孫藝玫， 查 楠， 任 雪， 張 麗， 毛佳寧

（遼寧省地震局， 遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

地震發(fā)生前后一般會(huì)出現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象，包括但不限于普通的地震波信號(hào)[1]； 通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在一些地震的前后， 地震臺(tái)站會(huì)觀測(cè)到部分異常信號(hào)， 相比于普通的地震波， 這些異常信號(hào)有一定的特殊性， 比如發(fā)生概率偏小、 衰減周期較長(zhǎng)、 振幅沒有明顯的規(guī)律等等， 對(duì)這些異常信號(hào)（也被稱為“前驅(qū)波”） 的研究對(duì)地震的預(yù)測(cè)有著重要意義[2]。

這些異常的、 不規(guī)律的信號(hào)， 在模擬觀測(cè)時(shí)期受制于儀器分辨率的約束， 難以被識(shí)別。但隨著地震研究引入了現(xiàn)代數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)，比如高精度GPS[3]、 寬頻地震計(jì)[4]以及高分辨應(yīng)變儀等[5]， 研究人員可以觀測(cè)并記錄到這些前驅(qū)波的特征， 并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)理論， 來(lái)對(duì)這種特殊的觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行研究， 期望達(dá)到預(yù)測(cè)地震的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是研究地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)規(guī)律的主要手段， 在地震前兆觀測(cè)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(shù)十米甚至數(shù)百米深的土層或者巖層中， 不間斷的記錄地殼內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)， 由此描繪出的曲線可以用來(lái)分析地震前、 中、 后等各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)的地殼應(yīng)力應(yīng)變的變化。

1 鉆孔體應(yīng)變儀的原理及優(yōu)勢(shì)

在觀測(cè)地震前兆的手段中， GPS 和鉆孔應(yīng)變儀各有所長(zhǎng)， 可以相互補(bǔ)充， 在短臨前兆觀測(cè)中應(yīng)變儀器的效用更勝一籌[8]。 鉆孔應(yīng)變觀測(cè)可以觀測(cè)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下的地殼變形[9]， 與其他觀測(cè)手段不同的是， 鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)的是一個(gè)張量， 專注于某個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變變化數(shù)據(jù)， 可以將地殼變動(dòng)的數(shù)值以秒或者分鐘的形式， 連續(xù)記錄下來(lái)形成一套曲線數(shù)據(jù)。

從圖1 可以看出， 鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的范圍更為廣泛， 幾乎覆蓋了整個(gè)觀測(cè)頻帶； 而傳統(tǒng)地震儀和GPS 的觀測(cè)范圍相對(duì)較窄， 傳統(tǒng)測(cè)震儀側(cè)重于高頻觀測(cè)頻帶、 GPS 側(cè)重觀測(cè)相對(duì)低頻的觀測(cè)頻帶[8]。

圖1 傳統(tǒng)測(cè)震儀、 GPS 與鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)頻帶對(duì)比Fig.1 Comparison of observation frequency bands of traditional seismometer， GPS and borehole strain gauge

這種鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的的測(cè)量原理是根據(jù)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(duì)變化量， 是一種高精度地形變觀測(cè)儀器， 最適合揭示短期形變變化。 澳大利亞地球物理學(xué)家F.D.Satcey 指出“由于來(lái)自于大自然（如降雨） 而非儀器本身的強(qiáng)干擾， 短基線應(yīng)變和近地表設(shè)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(guó)的鉆孔應(yīng)變觀測(cè)起步較早且設(shè)計(jì)理念達(dá)到世界領(lǐng)先水平[11]， 我國(guó)現(xiàn)在使用的體應(yīng)變儀有兩個(gè)系列： 一是上世紀(jì)八十年代中期從美國(guó)進(jìn)口的Sacks 體應(yīng)變儀[12]， 一是我國(guó)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的TJ 型體應(yīng)變儀[13]。

體積式鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的重要組成部分， 在全球的應(yīng)變儀數(shù)量中占據(jù)最大的比重， 這得益于鉆孔體應(yīng)變儀的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

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

鉆孔體應(yīng)變儀因其觀測(cè)精度高、 穩(wěn)定性好，在鉆孔應(yīng)變觀測(cè)中占據(jù)著重要地位和影響， 它能記錄到地震發(fā)生時(shí)的應(yīng)變變化[14]， 在一系列的爆炸試驗(yàn)、 微地震試驗(yàn)、 礦山監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到實(shí)證[15]。

