鉆孔體應變儀的應用在地震預測、 火山研究等方面有重要的理論和實際意義。

2 鉆孔體應變儀的種類和發展

20 世紀60 年代末， 美國卡內基研究院和德克薩斯大學聯合研發了一臺線性膨脹地震計，被公認為世界上第一臺鉆孔體積應測儀器。 隨著技術迅速發展， 觀測技術不斷完善， 種類也越來越多， 國內的歐陽祖熙等[17]研制了RZB 電容式四分量式鉆孔應變儀， 澳大利亞有研究人員開發了三分量張量應變儀， 日本則在Sacks體應變儀的基礎上研制了Sacks-Evertson-Sakada三分量體應變儀[18-19]。

日本石井紘等人開發了體積更小的三分量應變儀， 可以將探頭的直徑放大至40 倍， 安裝簡便體積偏小， 可以全方位觀測多種地球物理參數， 允許研究人員根據自己的需要靈活地使用； 澳大利亞Michael T Gladwin 研制的張量鉆孔應變監測裝置在水平應變監測中得到了廣泛的認可和應用[20]。

目前我國在這個領域的觀測技術發展很快，除了單點觀測技術（體應變、 分量應變、 鉆孔傾斜等） 外， 我國的深孔應變觀測和多參數觀測的綜合性鉆孔觀測也有長足的發展： 2010年， 多個地震臺站成功安裝了由地質力學研究所主導研發的深井地球物理綜合監測系統， 并通過該系統獲取了大量的高價值地球物理觀測資料[21]； 北京白山和福建譚州成功安裝了兩套深井地殼形變綜合觀測實驗系統， 這是由歐陽祖熙等人研制的新型深井寬帶綜合觀測系統， 這些研究成果表明， 我國鉆孔應變觀測已進入一個新階段[22]。

3 鉆孔體應變觀測的國內外應用研究現狀

目前， 國內外研究人員已經將鉆孔體應變儀觀測到的高價值數據應用到多個領域， 并取得了重要進展。

3.1 同震階躍現象方面

同震階躍現象即是地震發生時儀器記錄到的同震應變階。 通過鉆孔體應變儀可以觀測到這種現象， 其具有重要的價值。

國外方面， 有學者通過對比三套Sacks-Evertson 體應變儀的觀測數據， 發現一個現象：距離震中相同的兩組應變儀， 可以同時觀測到地震應變階[14]； 這個發現得到了McGarrA 等人的認可， 他們通過安裝在金礦中的應變儀儀器觀測到大量的數據， 印證了應變儀記錄到的階躍現象是同震應變階的觀點[15]。 在國內， 張敏等[23]發現， 鉆孔應變與地震應變階次和地震波在時間上是同步的， 應變階躍與震源方位和震級在統計上具有相關性； 李鵬等[24]研究了2015 年4 月25 日尼泊爾8.1 級地震的鉆孔應變觀測資料，同樣發現了這種相關性[28]。

3.2 慢地震方面

慢地震是一種非暴力性質的斷層滑動事件，它需要經過數小時或數天釋放它們擁有的強大能量， 雖然在此期間并沒有地震波輻射， 但其有可能是大地震的一種前兆， 因此研究慢地震有著十分重要的意義。 在這個時候， 運用鉆孔應變儀觀測前驅波信號是一個非常必要的觀測手段： 1992 年12 月， LindeAT 等[25]在美國加州西部的San Andreas Fault 斷層通過鉆孔應變儀記錄到持續時間長達一周的慢地震現象[29]；SacksIS 等[26]也通過三臺Sacks-Evertson 鉆孔應變計記錄到了1978 年的伊豆地震之后的一系列慢地震現象。

3.3 地球自由振蕩方面

地球局部受到某種因素的激發時， 地球整體會產生的連續振動， 這種現象叫做地球自由震蕩， 這種振蕩的頻率很低， 振動周期一般為數十秒至數十分鐘， 通常振動亦很微弱， 不過大地震激發的地球長周期自由振蕩往往延續幾天甚至幾個星期才會逐漸消失。 研究地球自由振蕩對大地震的震源機制等有著重要的作用。高精度鉆孔應變觀測儀在這方面同樣具備優勢[27]。 比如2004 年的蘇門答臘地震引發的地球自由振蕩， 邱澤華等[28]在泰安地震臺率先用差應變和體應變兩種鉆孔應變計觀測了這項數據，唐磊等[29]也通過國內多個臺站的TJ 型鉆孔體應變儀獲得了地球球面振蕩數據。

3.4 地震前兆異常信號方面

國內學者在地震前兆異常信號的識別和提取方面， 做出來大量的研究成果。 1976 年中國唐山發生7.8 級大地震， 在此之前陡河和趙各莊的應力監測站觀測到了明顯的垂直于斷裂帶的地應力拉伸脈沖異常， 邱澤華等[30]認為這個異常的信號是與地震有關的地殼運動。 池順良等[31]基于鉆孔應變數據自洽理論， 對四川和云南兩地的監測臺站數據進行分析， 發現在汶川8.0級地震前出現了數據自洽性遭到破壞的現象，這種異常也被認為與地殼活動有關。

