李玉麗 李啟雷 孫春玲 楊青春 楊曉霞

（中國(guó)西寧810001青海省地震局）

青海鉆孔應(yīng)變強(qiáng)震前異常特征分析

李玉麗 李啟雷 孫春玲 楊青春 楊曉霞

（中國(guó)西寧810001青海省地震局）

選取2007年以來(lái)青海省6套YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)資料，采用非潮汐和潮汐分析方法，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行分析處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①格爾木地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變曲線顯示中短期速率異常，而德令哈地震臺(tái)則顯示超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常；②樂(lè)都地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變振幅因子顯示突跳型異常，且異常時(shí)間短，而潮汐因子表現(xiàn)為下降—恢復(fù)型異常。

鉆孔應(yīng)變；差應(yīng)變；振幅因子；潮汐因子

0 引言

20世紀(jì)60年代中期，中國(guó)開(kāi)展鉆孔方法觀測(cè)地殼應(yīng)變變化。近年來(lái)，許多專家對(duì)鉆孔應(yīng)變非潮汐和潮汐參量異常變化進(jìn)行研究，如：?jiǎn)套釉频龋?001）提出應(yīng)變潮汐因子變化曲線的異常特征較明顯，異常信度較高，對(duì)應(yīng)地震效果較好；沈旭章等（2004）從非潮汐和潮汐方面研究蘭州水管傾斜儀觀測(cè)資料，認(rèn)為在捕捉鄰區(qū)中強(qiáng)地震異常過(guò)程中，潮汐因子是一個(gè)良好指標(biāo)；楊又陵等（2009）選取烏什地震臺(tái)石英傾斜儀觀測(cè)資料，通過(guò)震例研究表明，周圍地區(qū)6級(jí)以上地震前，可能記錄到由局部地殼形變異常而引起的潮汐參量異常變化。2006—2007年青海省在格爾木、德令哈、門(mén)源、湟源、樂(lè)都和玉樹(shù)地震臺(tái)架設(shè)6套YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀，監(jiān)測(cè)地殼應(yīng)變變化。自鉆孔應(yīng)變儀投入觀測(cè)以來(lái)，觀測(cè)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)連續(xù)、真實(shí)可靠。文中利用非潮汐和潮汐分析方法，對(duì)青海地區(qū)鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究資料異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 資料可靠性分析

YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀是21世紀(jì)初中國(guó)自主研發(fā)的儀器，具有靈敏度高、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)。該設(shè)備屬長(zhǎng)圓筒徑向位移式儀器，4個(gè)電容式徑向位移傳感器互成45°夾角，呈米字型布置。從徑向測(cè)微傳感器輸出信號(hào)中，可獲得完整的平面應(yīng)變?nèi)至浚鎽?yīng)變、差應(yīng)變、主應(yīng)力方向），并有一個(gè)冗余分量，具有檢驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)性的自檢功能，自檢條件為：S1+S3≌S2+S（4S表示分量值）。該性能對(duì)地震分析預(yù)報(bào)工作具有重要意義（池順良等，2009；李玉麗等，2014）。

選取格爾木、德令哈、湟源、樂(lè)都、玉樹(shù)地震臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變儀（門(mén)源地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀一個(gè)分量出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法自檢）2007年7月至2014年12月整點(diǎn)值數(shù)據(jù)，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，并與2011年整點(diǎn)值數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)做對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，德令哈地震臺(tái)相關(guān)系數(shù)略低，其余臺(tái)站相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，說(shuō)明S1+S3和S2+S4數(shù)據(jù)相關(guān)性顯著且相似性較高，表明5個(gè)地震臺(tái)的鉆孔應(yīng)變資料滿足自檢條件，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。因此，其差應(yīng)變數(shù)據(jù)應(yīng)能準(zhǔn)確反映所在地塊的受力狀態(tài)（李滔等，2010）。

表1 各臺(tái)S1+S3和S2+S4相關(guān)系數(shù)rTable 1 The correlation coeeffcient betweenS1+S3andS2+S4of each station

2 非潮汐分析

非潮汐分析是利用原始曲線過(guò)濾潮汐和線性漂移部分，對(duì)剩余殘差進(jìn)行分析的方法?？梢圆捎镁?、別爾采夫?yàn)V波和組合濾波等分析方法，對(duì)鉆孔式應(yīng)變儀記錄的應(yīng)變固體潮整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行非潮汐變化分析。

