韓桂紅， 滕海濤， 高歌

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

分量鉆孔應(yīng)變儀是在鉆孔中布設(shè)多個電容式位移傳感器對地殼應(yīng)變場變化進(jìn)行監(jiān)測的高精度的地球動力學(xué)觀測儀器[1]?！笆濉逼陂g，中國四分量鉆孔應(yīng)變儀的研制和應(yīng)用迅速發(fā)展，對四分量鉆孔應(yīng)變儀的研究也越來越深入。歐陽祖熙[2]、蘇愷之[3]、邱澤華[4-5]、石耀霖[6]、池順良[7]等對四分量鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，在“觀測自洽”這個關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)重大突破；張凌空[8]、陳沅俊[9]等利用“雙襯套”鉆孔應(yīng)變觀測力學(xué)模型，推導(dǎo)出平面應(yīng)力作用下分量應(yīng)變儀觀測中兩個耦合系數(shù)的計(jì)算公式；邱澤華[10]、鐘繼茂[11]、張肖[12]等用多分量鉆孔應(yīng)變儀資料推算測區(qū)附加應(yīng)變場的主應(yīng)變大小和主方向；張國紅[13]、斯琴[14]等人利用自洽方程檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性；邱澤華[15]、劉琦和張晶[16]、蔣靖祥[17-19]、潘振生[20]、趙彬彬[21]用鉆孔應(yīng)變儀觀測中強(qiáng)地震前的前兆異常，為地震預(yù)報(bào)研究提供可靠線索。

本文中以新疆尼勒克臺2015年6月18日～2020年10月26日RZB-2型分量鉆孔應(yīng)變資料為例，首先分析霍城MS5.0 地震、拜城MS5.4 地震前鉆孔應(yīng)變異常變化特征，然后從四分量鉆孔應(yīng)變觀測的特點(diǎn)入手，對自檢因子、面應(yīng)變和剪應(yīng)變的異常變化進(jìn)行分析，多方法、多角度解讀地震前應(yīng)變異常，以新視角、新方法來研究地應(yīng)變場隨時間的變化特征。

1 資料基本情況

尼勒克縣地應(yīng)變觀測站地處尼勒克縣喀拉托別鄉(xiāng)薩依博依村內(nèi)，距尼勒克縣10 km，海拔高程1 184 m。該臺附近的地貌類型主要有：山地、山前平原。該臺附近有喀什河斷裂帶，是北天山西部一系列NWW向活動斷裂中規(guī)模較大的一條。

尼勒克分量式鉆孔應(yīng)變井孔深度101.5 m，孔徑133 mm，1#傳感器方位為N8°W(圖1)。0～28 m地層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖石成分主要以石英、長石為主，少量云母，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育；28～100 m地層為中風(fēng)化砂巖，巖石成分主要以石英、長石為主，少量云母，局部粒徑較大，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

圖1 尼勒克鉆孔應(yīng)變傳感器方位圖Fig.1Sensor orientation of Nilka borehole strain

該資料2015年6月18日開始觀測，數(shù)據(jù)連續(xù)性較高，固體潮清晰，各分量應(yīng)變潮汐因子值相對穩(wěn)定，相對誤差基本小于0.05的標(biāo)準(zhǔn)，符合地殼形變觀測技術(shù)規(guī)范要求。有資料以來臺站300 km范圍內(nèi)發(fā)生MS≥5.0地震8次，包括1次6級地震，該區(qū)域近幾年地震活動水平較強(qiáng)(圖2)。2020年10月27日四分量出現(xiàn)快速拉張、壓縮變化，11月11日固體潮消失，頻繁出現(xiàn)臺階、毛刺，觀測系統(tǒng)故障，因此本文中資料選取時間截止到2020年10月26日。

圖2 尼勒克觀測臺站附近MS≥5.0地震分布圖Fig.2 MS≥5.0 earthquake distribution in vicinity of Nilka observation station

2 異常特征分析

2.1 曲線形態(tài)異常分析

2015年有資料以來，尼勒克鉆孔應(yīng)變儀NS分量呈趨勢拉張變化；EW、NE分量呈趨勢壓縮變化，狀態(tài)穩(wěn)定；NW分量2017年以前呈趨勢壓縮，之后呈趨勢拉張狀態(tài)，每年3月前后存在融雪干擾，表現(xiàn)為快速壓縮變化(圖3)。