邱澤華等[31]提取了四川姑咱臺鉆孔應變數據的短周期信號， 通過利用高通濾波將周期性信號剔除， 發現了與汶川地震相關的前兆信號異常反應， 與唐山地震發現的異常數據相似。劉琦等[33]也在姑咱臺鉆孔應變數據中發現了汶川地震前出現的大量異常數據， 而且這些異常信號還有一個特點， 即異常信號在震前逐漸增多、 震后逐漸消失。 對于汶川地震的前兆異常信號， 文勇等[34]也在后續對青海地區的臺站數據的研究中發現， 這說明大地震前的前兆異常數據不是個例或者偶發現象， 帶有一定的普遍性。

對于其他地震來說， 邱澤華等[35]在姑咱臺鉆孔應變儀記錄數據中， 找到了與2013 年蘆山7.0 級地震相關的顯著異常變化； 史小平等[36]針對2013 年岷縣6.6 級地震分析了臨夏臺鉆孔應變數據， 發現數據在主應力和主方向上顯示出來的變化與地震有很強的相關性； 劉琦、 張晶等[37]對2013 年蘆山7.0 級地震前姑咱臺鉆孔應變數據的分析發現兩個異常， 一是始于2012 年10 月并持續了約4 個月； 另一個是始于蘆山地震前數天， 這兩組異常目前尚無法確定來源，但并不排除與地震相關。

4 體應變儀在“前驅波” 等領域的觀測實例

“前驅波” 的定義是1974 年Kanamori 等[38]最先提出的， 用來解釋1960 年智利MS8.3 地震前十五分鐘出現的周期性的異?，F象。 馮德益等[39]通過對深井水位計、 海洋驗潮儀的一些短臨前兆記錄研究發現， 其與“長周期形變波” 的理論相符合。 楊又陵等[40]研究發現新疆地震臺網曾有多臺數字地震儀同步記錄到了2001 年昆侖山口西的MS8.1 地震“前驅波”。 趙根模等[41]對60 年代以來的地震案例進行了不完全統計， 歸納出來多種地震監測儀器測出了“前驅波”記錄。

在定量分析層面， 王慶良等[42]曾經總結過“前驅波” 的幾個特征： 5 級以上地震前均可觀測到前驅波信號； 前驅波的特征為脈動加粗、震相是低頻S 波； 出現的時間范圍是震前數小時至7 天左右； 傳播距離很遠。

天津市寶坻臺Sacks 體應變儀曾記錄到2008 年汶川8.0 級大地震的體應變地震波[43]；甘肅省山丹地應力臺站也發現明顯的應變前兆異常， 應變波如圖2 所示[44]。

圖2 汶川8.0 級地震前應變前兆異常分布圖Fig.2 Distribution of strain precursor anomalies before the Wenchuan MS8.0 Earthquake（2008.5.10--5.14）

通過對華北地區的臺站數據研究發現， 氣壓是影響鉆孔體應變觀測的關鍵因素之一[13，45]，但氣壓的具體影響原理及途徑， 學術界存在一定的爭議： 張凌空等[46]研究了天津寶坻、 北京東三旗和河北張家口三個臺站于2003 至2006年的數據， 結果顯示3 個臺站體應變隨短周期氣壓增加皆壓性增強， 且基本同步； 但年周期氣壓波層面的影響則沒有一致性規律， 沒有得出統一的結論。

2009 年， 周龍壽等[47]利用多個臺站TJ 式鉆孔體應變儀觀測資料， 分析2004 年澳大利亞麥闊里和印尼蘇門答臘大震前的應變變化， 認為大震前15 天之內不能普遍檢測到“前驅波”。

2013 年， 趙楠等[48]通過用前驅波識別法，對六安臺BBVS 測震與TJ-2 應變記錄震波進行比較， 對比分析了2011 年3 月11 日記錄到遠場日本東海岸9.0 級大地震起始情況和2011 年1 月19 日記錄近場（距150km） 安慶4.8 級強有感地震起始情況， 發現兩個系統在地震發生前記錄的曲線無前驅波特征， 與預設條件不一致。

5 結語

從研究實例上可以看出來， 盡管一些地震前均觀測到了前驅波， 但是， 當前的鉆孔應變觀測結果和實際的地震發生狀況也存在一定的不確定性， 原因有可能是距離、 觀測設備的硬件條件等等， 這些都是未來體應變觀測儀的改進方向： 首先， 應盡可能提高數據采樣效率，這有利于對異常信號的快速捕捉處理； 其次，在山洞形變觀測臺站建設更寬的頻帶測震觀測[49]。同時， 在潛在中強震以上風險地區建設觀測儀器系統監測網（同型號儀器可以保持一致性），對前驅波和對區域震情、 孕震過程、 發震時間開展初步研判。

致謝： 感謝“郯廬斷裂帶北延段（遼寧段） 強震孕育的動力學模型研究” 項目組的支持。