新疆鉆孔應(yīng)變對汶川8.0和日本9.0級地震的同震響應(yīng)特征分析

楊紹富，徐長銀，孫海軍

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局庫爾勒地震臺，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

鉆孔應(yīng)變是通過對地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)依時(shí)間連續(xù)變化的精細(xì)觀測，掌握地震應(yīng)變前兆的 （長）中期-短期-臨震以及震后調(diào)整的時(shí)空分布與發(fā)展變化的規(guī)律，構(gòu)成重要的地震前兆觀測手段[1]。本文將根據(jù)新疆的四個(gè)鉆孔應(yīng)變臺站資料，對2008年5月12日汶川8.0級地震和2011年3月11日日本9.0級地震的同震響應(yīng)和震后效應(yīng)特征進(jìn)行初步的分析。

1 新疆鉆孔應(yīng)變臺站介紹

“十五”數(shù)字化改造期間，新疆地震局于2007年先后在庫爾勒、烏什、溫泉和喀什馬場安裝4套中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的TJ-Ⅱ體應(yīng)變儀，該儀器數(shù)據(jù)采集為分鐘值采樣記錄，觀測精度10-9。有利于獲取同地震前兆異常相關(guān)的信息，為地震預(yù)報(bào)研究提供可靠的事實(shí)依據(jù)。TJ-Ⅱ體應(yīng)變儀包括體應(yīng)變、鉆孔氣壓、鉆孔溫度和鉆孔水位四個(gè)觀測分量。本文將主要研究新疆各鉆孔應(yīng)變臺站的體應(yīng)變資料對汶川8.0級、日本9.0級地震的同震響應(yīng)和震后效應(yīng)特征。

1.1 鐵門關(guān)

鉆孔深83.0 m，臺基巖石為前震旦系花崗巖，巖石較完整，巖芯較硬，周圍200 km歷史地震頻度高，觀測主要干擾源為上游2 km處的鐵門關(guān)水庫蓄水和放水影響。

1.2 溫泉老臺

鉆孔深80.0 m，臺基巖石為加里東期花崗巖，鉆孔內(nèi)74 m以上巖石較破碎，74～80 m巖石相對完整，監(jiān)視區(qū)內(nèi)多次發(fā)生中強(qiáng)地震，觀測主要影響因素為雷電和氣壓。

1.3 烏什臺

鉆孔深75.6 m，臺基巖石為石炭系灰?guī)r夾石英砂巖，監(jiān)視區(qū)內(nèi)經(jīng)常發(fā)生5～6級中強(qiáng)地震，觀測受270 m遠(yuǎn)的自來水廠抽水影響。

1.4 喀什馬場

鉆孔深73.3 m，臺基巖石為粗砂巖與紫紅色泥巖，鉆孔內(nèi)1.2 m以上為亞砂土，結(jié)構(gòu)松散，主要為粉末狀砂土，其次為巖石碎屑，巖芯較破碎，44～45.2 m為泥巖，固結(jié)程度差，呈團(tuán)塊狀，巖芯完整性不好，監(jiān)視區(qū)內(nèi)頻發(fā)中強(qiáng)地震。

從新疆鉆孔應(yīng)變臺站近幾年的連續(xù)資料來看，體應(yīng)變觀測資料長趨勢可分為趨勢型和年變型，如鐵門關(guān)鉆孔應(yīng)變儀自架設(shè)以來一直處于壓性漂移，觀測曲線呈趨勢上升型變化；溫泉老臺體應(yīng)變呈趨勢上升型變化，但趨勢中存在年變，即最低值出現(xiàn)在1月，最高值出現(xiàn)在12月；烏什臺體應(yīng)變呈趨勢上升型變化，趨勢中也存在年變特征，即最低值出現(xiàn)在1月，最高值出現(xiàn)在6月?？κ柴R場臺體應(yīng)變儀自安裝以來一直處于張性漂移，觀測曲線呈趨勢下降型變化。

2 汶川8.0級地震同震響應(yīng)特征

新疆的鉆孔應(yīng)變都記錄到了汶川地震，并且體應(yīng)變具有明顯的同震響應(yīng)和震后效應(yīng)（表1）。對于較大的地震，應(yīng)變儀在記錄到地震應(yīng)變波動(dòng)的同時(shí)，還會(huì)記錄到幅度不大的階躍性變化[1]。

表1 新疆鉆孔應(yīng)變對汶川8.0級地震的同震響應(yīng)Table 1 Coseismic response of borehole strain in Xinjiang to Wenchuan MS8.0 earthquake