分量鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)數(shù)據(jù)可以分解為面應(yīng)變和差應(yīng)變。面應(yīng)變來(lái)自兩路互相垂直的徑向位移之和，剪應(yīng)變來(lái)自兩路垂直的徑向位移之差。差應(yīng)變數(shù)據(jù)可以做到不受測(cè)長(zhǎng)基準(zhǔn)桿自身長(zhǎng)度變化造成的漂移和探頭處地層溫度變化引起的漂移影響（池順良等，2009），可以更好地反映地殼應(yīng)力場(chǎng)變化，有利于地震前兆異常分析。在此以格爾木和德令哈地震臺(tái)2007—2014年觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析地震異常變化。

2.1 格爾木鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變分析

格爾木鉆孔應(yīng)變儀2006年9月架設(shè)，儀器架設(shè)在格爾木市西南約25 km的南山口戈壁灘，臺(tái)基為花崗巖，測(cè)點(diǎn)緊鄰昆侖山，基本無(wú)人為干擾，除氣象因素干擾外，無(wú)明顯環(huán)境干擾。圖1為格爾木鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變曲線日均值曲線，由圖可知：①2008年四川汶川8.0級(jí)地震前1—7個(gè)月，即2007年11月至2008年5月，差應(yīng)變具有快速異常變化，且在快速變化過(guò)程中發(fā)震，震后曲線持續(xù)快速變化，表現(xiàn)為中短期前兆異常；②2008年青海海西6.3級(jí)地震前存在顯著中短期前兆異常，震前1—12個(gè)月，即2007年11月至2008年11月，差應(yīng)變快速變化，2008年9月至發(fā)震，變化速率減緩，但仍在持續(xù)變化，震后異常持續(xù)；③2009年青海海西6.4級(jí)地震（與2008年海西地震震中較近）前存在顯著中期前兆異常，震前1—23個(gè)月，即2007年11月至2009年9月，差應(yīng)變逐漸快速變化，異常持續(xù)23個(gè)月，在曲線快速變化過(guò)程中發(fā)震，震后異常結(jié)束，曲線平穩(wěn)；④2010年青海玉樹(shù)7.1級(jí)地震、2013年四川蘆山7.0級(jí)地震前無(wú)明顯異常。

圖1 格爾木鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變曲線(a)S1—S3差應(yīng)變； (b)S2—S4差應(yīng)變Fig.1 The differential strain curve of borehole strain at Golumd Seismic Station

2.2 德令哈鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變擬合殘差

選取2007—2014年德令哈鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料，進(jìn)行差應(yīng)變擬合殘差分析。德令哈鉆孔應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)距離2008年海西6.3級(jí)、2009年海西6.4級(jí)地震震中約135 km，距離大柴旦—宗務(wù)隆山斷裂不足20 km，對(duì)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)趨勢(shì)變化分析，發(fā)現(xiàn)震后存在明顯趨勢(shì)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

利用一般多項(xiàng)式分段曲線，擬合該時(shí)段德令哈鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變變化趨勢(shì)，去除趨勢(shì)后得到差應(yīng)變與擬合曲線的殘差曲線，見(jiàn)圖2。以2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為控制線，發(fā)現(xiàn)：①2008年汶川8.0級(jí)地震前1—8個(gè)月，S1—S3和S2—S4的殘差均有超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常，在數(shù)據(jù)無(wú)超差時(shí)發(fā)震，震后數(shù)據(jù)超差；②2008年青海海西6.3級(jí)地震前3—6個(gè)月，S1—S3和S2—S4的殘差均有超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常，震時(shí)、震后無(wú)超差數(shù)據(jù)；③2009年青海海西6.4級(jí)地震前3—8個(gè)月，S1—S3和S2—S4的殘差均有超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常，震時(shí)、震后無(wú)超差數(shù)據(jù)；④2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震前1個(gè)月，S1—S3的殘差有超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常，發(fā)震時(shí)數(shù)據(jù)超差，S2—S4的殘差無(wú)超差異常；⑤2013年蘆山7.0級(jí)地震前，S1—S3和S2—S4的殘差無(wú)超差異常。

圖2 德令哈鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變殘差曲線(a)S1—S3差應(yīng)變殘差； (b)S2—S4差應(yīng)變殘差Fig.2 The residual strain curve of borehole strain at Delingha Seismic Station

3 潮汐分析

Nakai擬合檢驗(yàn)方法是潮汐分析中經(jīng)常使用的、有效的預(yù)處理和資料檢驗(yàn)方法，直接反映觀測(cè)值日變的準(zhǔn)確性（趙小賀等，2014）。應(yīng)用Nakai擬合模型，對(duì)鉆孔式應(yīng)變儀記錄的線應(yīng)變固體潮分量整點(diǎn)值進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，求取線應(yīng)變固體潮觀測(cè)的振幅因子、時(shí)間滯后等參數(shù)。固體潮潮汐因子是表征觀測(cè)場(chǎng)地的介質(zhì)彈性參數(shù)，反映地殼機(jī)制的物性變化。潮汐因子分析方法的物理意義清晰，異常容易識(shí)別，是當(dāng)前地震預(yù)報(bào)形變領(lǐng)域重要方法（韓勝等，2012）。在此以樂(lè)都地震臺(tái)2007—2014年鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，采用Nakai擬合檢驗(yàn)方法，分析固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)振幅因子及潮汐因子曲線，揭示地震與異常的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1 振幅因子