比如， Sacks 等運(yùn)用鉆孔體應(yīng)變儀曾觀測(cè)到上世紀(jì)八十年代日本伊豆半島7 級(jí)地震的前驅(qū)波信號(hào)[16]； 甚至， 有人還根據(jù)體應(yīng)變儀觀測(cè)到的前驅(qū)波信號(hào)， 成功預(yù)報(bào)了2000 年2 月26 日的火山噴發(fā)； 從這里可以看出， 鉆孔體應(yīng)變儀的應(yīng)用在地震預(yù)測(cè)、 火山研究等方面有重要的理論和實(shí)際意義。

2 鉆孔體應(yīng)變儀的種類和發(fā)展

20 世紀(jì)60 年代末， 美國(guó)卡內(nèi)基研究院和德克薩斯大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了一臺(tái)線性膨脹地震計(jì)，被公認(rèn)為世界上第一臺(tái)鉆孔體積應(yīng)測(cè)儀器。 隨著技術(shù)迅速發(fā)展， 觀測(cè)技術(shù)不斷完善， 種類也越來(lái)越多， 國(guó)內(nèi)的歐陽(yáng)祖熙等[17]研制了RZB 電容式四分量式鉆孔應(yīng)變儀， 澳大利亞有研究人員開發(fā)了三分量張量應(yīng)變儀， 日本則在Sacks體應(yīng)變儀的基礎(chǔ)上研制了Sacks-Evertson-Sakada三分量體應(yīng)變儀[18-19]。

日本石井紘等人開發(fā)了體積更小的三分量應(yīng)變儀， 可以將探頭的直徑放大至40 倍， 安裝簡(jiǎn)便體積偏小， 可以全方位觀測(cè)多種地球物理參數(shù)， 允許研究人員根據(jù)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(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置在水平應(yīng)變監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[20]。

目前我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的觀測(cè)技術(shù)發(fā)展很快，除了單點(diǎn)觀測(cè)技術(shù)（體應(yīng)變、 分量應(yīng)變、 鉆孔傾斜等） 外， 我國(guó)的深孔應(yīng)變觀測(cè)和多參數(shù)觀測(cè)的綜合性鉆孔觀測(cè)也有長(zhǎng)足的發(fā)展： 2010年， 多個(gè)地震臺(tái)站成功安裝了由地質(zhì)力學(xué)研究所主導(dǎo)研發(fā)的深井地球物理綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 并通過(guò)該系統(tǒng)獲取了大量的高價(jià)值地球物理觀測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 這是由歐陽(yáng)祖熙等人研制的新型深井寬帶綜合觀測(cè)系統(tǒng)， 這些研究成果表明， 我國(guó)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)已進(jìn)入一個(gè)新階段[22]。

3 鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前， 國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)將鉆孔體應(yīng)變儀觀測(cè)到的高價(jià)值數(shù)據(jù)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域， 并取得了重要進(jìn)展。

3.1 同震階躍現(xiàn)象方面

同震階躍現(xiàn)象即是地震發(fā)生時(shí)儀器記錄到的同震應(yīng)變階。 通過(guò)鉆孔體應(yīng)變儀可以觀測(cè)到這種現(xiàn)象， 其具有重要的價(jià)值。

國(guó)外方面， 有學(xué)者通過(guò)對(duì)比三套Sacks-Evertson 體應(yīng)變儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：距離震中相同的兩組應(yīng)變儀， 可以同時(shí)觀測(cè)到地震應(yīng)變階[14]； 這個(gè)發(fā)現(xiàn)得到了McGarrA 等人的認(rèn)可， 他們通過(guò)安裝在金礦中的應(yīng)變儀儀器觀測(cè)到大量的數(shù)據(jù)， 印證了應(yīng)變儀記錄到的階躍現(xiàn)象是同震應(yīng)變階的觀點(diǎn)[15]。 在國(guó)內(nèi)， 張敏等[23]發(fā)現(xiàn)， 鉆孔應(yīng)變與地震應(yīng)變階次和地震波在時(shí)間上是同步的， 應(yīng)變階躍與震源方位和震級(jí)在統(tǒng)計(jì)上具有相關(guān)性； 李鵬等[24]研究了2015 年4 月25 日尼泊爾8.1 級(jí)地震的鉆孔應(yīng)變觀測(cè)資料，同樣發(fā)現(xiàn)了這種相關(guān)性[28]。

3.2 慢地震方面

慢地震是一種非暴力性質(zhì)的斷層滑動(dòng)事件，它需要經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)或數(shù)天釋放它們擁有的強(qiáng)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(gè)時(shí)候， 運(yùn)用鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)前驅(qū)波信號(hào)是一個(gè)非常必要的觀測(cè)手段： 1992 年12 月， LindeAT 等[25]在美國(guó)加州西部的San Andreas Fault 斷層通過(guò)鉆孔應(yīng)變儀記錄到持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周的慢地震現(xiàn)象[29]；SacksIS 等[26]也通過(guò)三臺(tái)Sacks-Evertson 鉆孔應(yīng)變計(jì)記錄到了1978 年的伊豆地震之后的一系列慢地震現(xiàn)象。

