貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測長期變化分析

李 鵬，王 琳，方 相，李德友，陳國江

（1. 貴州省地震局，貴州 貴陽 550018；2. 營口地震臺，遼寧 營口 115101）

0 引言

鉆孔應(yīng)變觀測是獲取構(gòu)造活動異常變化信息，進行地球物理研究、地震預(yù)測預(yù)報的有效途徑。2007 年貴陽地震監(jiān)測中心站安裝了鉆孔應(yīng)變觀測設(shè)備。設(shè)備安裝后，儀器運行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，噪聲水平低，內(nèi)精度高。至今已積累10 多年的寶貴資料。分析貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變的長期變化情況及特征，探討僅有的幾個震例前是否存在異常，便于對貴陽地震監(jiān)測中心站乃至于貴州省內(nèi)其它地區(qū)開展地震地形變長期觀測及震前異常現(xiàn)象分析研究提供借鑒，同時可用于對不同構(gòu)造地震活動背景下區(qū)域形變觀測對比分析提供有效的參考資料。

1 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測基本情況

貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測位于貴州省貴陽市北部，貴陽地震中心站院內(nèi)，臺基為第三紀白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，屬三迭系地層，臺址位于貴陽向斜的北東翼，其南面有一斷層。因貴陽及周邊區(qū)域歷史地震活動相對較弱，有記載以來周邊地區(qū)最大地震為1819 年9 月14 日發(fā)生在貴定縣的M6.0地震，距離貴陽市約80公里。所以，貴陽地震監(jiān)測中心站地球物理觀測資料具有全國“背景場”的特殊地位。

貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測井始建于2007年，井深47 m，開口孔徑150 mm，終孔孔徑130 mm，鉆孔巖芯為灰白色中風(fēng)化白云巖，套管下到井下35 m 處，儀器探頭安裝在井下39 m 巖芯較完整處，儀器安裝時井下最高水位距井口3 m，儀器為YRY-4 型分量式鉆孔應(yīng)變儀，于2007年11月4日正式開始觀測記錄。

YRY-4 型分量式鉆孔應(yīng)變儀是中國地震局地震研究所和鶴壁市防震技術(shù)研究所共同研制的張量式應(yīng)變儀器，可同時測量體積和形狀應(yīng)變，能清楚觀測到地殼的應(yīng)變本底固體潮及應(yīng)變地震波，可進行遠程運行維護管理。儀器測量探頭為長圓筒徑向位移式儀器，由兩兩垂直、呈米字型四等分布置的四組徑向測微傳感器組成，測量輸出“北—南”、“北東—西南”、“東—西”、“北西—東南”四方向四路數(shù)據(jù)，以及“氣壓”、“水位”兩路輔助觀測數(shù)據(jù)，共六路觀測數(shù)據(jù)。其測值不但可以測定地應(yīng)變量，還能通過兩兩相關(guān)關(guān)系進行可靠性自檢。儀器規(guī)定傳感器受壓輸出電信號向負方向變化，受張力則向正方向變化。

貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變儀自安裝以來運行穩(wěn)定，運行率保持在99%以上，測量精度高，相對噪聲水平低，面應(yīng)變較正后相關(guān)系數(shù)高達0.99（表1、表2），能有效觀測記錄地球應(yīng)變固體潮、地震同震應(yīng)變波和地應(yīng)變變化情況。

表1 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測內(nèi)精度一覽表

表2 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)相對噪聲一覽表

2 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測長期變化情況

貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測在儀器安裝首年即2008 年觀測數(shù)據(jù)曲線呈緩慢張性趨勢變化（以北南分量為例），儀器運行較不穩(wěn)定，經(jīng)過一年的儀器自適應(yīng)和調(diào)整后，該套儀器（傳感器）與站點地下巖層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)完全耦合，達到共生變化狀態(tài)，2009—2018 年數(shù)據(jù)曲線轉(zhuǎn)為緩慢下降趨勢變化，數(shù)據(jù)曲線變化總體穩(wěn)定（圖1），變化幅度不大，但短時幅度和趨勢在不同年份又有具體的不同特點，其中2012—2014 年度整體變化幅度較大，觀測曲線年內(nèi)多次出現(xiàn)起伏—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)的過程（圖2）。貴陽站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)長期穩(wěn)定變化，表明貴陽及周邊區(qū)域地應(yīng)力活動水平較弱，真實反映了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變活動的基本情況和地震活動水平，具備區(qū)域形變資料對比觀測研究的背景場作用。

圖1 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)北南分量日均值曲線圖（2008—2018年）Fig.1 Daily mean value curve of borehole strain observation datafromGuiyangEarthquakeMonitoringCenter（2008—2018）