Nakai擬合振幅因子變化曲線的異常形態(tài)為突跳型（上升突跳和下降突跳），異常持續(xù)時(shí)間較短，一般為幾天到十幾天（喬子云等，2001）。

以3倍標(biāo)準(zhǔn)差為控制線，消除缺數(shù)影響后，樂(lè)都鉆孔應(yīng)變振幅因子變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：①2008年汶川8.0級(jí)地震：NS分量于震前5天至8個(gè)月，即2007年9月28日、10月26日產(chǎn)生下降突跳異常、2008年5月9日發(fā)生上升突跳異常變化，3次異常均持續(xù)1天；EW分量于2007年9月6日產(chǎn)生下降突跳異常，異常持續(xù)1天，震時(shí)無(wú)明顯異常，震后5月29日有上升突跳異常；②2008年海西6.3級(jí)地震： NS分量震前無(wú)無(wú)突跳異常，EW分量在震前6個(gè)月，2008年5月29日發(fā)生上升突跳異常變化，持續(xù)1天；③2009年海西地震： NS分量于震前4個(gè)月，4月15日產(chǎn)生上升突跳異常； EW分量于震前2個(gè)月，2009年6月1日產(chǎn)生上升突跳異常，持續(xù)1天；④2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震： NS分量于震前8天至6個(gè)月，2009年10月28日產(chǎn)生下降突跳異常、2010年2月21日及4月6日產(chǎn)生上升突跳異常； EW分量于震前3個(gè)月，2009年12月30日產(chǎn)生下降突跳異常，持續(xù)1天；⑤2013年蘆山7.0級(jí)地震： NS分量于震前1個(gè)多月，2013年3月27日、28日產(chǎn)生上升突跳異常； EW分量于震前3個(gè)月，2013年1月5日產(chǎn)生下降突跳異常、3月25日產(chǎn)生上升突跳異常，各持續(xù)1天。

由圖3可知，NS、EW分量在同一地震前異常形式不盡相同，主要表現(xiàn)為：2009年海西地震、2013年蘆山地震前兩分量振幅因子曲線異常類型相同，2008年海西地震、2010年玉樹(shù)地震前異常類型不同；多數(shù)地震前半年內(nèi)，樂(lè)都鉆孔應(yīng)變振幅因子的變化曲線表現(xiàn)為突跳型異常，地震多發(fā)生在異常結(jié)束后振幅因子不超差時(shí)段內(nèi)，多數(shù)地震震時(shí)無(wú)突跳異?，F(xiàn)象。

圖3 樂(lè)都鉆孔應(yīng)變振幅因子曲線(a) NS分量振幅因子； (b) EW分量振幅因子Fig.3 The amplitude factor curve of borehole strain at Ledu Seismic Station

3.2 潮汐因子

應(yīng)變（M2波）潮汐因子變化曲線的異常形態(tài)為上升—恢復(fù)型和下降—恢復(fù)型，異常持續(xù)時(shí)間較短，一般為一個(gè)月到幾個(gè)月（喬子云等，2001）。消除數(shù)據(jù)缺記影響后樂(lè)都鉆孔應(yīng)變M2波潮汐因子變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)：NS、EW分量2008年汶川8.0級(jí)地震、海西6.4級(jí)地震、2009年海西6.3級(jí)地震和2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震前半年內(nèi)均表現(xiàn)為下降—恢復(fù)型異常，異常大多持續(xù)1個(gè)月，地震多發(fā)生在異常結(jié)束后潮汐因子平穩(wěn)階段；2009年海西6.3級(jí)地震同震下降比較明顯，2008年汶川8.0級(jí)和2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震有明顯震后響應(yīng)，潮汐因子震后下降；2013年蘆山7.0級(jí)地震前無(wú)明顯異常，但有明顯同震反應(yīng)。

圖4 樂(lè)都鉆孔應(yīng)變M2波潮汐因子變化曲線Fig.4 The M2wave tidal factor curve of borehole strain at Ledu Seismic Station