3.3 地球自由振蕩方面

地球局部受到某種因素的激發(fā)時(shí)， 地球整體會(huì)產(chǎn)生的連續(xù)振動(dòng)， 這種現(xiàn)象叫做地球自由震蕩， 這種振蕩的頻率很低， 振動(dòng)周期一般為數(shù)十秒至數(shù)十分鐘， 通常振動(dòng)亦很微弱， 不過(guò)大地震激發(fā)的地球長(zhǎng)周期自由振蕩往往延續(xù)幾天甚至幾個(gè)星期才會(huì)逐漸消失。 研究地球自由振蕩對(duì)大地震的震源機(jī)制等有著重要的作用。高精度鉆孔應(yīng)變觀測(cè)儀在這方面同樣具備優(yōu)勢(shì)[27]。 比如2004 年的蘇門答臘地震引發(fā)的地球自由振蕩， 邱澤華等[28]在泰安地震臺(tái)率先用差應(yīng)變和體應(yīng)變兩種鉆孔應(yīng)變計(jì)觀測(cè)了這項(xiàng)數(shù)據(jù)，唐磊等[29]也通過(guò)國(guó)內(nèi)多個(gè)臺(tái)站的TJ 型鉆孔體應(yīng)變儀獲得了地球球面振蕩數(shù)據(jù)。

3.4 地震前兆異常信號(hào)方面

國(guó)內(nèi)學(xué)者在地震前兆異常信號(hào)的識(shí)別和提取方面， 做出來(lái)大量的研究成果。 1976 年中國(guó)唐山發(fā)生7.8 級(jí)大地震， 在此之前陡河和趙各莊的應(yīng)力監(jiān)測(cè)站觀測(cè)到了明顯的垂直于斷裂帶的地應(yīng)力拉伸脈沖異常， 邱澤華等[30]認(rèn)為這個(gè)異常的信號(hào)是與地震有關(guān)的地殼運(yùn)動(dòng)。 池順良等[31]基于鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)自洽理論， 對(duì)四川和云南兩地的監(jiān)測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)在汶川8.0級(jí)地震前出現(xiàn)了數(shù)據(jù)自洽性遭到破壞的現(xiàn)象，這種異常也被認(rèn)為與地殼活動(dòng)有關(guān)。

邱澤華等[31]提取了四川姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)的短周期信號(hào)， 通過(guò)利用高通濾波將周期性信號(hào)剔除， 發(fā)現(xiàn)了與汶川地震相關(guān)的前兆信號(hào)異常反應(yīng)， 與唐山地震發(fā)現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)相似。劉琦等[33]也在姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了汶川地震前出現(xiàn)的大量異常數(shù)據(jù)， 而且這些異常信號(hào)還有一個(gè)特點(diǎn)， 即異常信號(hào)在震前逐漸增多、 震后逐漸消失。 對(duì)于汶川地震的前兆異常信號(hào)， 文勇等[34]也在后續(xù)對(duì)青海地區(qū)的臺(tái)站數(shù)據(jù)的研究中發(fā)現(xiàn)， 這說(shuō)明大地震前的前兆異常數(shù)據(jù)不是個(gè)例或者偶發(fā)現(xiàn)象， 帶有一定的普遍性。

對(duì)于其他地震來(lái)說(shuō)， 邱澤華等[35]在姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀記錄數(shù)據(jù)中， 找到了與2013 年蘆山7.0 級(jí)地震相關(guān)的顯著異常變化； 史小平等[36]針對(duì)2013 年岷縣6.6 級(jí)地震分析了臨夏臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在主應(yīng)力和主方向上顯示出來(lái)的變化與地震有很強(qiáng)的相關(guān)性； 劉琦、 張晶等[37]對(duì)2013 年蘆山7.0 級(jí)地震前姑咱臺(tái)鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)兩個(gè)異常， 一是始于2012 年10 月并持續(xù)了約4 個(gè)月； 另一個(gè)是始于蘆山地震前數(shù)天， 這兩組異常目前尚無(wú)法確定來(lái)源，但并不排除與地震相關(guān)。