圖2 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)北南分量日均值曲線圖（分年度繪圖）Fig.2 Daily mean value curve of borehole strain observation data from Guiyang Geoseismic Monitoring Central Station（plotted by year）

3 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測異常分析

3.1 去線性趨勢分析

將貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變原始觀測數(shù)據(jù)曲線進行線性擬合，整體上可擬合為一條下降的直線（圖3 虛線），其線性速率平穩(wěn)，改變不大。

圖3 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)北南分量擬合直線和去趨勢曲線圖Fig.3 Fitting lines and detrending curves of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

該數(shù)據(jù)經(jīng)過去線性趨勢處理后，展示出來剩余的非線性動態(tài)信息速率發(fā)生過4 次轉(zhuǎn)折變化，具體表現(xiàn)為張性—平穩(wěn)—張性—壓性—壓性形態(tài)，其趨勢在第3 次速率改變時發(fā)生轉(zhuǎn)折。分析期內(nèi)貴州省內(nèi)共發(fā)生M4.7 以上破壞性地震3 次（表3），第1 次威寧M4.7 地震發(fā)生在速率轉(zhuǎn)折時間點附近，后面兩次云貴交界云南彝良M5.7和劍河M5.5地震均發(fā)生在趨勢轉(zhuǎn)折變化后1.5年內(nèi)（圖3）。說明貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)曲線的趨勢轉(zhuǎn)折變化對區(qū)域中強以上地震的孕育發(fā)生具有一定的指示意義。

表3 貴州省中強地震目錄（2008—2018年）

3.2 差分分析

通過對貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變北南分量數(shù)據(jù)進行差分分析，如圖4 所示，差分分析結(jié)果圖的主軸表現(xiàn)為一條近似水平線，說明該數(shù)據(jù)呈線性平穩(wěn)變化，如果以數(shù)據(jù)的2 倍均方差為閾值，數(shù)據(jù)出現(xiàn)4 次明顯超閾值突跳（尖峰）。結(jié)合貴州區(qū)域的震例分析，除第4 次外，這一時期內(nèi)貴州3 次M4.7 以上地震均發(fā)生在尖峰突跳后12 個月內(nèi)。說明貴陽站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)日變化差分值出現(xiàn)較大幅度變化后，貴州區(qū)域有發(fā)生4 級以上地震的可能。由于震例較少，震前效應(yīng)不突出，并不是所有數(shù)據(jù)突跳或尖峰后都有中強以上地震發(fā)生。

圖4 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)北南分量原始曲線和差分數(shù)據(jù)圖Fig.4 Original curves and difference data of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

3.3 潮汐因子分析

通過潮汐因子變化分析可以有效的提取鉆孔觀測資料的有效地震異常信息。貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)M2波潮汐因子變化以曲線首段波動為基準（圖5），其變化趨勢大致呈現(xiàn)壓性—張性—壓性3個時段。第1時段出現(xiàn)超2 倍均方差尖峰1 個，第2 時段無尖峰，第3 時段尖峰超過10 個，對應(yīng)現(xiàn)有震例，分析這一時期內(nèi)貴州區(qū)域3 次M4.7 以上地震均發(fā)生在尖峰出現(xiàn)后12 個月內(nèi)，當然并非所有尖峰結(jié)束后都有中強以上地震發(fā)生。

圖5 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)北南分量M2波和01波潮汐因子變化圖Fig.5 Tidal factor variation of M2 wave and 01 wave in the borehole strain observation data of Guiyang Seismic Monitoring Central Station

應(yīng)變01 波潮汐因子變化圖仍以首段波動為基準，趨勢變化大致為壓性—張性—壓性—張性的趨勢過程。其中第1段出現(xiàn)超2倍均方差尖峰2 個，第2 段3 個，第3 段1 個，第4 段2 個。研究期內(nèi)貴州中強地震均發(fā)生在尖峰附近，其中前2 次地震均發(fā)生在尖峰出現(xiàn)12 個月內(nèi)，第3次地震則發(fā)生在尖峰出現(xiàn)前的3個月內(nèi)，也并非全部尖峰附近都有中強以上地震發(fā)生。

通過分析貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)潮汐因子變化曲線，結(jié)果表明：M2波和01 波圖形尖峰及轉(zhuǎn)折變化有各自的特點，貴州省內(nèi)中強地震與尖峰出現(xiàn)有一定的關(guān)系，顯著尖峰后有發(fā)生地震的可能。由于歷史震例較少，未能明確尖峰的數(shù)量、幅度及轉(zhuǎn)折變化與地震時間及地震大小之間的關(guān)系。