圖3 尼勒克鉆孔應(yīng)變資料時序圖(a) NS分量 (b) NE分量 (c) EW分量 (d) NW分量Fig.3 Data time series of Nilka borehole strain

2017年3月26日尼勒克分量鉆孔應(yīng)變NE和NW分量加速壓縮。由于2016年同時段出現(xiàn)類似變化，初步分析認(rèn)為可能是季節(jié)性融雪干擾。5月3日、7月5日NE、NW分量相繼恢復(fù)，壓縮幅度分別為67×10-9和238×10-9，較2016年融雪干擾異常幅度大，持續(xù)時間長。經(jīng)過異常核實(shí)，排除儀器、供電、環(huán)境、氣象等方面的干擾，自檢精度為99.6%，判定為短期前兆異常。異常結(jié)束一個月后發(fā)生精河MS6.6地震，震中距64 km。

2019年10月四分量先后出現(xiàn)反向壓縮、拉張變化，EW分量拉張變化發(fā)生在2019年10月23日～2020年2月13日，拉張幅度為222×10-9，NS分量壓縮變化發(fā)生在2019年10月23日～2020年4月4日，幅度為770×10-9，其后發(fā)生2020年7月13日霍城MS5.0地震，震中距163 km。NE、NW分量反向拉張、壓縮的開始時間分別為2019年10月1日和30日，異常持續(xù)到儀器觀測系統(tǒng)故障，拉張、壓縮幅度分別為660×10-9和528×10-9(圖3)。本次異常和2017年較相似，以NE和NW分量異常變化為主，但持續(xù)時間長、異常幅度大。2021年3月24日發(fā)生拜城MS5.4地震，震中距256 km。分析認(rèn)為，此次異?？赡苁腔舫荕S5.0地震、拜城MS5.4地震的前兆異常。

2.2 自檢因子異常分析

利用SNS+SEW=SNE+SNW對四分量鉆孔應(yīng)變儀進(jìn)行“自檢”，即1+3和2+4分量，如果其相關(guān)系數(shù)接近于1，也稱自檢因子，則表明SNS+SEW與SNE+SNW相關(guān)性很好，說明觀測數(shù)據(jù)較為真實(shí)可靠，符合實(shí)際觀測情況[11]。

利用自檢原理，計(jì)算尼勒克臺分量鉆孔應(yīng)變1+3和2+4分量相關(guān)性。結(jié)果顯示，2015年有觀測數(shù)據(jù)以來整點(diǎn)值SNS+SEW與SNE+SNW的相關(guān)系數(shù)為50.09%，矯正后達(dá)95.28%(圖4)，自檢因子大于95%，表明觀測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

圖4 尼勒克分量鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)自檢曲線(a) 相對標(biāo)定前 (b) 相對標(biāo)定后Fig.4 Self-test curve of Nilka component borehole strain

池順良、蘇愷之等人發(fā)現(xiàn)地應(yīng)變儀四分量數(shù)據(jù)的“失洽”現(xiàn)象可能是震前短期異常[7，22]。本文中試用相對標(biāo)定數(shù)據(jù)，以一日步長，70 d窗長做面應(yīng)變自檢因子統(tǒng)計(jì)曲線，結(jié)果顯示，自檢因子大部分時間接近于1，精河MS6.6、精河MS5.4、拜城MS5.0、霍城MS5.0地震均發(fā)生在自檢因子 “失洽”過程中，異常形態(tài)為先下降后回返；地震時刻的自檢因子基本達(dá)到最低值或在最低值附近(圖5)。

圖5 自檢因子統(tǒng)計(jì)曲線Fig.5 Self-test factor statistical Curve

2.3 面應(yīng)變和剪應(yīng)變異常分析

鉆孔應(yīng)變四分量4個元件的讀數(shù)變化在應(yīng)用中常被分成2組：1和3分量、2和4分量的變化量相加，得出兩個面應(yīng)變；1和3分量、2和4分量的變化量相減，得出2個剪應(yīng)變[23]，是井下儀器所獲最直接的物理量。

(1) 2019年10月以后面應(yīng)變、剪應(yīng)變均有較為明顯的異常變化，面應(yīng)變1+3出現(xiàn)快速壓縮變化，變化幅度為1 000×10-9；面應(yīng)變2+4反向拉張，拉張幅度為255×10-9。剪應(yīng)變 1-3 反向壓縮，幅度為774×10-9；剪應(yīng)變2-4反向拉張，異常幅度1130×10-9(圖6)。