4 結(jié)論

綜上所述，得出以下結(jié)論：①對(duì)于格爾木鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變曲線，2008年青海海西6.3級(jí)地震前存在顯著中短期前兆異常，2007年11月至2008年9月呈快速變化狀態(tài)；德令哈鉆孔應(yīng)變長(zhǎng)趨勢(shì)資料在震后存在明顯趨勢(shì)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象；②對(duì)于德令哈鉆孔應(yīng)變差應(yīng)變殘差曲線，汶川、海西地震前，S1—S3和S2—S4的殘差曲線均有超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常，而玉樹(shù)地震前，S1—S3的殘差曲線有超2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常，S2—S4的殘差曲線無(wú)異常；③對(duì)于樂(lè)都鉆孔應(yīng)變NS、EW分量振幅因子曲線，幾次強(qiáng)震前均有異常，兩分量同一地震前異常形式不盡相同，其中2009年海西地震、2013年蘆山地震前均有上升突跳異常，2008年海西地震、2010年玉樹(shù)地震前異常形式不同；④對(duì)于樂(lè)都鉆孔應(yīng)變NS、EW分量M2波潮汐因子變化曲線，2次海西地震和2010年玉樹(shù)地震震前半年內(nèi)均有下降—恢復(fù)型異常，2009年海西地震同震下降，2008年汶川和2010年玉樹(shù)地震震后下降。

曹喜，董海龍，張彩艷，等.嘉峪關(guān)水管傾斜儀觀測(cè)資料映震能力分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2014，35（3/4）：174-177.

陳立德，等.常規(guī)綜合分析預(yù)報(bào)工作程序和技術(shù)規(guī)范//地震預(yù)報(bào)方法實(shí)用化研究文集≈綜合預(yù)報(bào)專輯[M].北京：地震出版社，1991.

池順良，池毅，鄧濤，廖成旺，等.從5.12汶川地震前后分量應(yīng)變儀觀測(cè)到的應(yīng)變異?？唇ㄔO(shè)密集應(yīng)變觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的必要性[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài)，2009，（1）：1-13.

韓勝，李成柱，蘇燕紅，高振強(qiáng).2010年山西大同陽(yáng)高4.5級(jí)地震前形變潮汐因子異常特征分析[J].山西地震，2012，（2）：21-23.

喬子云，陳建國(guó).應(yīng)變固體潮Nakai擬合檢驗(yàn)及潮汐變化的映震效果[J].地震，2001，21（3）：85-90.

李玉麗，安黎霞，李啟雷，等.格爾木地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變映震性能研究[J].地震研究，2014，37（Z1）：83-87.

李滔，丁寧霞，孫麗，等.西寧地震臺(tái)地磁數(shù)字化與模擬記錄對(duì)比分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2010，31（5）：73-78.

沈旭章，常千軍，梅秀蘋(píng).蘭州形變臺(tái)水管傾斜儀映震能力的分析研究[J].西北地震學(xué)報(bào)，2004，26（4）：368-370.

楊紹富，徐長(zhǎng)銀.鐵門(mén)關(guān)應(yīng)變記錄地震及其固體潮畸變特征[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2014，35（1/2）：188-192.

楊又陵，唐九安.烏什地震臺(tái)傾斜固體潮觀測(cè)與震兆異常[J].西北地震學(xué)報(bào)，2009，31（3）：242-247.

趙小賀，李希亮，于慶民，等.洞體形變觀測(cè)的潮汐參數(shù)及穩(wěn)定性研究[J].地震地磁觀測(cè)與研究，2014，35（1/2）：193-197.

Analysis on the anomalous characters of the borehole strain before strong earthquake in Qinghai Province

Li Yuli，Li Qilei，Sun Chunling，Yang Qingchun and Yang Xiaoxia
(Earthquake Administration of Qingai Province,Xining810001,China)

The observation data recorded by the six sets of YRY-4 component borehole strainmeter in Qinghai Province were selected since 2007.Non tidal and tidal analysis method was used to analyze the data.The results showed that:① There were medium term rate anomaly in shear stain curve of the borehole strain meter at Golumd; The shear strain curve of the borehole strain at Delingha showed anomalies that more than 2 times of the standard deviation.② There were breakaway anomalies on amplitude factor curve of the borehole strain meter at Ledu Seismic Station, in very short period, and there were downward-recovery type anomalies in tide factor curve of the borehole strain meter at Ledu Seismic Station.

borehole strain meter，shear strain，amplitude factor，tidal factor

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.014

李玉麗（1981—），女，山東臨邑人，工程師，主要從事前兆觀測(cè)與資料分析工作。E-mail：282000724@qq.com

中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、科研三結(jié)合課題（編號(hào)：152903）

簡(jiǎn)介：李啟雷（1981—），男，山東嘉祥人，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)與資料分析工作

本文收到日期：2015-09-26