張凌空，牛安福

(中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

地殼巖石應(yīng)變可采用鉆孔法進(jìn)行相對(duì)連續(xù)測(cè)量，使用主流儀器分量式應(yīng)變儀，一般安裝在井下幾十米至數(shù)百米深的基巖中。在國(guó)內(nèi)，孔徑一般采用130 mm，國(guó)外一般為178 mm，探頭鋼筒用膨脹水泥(或改性的普通水泥)與巖石耦合(焊接)，保證應(yīng)力與位移在邊界上連續(xù)。2003年美國(guó)開(kāi)始實(shí)施板塊邊界觀測(cè)計(jì)劃(PBO)[1-3]，選用澳大利亞地震學(xué)家Gladwin新研制的四分量應(yīng)變儀[4]，相繼沿圣安德烈斯斷層和阿拉斯加南部地區(qū)建立了85個(gè)鉆孔應(yīng)變臺(tái)站，獲得一批觀測(cè)資料，并在PBO網(wǎng)站上與各國(guó)科學(xué)家共享(http://pboweb.unavco.org)。中國(guó)有三種自行研制的四分量應(yīng)變儀，型號(hào)分別為YRY-4[5]、RZB-2(3)[6]和SKZ-1(2)(蘇愷之指導(dǎo)，孔向陽(yáng)研制)，其各分量元件均互成45°，呈米字型排列，2007年以后在地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)共建有60余個(gè)測(cè)點(diǎn)，全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分鐘值采樣。

2008年5月12日四川龍門(mén)山斷層上發(fā)生汶川MS8.0地震,姑咱臺(tái)震中距僅為150 km，國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者用該臺(tái)鉆孔應(yīng)變資料對(duì)這次震例進(jìn)行了研究[7-9]。他們采用高通濾波和小波分解法(或S變換)從原始分鐘值中提取出震前高頻異常信號(hào)，周期為幾分鐘到數(shù)小時(shí)不等。

云南省騰沖臺(tái)位于騰沖-瀾滄地震帶,是地方震多發(fā)地區(qū),同樣能夠應(yīng)用鉆孔應(yīng)變資料進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究。文章研究了該臺(tái)2008-2015年觀測(cè)數(shù)據(jù)，采取一種原始分析方法，即不經(jīng)任何數(shù)學(xué)處理，在計(jì)算機(jī)上分別逐日觀看應(yīng)變固體潮分鐘值曲線(每日24 h，共1 440個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，重點(diǎn)檢查其上是否記錄到肉眼就可直接識(shí)別的短周期高頻信號(hào)，并與氣壓、雷電和水位等資料進(jìn)行比較，判斷是否受到影響，同時(shí)查閱臺(tái)站工作日志(http://qzweb.seis.ac.cn)，核對(duì)有無(wú)人為干擾，然后查看當(dāng)天中強(qiáng)震目錄(震級(jí)MS>3.0)，先是使用陳培善研究員在《地震學(xué)報(bào)》上每期發(fā)布的地震目錄，再使用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)(CSN)地震目錄和美國(guó)國(guó)家地震信息中心(NEIC)地震目錄(www.csndmc.ac.cn)補(bǔ)漏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一種不明原因的脈沖信號(hào)(共38次)，周期大致為2～4 min，振幅一般為(4～30)×10-10。下面將對(duì)其形態(tài)特征加以研究，并與地方中強(qiáng)震(震中距<100 km，共61次)的震級(jí)逐年進(jìn)行對(duì)比，分析是否具有相關(guān)性。繼續(xù)搜集當(dāng)?shù)匦≌鹉夸?MS=2.0～3.0)和微震目錄(MS=0.1～1.9)比對(duì)，進(jìn)一步探尋該信號(hào)的物理本質(zhì)。

1 鉆孔應(yīng)變儀記錄到脈沖信號(hào)

騰沖地震臺(tái)位于騰沖縣騰越鎮(zhèn)尚家寨村后山斷層的南東盤(pán)上，該斷層在此處與上馬廠斷層交匯。騰沖是我國(guó)著名的火山區(qū)之一，也是中國(guó)西部著名的地震活動(dòng)區(qū)。該臺(tái)建有一口四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)井，井深45 m，基巖為安山玄武巖，儀器型號(hào)是YRY-4，為河南省鶴壁市地震局池順良研究員研制。該井于2007年10月底開(kāi)始觀測(cè)，考慮到儀器安裝初期需要穩(wěn)定一段時(shí)間，故資料分析從2008年1月1日起算。2016年2月19日觀測(cè)曲線突然變粗，直到12月29日調(diào)整了儀器接線頭后才終止。結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，這屬于供電系統(tǒng)常見(jiàn)故障，可惜發(fā)現(xiàn)太遲，該段資料不能正常使用，所以資料分析截至2015年底，前后共約8 a時(shí)間。分析方法前已述及，規(guī)定觀測(cè)曲線向上表示探頭膨脹，呈張性；反之，呈壓性。