4 體應(yīng)變儀在“前驅(qū)波” 等領(lǐng)域的觀測(cè)實(shí)例

“前驅(qū)波” 的定義是1974 年Kanamori 等[38]最先提出的， 用來(lái)解釋1960 年智利MS8.3 地震前十五分鐘出現(xiàn)的周期性的異?，F(xiàn)象。 馮德益等[39]通過(guò)對(duì)深井水位計(jì)、 海洋驗(yàn)潮儀的一些短臨前兆記錄研究發(fā)現(xiàn)， 其與“長(zhǎng)周期形變波” 的理論相符合。 楊又陵等[40]研究發(fā)現(xiàn)新疆地震臺(tái)網(wǎng)曾有多臺(tái)數(shù)字地震儀同步記錄到了2001 年昆侖山口西的MS8.1 地震“前驅(qū)波”。 趙根模等[41]對(duì)60 年代以來(lái)的地震案例進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)， 歸納出來(lái)多種地震監(jiān)測(cè)儀器測(cè)出了“前驅(qū)波”記錄。

在定量分析層面， 王慶良等[42]曾經(jīng)總結(jié)過(guò)“前驅(qū)波” 的幾個(gè)特征： 5 級(jí)以上地震前均可觀測(cè)到前驅(qū)波信號(hào)； 前驅(qū)波的特征為脈動(dòng)加粗、震相是低頻S 波； 出現(xiàn)的時(shí)間范圍是震前數(shù)小時(shí)至7 天左右； 傳播距離很遠(yuǎn)。

天津市寶坻臺(tái)Sacks 體應(yīng)變儀曾記錄到2008 年汶川8.0 級(jí)大地震的體應(yīng)變地震波[43]；甘肅省山丹地應(yīng)力臺(tái)站也發(fā)現(xiàn)明顯的應(yīng)變前兆異常， 應(yīng)變波如圖2 所示[44]。

圖2 汶川8.0 級(jí)地震前應(yīng)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(guò)對(duì)華北地區(qū)的臺(tái)站數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)， 氣壓是影響鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)的關(guān)鍵因素之一[13，45]，但氣壓的具體影響原理及途徑， 學(xué)術(shù)界存在一定的爭(zhēng)議： 張凌空等[46]研究了天津?qū)氎妗?北京東三旗和河北張家口三個(gè)臺(tái)站于2003 至2006年的數(shù)據(jù)， 結(jié)果顯示3 個(gè)臺(tái)站體應(yīng)變隨短周期氣壓增加皆壓性增強(qiáng)， 且基本同步； 但年周期氣壓波層面的影響則沒有一致性規(guī)律， 沒有得出統(tǒng)一的結(jié)論。

2009 年， 周龍壽等[47]利用多個(gè)臺(tái)站TJ 式鉆孔體應(yīng)變儀觀測(cè)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(yīng)變變化， 認(rèn)為大震前15 天之內(nèi)不能普遍檢測(cè)到“前驅(qū)波”。

2013 年， 趙楠等[48]通過(guò)用前驅(qū)波識(shí)別法，對(duì)六安臺(tái)BBVS 測(cè)震與TJ-2 應(yīng)變記錄震波進(jìn)行比較， 對(duì)比分析了2011 年3 月11 日記錄到遠(yuǎn)場(chǎng)日本東海岸9.0 級(jí)大地震起始情況和2011 年1 月19 日記錄近場(chǎng)（距150km） 安慶4.8 級(jí)強(qiáng)有感地震起始情況， 發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)在地震發(fā)生前記錄的曲線無(wú)前驅(qū)波特征， 與預(yù)設(shè)條件不一致。

5 結(jié)語(yǔ)

從研究實(shí)例上可以看出來(lái)， 盡管一些地震前均觀測(cè)到了前驅(qū)波， 但是， 當(dāng)前的鉆孔應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果和實(shí)際的地震發(fā)生狀況也存在一定的不確定性， 原因有可能是距離、 觀測(cè)設(shè)備的硬件條件等等， 這些都是未來(lái)體應(yīng)變觀測(cè)儀的改進(jìn)方向： 首先， 應(yīng)盡可能提高數(shù)據(jù)采樣效率，這有利于對(duì)異常信號(hào)的快速捕捉處理； 其次，在山洞形變觀測(cè)臺(tái)站建設(shè)更寬的頻帶測(cè)震觀測(cè)[49]。同時(shí)， 在潛在中強(qiáng)震以上風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)建設(shè)觀測(cè)儀器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)（同型號(hào)儀器可以保持一致性），對(duì)前驅(qū)波和對(duì)區(qū)域震情、 孕震過(guò)程、 發(fā)震時(shí)間開展初步研判。

致謝： 感謝“郯廬斷裂帶北延段（遼寧段） 強(qiáng)震孕育的動(dòng)力學(xué)模型研究” 項(xiàng)目組的支持。