(2) 構(gòu)造應(yīng)變變化是一種恒定速率的變化。一旦剪應(yīng)變、面應(yīng)變曲線出現(xiàn)分叉，主應(yīng)變方位角發(fā)生改變，表明該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生了改變。霍城MS5.0、拜城MS5.4地震前面應(yīng)變 1+3 和2+4曲線出現(xiàn)分叉，精河MS6.6地震之前剪應(yīng)變曲線也出現(xiàn)分叉現(xiàn)象(圖6)。

(3) 從長時間面應(yīng)變、剪應(yīng)變序列看，2015年以來剪應(yīng)變1-3的變化量值為14 748×10-9，剪應(yīng)變2-4的變化量值為1 604×10-9，面應(yīng)變1+3的變化量值為1 516×10-9，面應(yīng)變2+4的變化量值為2 288×10-9，因此剪應(yīng)變變化幅度大于面應(yīng)變幅度5倍以上，且地震前異常幅度也較大，因此更有利于地震前兆異常信息的捕捉。

(4) 精河MS6.6地震前剪應(yīng)變2-4也有一定程度的異常變化，表現(xiàn)為先壓縮速率減緩后反向拉張，最后加速壓縮(圖7)。

圖7 精河MS6.6地震前剪應(yīng)變2-4曲線Fig.7 2-4 Shear strain curve before Jinhe MS6.6 earthquake

3 結(jié)論與討論

通過尼勒克鉆孔應(yīng)變曲線、自檢因子、面應(yīng)變和剪應(yīng)變的研究，發(fā)現(xiàn)天山中段霍城MS5.0、拜城MS5.4地震前均存在異常。震前先出現(xiàn)較長時間、較大幅度的應(yīng)變異常，伴隨著自檢因子的明顯突變，出現(xiàn)負(fù)值，然后發(fā)震。本次異常與精河MS6.6地震前相比，異常持續(xù)時間長、幅度大、距離遠(yuǎn)，先后發(fā)生霍城MS5.0、拜城MS5.4地震，本次異常的特點(diǎn)及后續(xù)多次中強(qiáng)地震的發(fā)生可能反映出該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場震前明顯增強(qiáng)。

自檢因子出現(xiàn)變化有2種可能，一是儀器出現(xiàn)故障，如某路傳感器工作超出線性區(qū)，格值發(fā)生變化未及時調(diào)整；二是與附近地層地質(zhì)和地震活動加強(qiáng)有關(guān)。尼勒克鉆孔應(yīng)變儀有資料以來工作正常、資料可靠，排除第一種情況。自檢因子在2017年精河MS6.6、2018年精河MS5.4、2020年霍城MS5.0地震前存在短期異常變化， 2018年缺數(shù)嚴(yán)重，對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，可能影響自檢因子的結(jié)果。精河MS6.6、霍城MS5.0地震前“失洽”異?？尚哦容^高，可以將“失洽”研究應(yīng)用到新疆其他鉆孔應(yīng)變資料分析中。

通過對尼勒克鉆孔應(yīng)變剪應(yīng)變和面應(yīng)變異常分析發(fā)現(xiàn)，霍城MS5.0、拜城MS5.4地震前剪應(yīng)變表現(xiàn)出明顯異常變化,與這兩次地震為走滑型地震，機(jī)理一致；尼勒克地震臺的位置在霍城MS5.0、拜城MS5.4地震的NW、SW方向上，使得剪應(yīng)變2-4曲線的變化幅度大于剪應(yīng)變1-3 曲線，這與蘇愷之等人的研究結(jié)果基本一致，因此對鉆孔應(yīng)變剪應(yīng)變的關(guān)注可能更有利于前兆異常信息的獲取。

本文中首次試探性將自檢因子、剪應(yīng)變和面應(yīng)變的異常分析應(yīng)用到新疆鉆孔應(yīng)變預(yù)報(bào)分析中，在臺站分布密集的地區(qū)，可以針對不同臺站異常出現(xiàn)的時間、幅度，預(yù)測未來地震發(fā)生的時間、震級，為防震減災(zāi)工作的開展提供依據(jù)。在臺站分布較為稀疏的地區(qū)，通過厘清觀測異常，為該地區(qū)震情研判提供服務(wù)。