圖1給出了騰沖臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀記錄到的一組典型脈沖信號(hào)，可以看出他們分別疊加在固體潮半日波背景曲線上，4個(gè)分量同時(shí)記錄到該信號(hào)(周期為3 min)，且幅度與張、壓性不盡相同。查閱過(guò)中強(qiáng)地震目錄(MS≥3.0)，這一時(shí)間沒(méi)有地震記錄，同井水位和氣壓曲線也無(wú)此脈沖干擾。需要說(shuō)明的是，這類(lèi)脈沖信號(hào)四個(gè)分量應(yīng)變每次不一定都能同時(shí)記錄到，為簡(jiǎn)化工作程序，文章只選取第3分量作為研究對(duì)象，圖2給出了其他時(shí)段記錄到的部分脈沖信號(hào)。

圖1 2014年9月21日鉆孔應(yīng)變固體潮半日波分鐘值觀測(cè)曲線上記錄到的脈沖信號(hào)Fig.1 Pulse signal recorded on the half-diurnal wave minute-observation curve of borehole strain tide on September 21, 2014

2 應(yīng)變脈沖信號(hào)與地震波的比較

圖3、圖4給出了兩組應(yīng)變脈沖信號(hào)與地震波的比較實(shí)例(皆為第三分量,由分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)得到)，可以看出兩種信號(hào)波形和周期都很相近，但后者幅度明顯偏大，該實(shí)例中分別相差5～9倍，具體與震級(jí)和震中距有關(guān)。

圖2 鉆孔應(yīng)變脈沖信號(hào)部分實(shí)例Fig.2 Examples of borehole strain pulse signals

圖3 應(yīng)變脈沖信號(hào)與地震波的比較實(shí)例一Fig.3 Example 1 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

圖4 應(yīng)變脈沖信號(hào)與地震波的比較實(shí)例二Fig.4 Example 2 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

3 應(yīng)變脈沖信號(hào)與地方中強(qiáng)震的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5顯示2008年8、9月間地方中強(qiáng)震頻發(fā)(18次)，最大震級(jí)達(dá)到MS5.9，之后應(yīng)變儀記錄到的脈沖信號(hào)開(kāi)始增多，達(dá)到8次。

2009年地方中強(qiáng)震發(fā)生了11次，最大震級(jí)為MS4.4，應(yīng)變脈沖信號(hào)僅出現(xiàn)了3次(見(jiàn)圖6)。

2010年發(fā)生15次地方中強(qiáng)震，最大震級(jí)為MS4.8。前已述及，3月份以后距臺(tái)站600～800 m遠(yuǎn)處有重型機(jī)械挖湖施工，每日大約在8：00～22：00，其振動(dòng)相當(dāng)于人工地震，應(yīng)變儀記錄到持續(xù)的脈沖干擾信號(hào)，已無(wú)法與待研究的異常脈沖信號(hào)相區(qū)分，因此該年資料作廢。

2011年全年都有施工干擾，其中2-4月較重，故圖7給出的脈沖統(tǒng)計(jì)數(shù)字可能不夠完整，其中有2次近震，分別為MS5.3(震中距17 km)和MS5.2(震中距18 km)，與之對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)也主要集中在這一時(shí)段。

2012年3、4、11月份施工干擾明顯，其他時(shí)段較輕，全年僅發(fā)生2次地方中強(qiáng)震，最大為9月11日MS4.9，震中距為78 km，5月2日和15日、6月10日、8月11日和21日各記錄到1次脈沖信號(hào)。

2013年全年施工干擾較輕，臺(tái)站100 km以?xún)?nèi)僅發(fā)生4次3級(jí)多地震，6月8日和8月14日各記錄到1次脈沖信號(hào)。

2014年全年施工干擾較輕，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示應(yīng)變脈沖信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)段與地方震發(fā)生的時(shí)段大致吻合(見(jiàn)圖8)，其中較大的兩次地震為5月24日和30日盈江MS5.9及MS6.1，相距70 km和73 km，震前記錄到數(shù)次脈沖信號(hào)。9月16日23時(shí)33分騰沖發(fā)生MS4.2地震，震源深度9 km，震中距僅為5.4 km，臺(tái)站幾乎就在震中區(qū)，地震前后出現(xiàn)數(shù)次脈沖信號(hào)，由分鐘值觀測(cè)數(shù)據(jù)得到(見(jiàn)第39頁(yè)圖9)，其中最大振幅達(dá)到42.8×10-10，地震波振幅為2 740×10-10，相差64倍。

2015年施工干擾較輕，但觀測(cè)曲線變粗，估計(jì)應(yīng)變儀電路系統(tǒng)受到了某種電信號(hào)的干擾，不過(guò)仍可區(qū)分脈沖信號(hào)，其間發(fā)生7次地方震，最大為10月30日MS5.0，震中距93 km，11月27日記錄到1次脈沖信號(hào)。

