吳利軍，張 波

（1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036；2.河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000）

1 昌平地震臺(tái)臺(tái)站概況

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所昌平地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱昌平臺(tái)）始建于1971年，臺(tái)站坐落在昌平縣北約3km處的十三陵風(fēng)景區(qū)邊緣，位于昌平臥虎山北麓［1］（見圖1）。臺(tái)站地處陰山巨型緯向構(gòu)造帶的南沿，在北東向南口—山前活動(dòng)性斷裂和北西向南口—孫河活動(dòng)性斷裂的交叉部位東側(cè)7.5km處，屬于應(yīng)力—應(yīng)變反應(yīng)敏感區(qū)。臺(tái)基系霧迷山組白云巖，黃土覆蓋層深度5～15m。臺(tái)基巖層走向 NE45°～52°，傾向SE41°～45°，巖層厚度1.0～74.7m。臺(tái)站周圍均被果園包圍，附近無(wú)大量用水的深井，無(wú)大型工業(yè)及無(wú)線電發(fā)射裝置，距十三陵水庫(kù)5km，距110國(guó)道250m，臺(tái)基及觀測(cè)環(huán)境符合觀測(cè)規(guī)范要求。

1987年8月17日，安裝TJ－1A型體應(yīng)變儀并投入試觀測(cè)，1989年7月1日正式觀測(cè)。探頭安裝深度58.18m，儀器靈敏度為10－9／mV。

2 震例研究

2.1 觀測(cè)資料的初步分析

唐九安等［2］利用昌平臺(tái)TJ－1體應(yīng)變儀1969年7月至2000年12月期間的觀測(cè)結(jié)果，分析潮汐響應(yīng)函數(shù)的動(dòng)態(tài)特征及其穩(wěn)定性。由全序列調(diào)和分析結(jié)果所得到的幾個(gè)主波潮汐因子的內(nèi)符合精度接近目前正在使用的洞室應(yīng)變儀器的整體水平。整體上來(lái)說(shuō)，該臺(tái)體應(yīng)變儀的內(nèi)精度和觀測(cè)資料的連續(xù)性、完整性均很好。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料的可靠性如能得到保證，在定量研究地殼應(yīng)力場(chǎng)的變化時(shí)，不用借助復(fù)雜的反演便可直接利用［3］。

圖1 昌平臺(tái)地理位置與地質(zhì)斷層分布Fig.1 Geographic location of Changping Station and fault distribution

體應(yīng)變觀測(cè)普遍存在受氣壓、水位影響的特性［4－12］，因此，氣壓和水位對(duì)體應(yīng)變的影響研究是正確識(shí)別觀測(cè)資料變化的前提。

對(duì)2002—2008年昌平臺(tái)體應(yīng)變、靜水位、氣壓的觀測(cè)資料進(jìn)行初步分析，發(fā)現(xiàn)氣壓年變清晰、規(guī)則，峰值在12月底，谷值在6月底7月初旬。水位呈趨勢(shì)下降，2002—2007年下降約12.6m，速率2.1m／a，2008年8月后轉(zhuǎn)為快速上升，到年底上升了3.6m。年變基本清晰，峰在2月底，谷在11月中旬到12月上旬，在12月前后水位值波動(dòng)較大。2008年，峰提前到2月5日，5月23日至7月7日達(dá)到最小值，之后快速上升。水位與氣壓基本呈負(fù)相關(guān)，有3個(gè)月左右的相位差。體應(yīng)變觀測(cè)值大致分為3個(gè)階段的變化：2002—2005年年變清晰，谷值在3月初，峰值在8月中旬，年變幅大約34×10－9；2006年畸變，1—4月持平緩升，5月加速升到7月底，8月27日后快速降，變幅大約226×10－9，7月中旬至年底日變曲線不規(guī)則，畸變、突跳多；2007—2008年出現(xiàn)年變畸變，表現(xiàn)在轉(zhuǎn)向時(shí)間和幅度上。圖2a是消除固體潮和氣壓影響后的體應(yīng)變曲線，為取2002—2005年為正常年變，計(jì)算體應(yīng)變觀測(cè)的趨勢(shì)項(xiàng)為：

相關(guān)系數(shù)R＝0.73，通過(guò)α＝0.01的F檢驗(yàn)，以此消除長(zhǎng)趨勢(shì)變化，結(jié)果如圖2b所示。

圖2 2002—2008年體應(yīng)變?nèi)站岛腿ペ厔?shì)曲線Fig.2 Daily mean value of body strain from 2002to 2008