3.4 年頻段和其他頻段歸一化平均幅度分析

貴陽地震監(jiān)測中心站年頻段歸一化平均幅度曲線經(jīng)歷了壓性—張性—壓性—張性四段變化過程（圖6），同期貴州省內(nèi)3 次中強地震均位于0 值幅度水平線和年頻段歸一化平均幅度曲線的交點附近，即每一個趨勢段的中部或轉(zhuǎn)折點附近。

圖6 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)北南分量年頻段和其他頻段歸一化平均幅度圖Fig.6 Normalized average amplitude of annual frequency band and other frequency band of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

其他頻段歸一化平均幅度曲線則區(qū)別較大，在2012 年、2013 年、2014 年的5 月份前后均出現(xiàn)超2倍均方差閥值顯著突跳，同期貴州區(qū)域3次中強以上地震均發(fā)生在向上突跳結(jié)束后的三個月內(nèi)，2 次M5.0 以上地震則發(fā)生在顯著超閥值突跳后，此異常變化對地震的指示意義非常明顯。

相比較而言，貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變其他頻段歸一化平均幅度曲線更利于異常的判斷和提取。當然，我們也必須清醒地認識到，不是所有的曲線突跳變化后都有地震對應(yīng)。

3.5 矢量變化分析

圖7 是貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變北南—東西和北南—北東分量從2008 至2018 年11 年間的矢量變化情況。北南—東西向矢量圖2008 年1 月從起點向北東方向變化，2009 年1月起發(fā)生約180度轉(zhuǎn)折，矢量向東南持續(xù)了7個月之后，8 月23 日轉(zhuǎn)為朝南西方向加速變化，一個月后發(fā)生2009 年威寧M4.7 地震。此后至2018 年均大體保持同方向變化，其間穿插幾次幅度不大的轉(zhuǎn)折—恢復(fù)過程。在2012 年滇黔交界M5.9 地震前矢量圖再次發(fā)生小幅度轉(zhuǎn)折，2015年劍河M5.5地震發(fā)生前后矢量圖上均出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，之后恢復(fù)正常趨勢變化，至2018 年除2 次非常小幅度轉(zhuǎn)折變化外，未見其它明顯異常情況。從北南—北東向矢量圖可以看出，2009 年威寧M4.7 地震、2012 年滇黔交界M5.9地震、2015年劍河M5.5地震三次地震前的矢量圖中均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，轉(zhuǎn)折幅度有明顯差異，其中劍河地震前最為明顯，震前出現(xiàn)明顯180度轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折后發(fā)生M5.5 地震。矢量圖表明研究期內(nèi)貴州3 次中強以上地震活動均發(fā)生在矢量圖轉(zhuǎn)折后，但不是每次轉(zhuǎn)折發(fā)生后均有地震對應(yīng)，且矢量圖曲線轉(zhuǎn)折幅度與地震大小、震中距，應(yīng)變矢量方向與臺站和震中位置無法建立對應(yīng)關(guān)系。

圖7 貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)北南—東西和北南—北東向矢量圖Fig.7 NS-EW and NS-NE vector diagrams of borehole strain data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

4 結(jié)論

（1）貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測已連續(xù)觀測十余年，儀器運行穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)內(nèi)精度高。觀測曲線呈逐年下降平穩(wěn)趨勢變化，變化幅度不大，表明貴陽及周邊區(qū)域地應(yīng)力活動水平一般，強度不高，與區(qū)域地震活動水平相呼應(yīng)。

（2）2008—2018年貴州省內(nèi)共發(fā)生M3.0以上地震43 次，其中M4.7 以上地震3 次，地震活動整體呈現(xiàn)西部強，中部較弱，東部弱的特點。但2015年貴州劍河M5.5地震發(fā)生在非歷史地震活躍區(qū)或者說該地震震級突破該地區(qū)歷史記錄。

（3）通過對貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)去趨勢、差分、潮汐因子等分析結(jié)果顯示，2008—2018 年11 年間貴州省內(nèi)M4.7 以上中強地震活動前數(shù)月內(nèi)，貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)曲線轉(zhuǎn)折、尖峰突跳等異常現(xiàn)象。其中，曲線趨勢轉(zhuǎn)折、差分尖峰等變化對地震預(yù)報分析具有一定的指示意義。同時，需要注意的是并非所有異常現(xiàn)象之后都有中強以上地震活動對應(yīng)。

（4）應(yīng)持續(xù)跟蹤關(guān)注貴陽地震監(jiān)測中心站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)曲線變化、異常情況，爭取長期穩(wěn)定連續(xù)觀測，獲取可靠觀測數(shù)據(jù)，利用更多可能震例開展異常跟蹤研究。

（5）在條件允許情況下，應(yīng)對貴州省內(nèi)重點區(qū)域，斷裂帶附近，布設(shè)更多形變觀測站點形成條帶，加強貴州地球物理觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，獲取更多有價值地震研究資料。