4 應(yīng)變脈沖信號(hào)與當(dāng)?shù)匦≌鸷臀⒄鸬年P(guān)系

駱鳴津研究員[10]曾指出：“地震預(yù)報(bào)的創(chuàng)新只能放在更真實(shí)可靠尋找與地震破裂、孕育相聯(lián)系的物理信息上?！被谶@一思路，應(yīng)進(jìn)一步探尋該信號(hào)的物理本質(zhì)。繼續(xù)搜集當(dāng)?shù)匦≌鹉夸?MS=2.0～3.0)，發(fā)現(xiàn)有19次脈沖信號(hào)原來(lái)是應(yīng)變小震波(震中距一般<70 km)。再將剩下的19次信號(hào)與當(dāng)?shù)匚⒄鹉夸?MS=0.1～1.9)比對(duì)，又發(fā)現(xiàn)有9次是應(yīng)變微震波，還有10次信號(hào)沒(méi)有與地震對(duì)應(yīng)，推測(cè)地震目錄可能記錄不全，該信號(hào)依然由近震引起，即，由鉆孔附近巖石的微破裂所致，與區(qū)域性地震活動(dòng)存在一定關(guān)聯(lián)。

圖5 2008年鉆孔應(yīng)變脈沖信號(hào)與地方中強(qiáng)震震級(jí)的比較Fig.5 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2008

圖6 2009年鉆孔應(yīng)變脈沖信號(hào)與地方中強(qiáng)震震級(jí)的比較Fig.6 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2009

圖7 2011年鉆孔應(yīng)變脈沖信號(hào)與地方中強(qiáng)震震級(jí)的比較Fig.7 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2011

圖8 2014年鉆孔應(yīng)變脈沖信號(hào)與地方中強(qiáng)震震級(jí)的比較Fig.8 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2014

現(xiàn)已查明,圖1給出的脈沖信號(hào)是由一次MS2.7小震引起，震中距僅為3.1 km；圖2給出的一組脈沖信號(hào)沒(méi)有找到相應(yīng)的地震，估計(jì)是目錄漏掉了；圖9騰沖MS4.2地震前后記錄到的幾次脈沖信號(hào)皆為當(dāng)?shù)匦≌鸷臀⒄?震中距5 km以?xún)?nèi))引發(fā)。

圖9 2014年9月16日-17日應(yīng)變脈沖信號(hào)與騰沖MS4.2地震對(duì)比分析Fig.9 Comparative analysis of strain pulse signals and Tengchong MS 4.2 earthquake (16-17 September 2014)

5 結(jié)論與討論

(1) 騰沖臺(tái)鉆孔應(yīng)變?cè)挤昼娭涤^測(cè)曲線上記錄到的脈沖信號(hào)是真實(shí)、客觀存在的，但四個(gè)分量應(yīng)變不一定都能同時(shí)記錄到脈沖信號(hào)，并且該信號(hào)與氣壓、水位、中強(qiáng)震和人為干擾無(wú)關(guān)。信號(hào)有時(shí)呈壓性，有時(shí)呈張性，周期大致為2～4 min，振幅一般為(4～30)×10-10，個(gè)別的可以達(dá)到(40～60)×10-10，波形與地震波相似，現(xiàn)已查明絕大多數(shù)脈沖信號(hào)都是由臺(tái)站附近小震(震中距一般<70 km)或微震(震中距一般<16 km)所致。

(2) 將脈沖信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間和振幅與地方中強(qiáng)震(震中距<100 km)的震級(jí)做逐年對(duì)比分析，表明二者之間存在一定的伴生現(xiàn)象。

(3) 地震是一個(gè)大規(guī)模巖體受壓發(fā)生破壞的力學(xué)過(guò)程，是遍布于巖體中各類(lèi)裂紋擴(kuò)展并相互貫通的結(jié)果。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，石塊的破壞主要是裂紋尖端形成應(yīng)力集中引起的。新裂紋的產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展及裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，會(huì)在巖石中產(chǎn)生應(yīng)力波[11]。地震在孕育過(guò)程中區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)，如果臺(tái)站離震中較近，鉆孔附近巖石就可能產(chǎn)生微裂隙，從而形成應(yīng)力擾動(dòng)，這一過(guò)程導(dǎo)致小震和微震發(fā)生。騰沖臺(tái)觀測(cè)到的應(yīng)變脈沖信號(hào)之所以與區(qū)域性地震活動(dòng)有一定的關(guān)聯(lián)，與此有關(guān)。

(4) 臺(tái)站選址如何遠(yuǎn)離人類(lèi)活動(dòng)的干擾，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。和騰沖臺(tái)一樣，最近幾年玉樹(shù)、昭通和門(mén)源臺(tái)鉆孔應(yīng)變也都積累了寶貴的震例，這是可遇不可求的，但在進(jìn)行資料分析時(shí)都面臨著棘手的干擾問(wèn)題。