根據(jù)彈性力學(xué)可知，鉆孔在垂直方向受到大氣壓的直接作用，在水平方向上則受到側(cè)向圍壓的作用?？紤]到鋼筒、水泥層和鉆孔巖石的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以從理論上推導(dǎo)出大氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響模型［13］。

式中：ε為鉆孔體應(yīng)變；ΔPa為大氣壓增量；b為氣壓影響系數(shù)。上式表明一般情況下體應(yīng)變隨氣壓增大而增大（探頭壓縮），減小而減?。ㄌ筋^膨脹），即正相關(guān)。對(duì)2002—2008年的體應(yīng)變整點(diǎn)值和氣壓整點(diǎn)值做逐日相關(guān)分析，得到每天的相關(guān)系數(shù)值。呈負(fù)相關(guān)的占18.5%，正相關(guān)的占80.5%，按0.1相關(guān)系數(shù)R值進(jìn)行分檔，結(jié)果大于0.9的占3.5%，大于0.8的占22%，大于0.5的占52.5%，表明相關(guān)性很好。（當(dāng)R＝0.5時(shí)，F(xiàn)檢驗(yàn)值為7.33，通過(guò)了α＝0.01的檢驗(yàn)）。由15日的滑動(dòng)曲線看到，每年7月至9月相關(guān)性較差。2006年河北文安地震后，由于體應(yīng)變曲線嚴(yán)重畸變，相關(guān)性差。

2.2 2006年7月4日河北文安5.1級(jí)地震

體應(yīng)變觀測(cè)曲線的正常年變是8月底到次年3月下降。2005年8月16日至11月30日下降。之后轉(zhuǎn)為緩慢上升，與正常年變反向變化，2006年3月23日至7月23日快速上升，期間發(fā)生文安5.1級(jí)地震，8月底開始轉(zhuǎn)為快速下降（見圖2a）。

文安5.1級(jí)地震前異常持續(xù)7個(gè)月，從2005年12月開始，先是4個(gè)月的緩慢反向變化，即壓應(yīng)力緩慢增加，之后是3個(gè)月壓應(yīng)力加速增強(qiáng)。

圖3是2006年4月至7月（見圖3a）、6月15日至7月4日（見圖3b）和7月3日至4日（見圖3c）的體應(yīng)變記錄。在6月15日以前，日變形態(tài)基本正常，期間記錄到3次突降（張性變化），但在6月24日出現(xiàn)明顯的壓性上升變化（震前10天），28日以后形態(tài)畸變，7月3日06點(diǎn)至4日00點(diǎn)又出現(xiàn)一次壓性上升變化，4日00點(diǎn)至09點(diǎn)持平，之后開始下降（張性變化），到地震后快速下降（見圖3c）。

圖3 河北文安5.1級(jí)地震前臨震異常曲線Fig.3 Impending anomaly before Wen’an 5.1earthquake

與氣壓變化的相關(guān)分析是對(duì)比震前25天的記錄。第7頁(yè)圖4a是2006年6月10日至7月4日的體應(yīng)變值、氣壓值，看出，體應(yīng)變值相對(duì)平穩(wěn)，氣壓值出現(xiàn)幾次劇烈波動(dòng)，體應(yīng)變值未隨氣壓值而變，但體應(yīng)變值出現(xiàn)加速變化時(shí)，氣壓值也未出現(xiàn)大的變化。圖4b是同時(shí)段體應(yīng)變與氣壓日相關(guān)系數(shù)，以正相關(guān)為主，有一半時(shí)間R值大于0.5，表明體應(yīng)變與氣壓的日變存在較好的相關(guān)性，但體應(yīng)變出現(xiàn)較大壓性變化的時(shí)段R值均較差。分析認(rèn)為，6月24日至7月4日體應(yīng)變記錄的異常較可靠。

圖4 河北文安5.1級(jí)地震前體應(yīng)變、氣壓觀測(cè)值和相關(guān)系數(shù)Fig.4 Observation values of body strain－barometric pressure before Wen’an 5.1earthquake and the correlation coefficient

2.3 2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)地震

2005年12月以后，體應(yīng)變的整體年變形態(tài)被打破，在文安5.1級(jí)地震后，體應(yīng)變值出現(xiàn)兩種變化：仍快速上升到7月底，在高位波動(dòng)持平1個(gè)月（8月底）后，轉(zhuǎn)為下降，快速下降到2007年1月底，速率達(dá)1.410 4×10－9／d，約是正常時(shí)段的10倍；日變曲線上疊加大量的張性突變，持續(xù)到12月，開始幅度大，后逐漸減小，2007年1月消失。

若將2006年8月到2007年1月的快速下降視為5.1級(jí)地震的震后恢復(fù)，則2 0 0 7年3月1 0日到6月10日恢復(fù)上升變化，速率比正常年快50%，之后轉(zhuǎn)為緩慢上升，到9月23日轉(zhuǎn)為下降，速率恢復(fù)正常，直到2008年4月20日，年變形態(tài)基本正常（見圖5）。

對(duì)2007—2008年氣壓、水位、體應(yīng)變觀測(cè)曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)體應(yīng)變與水位的關(guān)系長(zhǎng)期呈負(fù)相關(guān)，短期變化不相關(guān)。從年變角度看，氣壓年變形態(tài)規(guī)則，與體應(yīng)變大致呈負(fù)相關(guān)，而2008年4月至9月體應(yīng)變的變化與氣壓無(wú)關(guān)。從短期看，氣壓與體應(yīng)變的日變主要呈正相關(guān)。2008年4月18日至5月8日，起伏變化相關(guān)明顯，除與氣壓變化相關(guān)外，體應(yīng)變值明顯偏離正常年變。

對(duì)分鐘值進(jìn)行低通濾波，提取臨震前的變化。利用EIS2000軟件中的濾波功能，分別取窗長(zhǎng)為31和128，周期取5，對(duì)分鐘值進(jìn)行低通濾波，分析殘留的高頻成分，提取異常信息。圖6是2007年7月至2008年5月的計(jì)算結(jié)果，兩組結(jié)果基本一致。2007年7月至2008年3月濾波殘差值在（0.34±0.07）×10－9，個(gè)別高值主要是記錄地震波引起的，從2008年4月20日開始，高值開始增多，并且連續(xù)出現(xiàn)，反應(yīng)在觀測(cè)曲線的不規(guī)則變化。分析認(rèn)為，震前短臨異常較為可靠。

圖5 四川汶川8.0級(jí)地震前后體應(yīng)變觀測(cè)與正常年變的對(duì)比Fig.5 Contrast of body strain observation and normal annual variation before and after Wenchuan 8.0earthquake

圖6 2007年7月至2008年5月低通濾波殘差Fig.6 Low－pass filtered residual from July 2007to May 2008

3 結(jié)論與討論

（1）河北文安5.1級(jí)地震震前短臨異常的主要特征是壓應(yīng)力持續(xù)增強(qiáng)的過(guò)程，地震前異常持續(xù)7個(gè)月。從2005年12月開始，先是4個(gè)月的壓應(yīng)力緩慢增加，之后是3個(gè)月加速增強(qiáng)，震前10天進(jìn)一步增強(qiáng)。張性、壓性畸變頻繁出現(xiàn)，臨震前14小時(shí)維持—緩慢釋放—地震大釋放。

（2）四川汶川8.0級(jí)地震震前短臨異常的主要特征是震前20多天記錄中疊加大量的高頻信息。2007年4月至9月形態(tài)異常，主要呈現(xiàn)張性變化，2008年4月20日至5月12日震前的形態(tài)異常，也屬于張性變化。

鉆孔應(yīng)變、應(yīng)力短臨異常是孕震系統(tǒng)進(jìn)入臨近破裂狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的動(dòng)態(tài)變化，這種異常具有明顯的脈沖性、間歇性［3］。對(duì)于震前出現(xiàn)的壓性和張性突變，是由于震源體受力是多方向的，引起應(yīng)力場(chǎng)變化的不同力的大小和方向并不是恒定的，此消彼長(zhǎng)，不同方向力的增加和抵消的相互作用使應(yīng)變值在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)張性、壓性突變現(xiàn)象。震前出現(xiàn)的固體潮畸變現(xiàn)象是震源區(qū)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)失衡的直接表現(xiàn)，畸變持續(xù)時(shí)間反映了應(yīng)力加速積累的時(shí)間。在固體潮畸變過(guò)程中，張性和壓性突變是震源區(qū)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)失衡過(guò)程中，巖石由蠕變到塑變階段表現(xiàn)在體應(yīng)變觀測(cè)值上的顯著異常特征反映。因此，在對(duì)氣壓、水位等干擾因素分析的基礎(chǔ)上，體應(yīng)變觀測(cè)出現(xiàn)應(yīng)變固體潮畸變，并在畸變過(guò)程中連續(xù)多次出現(xiàn)張性、壓性突變和高頻成分增多等異?，F(xiàn)象，可作為地震短臨預(yù)測(cè)的指標(biāo)。

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