為便于將同震階躍變化看得更清楚，本文選取5月12日12時(shí)至13日00時(shí)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)曲線做濾波處理 （如圖1所示）。從圖1中可以看出：

（1）鐵門關(guān)體應(yīng)變在震后4 min出現(xiàn)震蕩型變化，應(yīng)變先出現(xiàn)一個(gè)小幅上升變化，而后出現(xiàn)大幅階降，向下階躍幅度為4 368.5×E-9個(gè)應(yīng)變量。6月2日基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為上升-大幅下降-恢復(fù)正常。值得注意的是，14時(shí)42分，體應(yīng)變開閥造成一個(gè)大臺階，因此，階降變化中有臺階影響，幅度偏大。

（2）溫泉老臺體應(yīng)變在震后4 min出現(xiàn)震蕩，應(yīng)變先出現(xiàn)小幅下降，而后出現(xiàn)大幅上升-下降的波動(dòng)變化，變化幅度為73.2×E-9個(gè)應(yīng)變量。當(dāng)日23時(shí)基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為下降-上升、下降波動(dòng)-恢復(fù)正常。

圖1 汶川8.0級地震前后各臺站體應(yīng)變分鐘值變化曲線Fig.1 Minutely curves of strain variation of each station before and after the Wenchuan MS8.0 earthquake

（3）烏什臺體應(yīng)變在震后4 min出現(xiàn)震蕩型變化，應(yīng)變先出現(xiàn)小幅上升，而后出現(xiàn)大幅的階降，向下階躍幅度為76.9×E-9個(gè)應(yīng)變量，然后波動(dòng)上升直至13日00時(shí)恢復(fù)正常。震后變化形態(tài)為上升-階降、上升波動(dòng)-恢復(fù)正常。

（4）喀什馬場體應(yīng)變在震后4 min出現(xiàn)上升-下降的波動(dòng)變化，變化幅度為8.8×E-9個(gè)應(yīng)變量。17日06時(shí)基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為上升、下降波動(dòng)-下降-恢復(fù)正常。

對于汶川8.0級地震，新疆各鉆孔應(yīng)變臺站的體應(yīng)變同震響應(yīng)整體表現(xiàn)為下降。各臺體應(yīng)變基本都是在震后4 min開始出現(xiàn)同震響應(yīng)，但是變化的幅度卻不相同，這與鉆孔所處的構(gòu)造部位、臺基的巖性等有關(guān)。除了鐵門關(guān)受體應(yīng)變開閥影響外，其余三個(gè)臺體應(yīng)變在震后都恢復(fù)到正常觀測狀態(tài)，反映了鉆孔臺站區(qū)域震后應(yīng)力調(diào)整過程。

3 日本9.0級地震同震響應(yīng)特征

日本9.0級地震是日本有地震記錄以來最大的地震，新疆的鉆孔應(yīng)變都記錄到了此次大地震，且各臺體應(yīng)變都具有明顯的同震響應(yīng) （表2）。

表2 新疆鉆孔應(yīng)變對日本9.0級地震的同震響應(yīng)Table 2 Coseismic response of borehole strain in Xinjiang to Japan MS9.0 earthquake

與上述第2節(jié)相同，本文選取3月11日12時(shí)至13日00時(shí)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)曲線做濾波處理 （如圖2所示）。從圖2中可以看出：

（1）鐵門關(guān)體應(yīng)變在震后4 min出現(xiàn)震蕩型變化，振蕩持續(xù)3 min后，應(yīng)變出現(xiàn)階降型變化，而后出現(xiàn)上升-下降的波動(dòng)變化。震后30 min，出現(xiàn)較大幅度的階降變化，向下階躍幅度為171×E-9個(gè)應(yīng)變量。13日基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為階降-上升、下降波動(dòng)-恢復(fù)正常。

（2）溫泉老臺體應(yīng)變在震后7 min出現(xiàn)震蕩，振蕩持續(xù)4 min后，應(yīng)變出現(xiàn)階降型變化，而后出現(xiàn)大幅上升-下降的波動(dòng)變化，變化幅度為313×E-9個(gè)應(yīng)變量。11日19時(shí)基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為階降-上升、下降波動(dòng)-恢復(fù)正常。

（3）烏什臺體應(yīng)變在震后7 min出現(xiàn)震蕩型變化，振蕩持續(xù)5 min后，應(yīng)變出現(xiàn)階降型變化，而后出現(xiàn)小幅的上升變化。震后24 min，出現(xiàn)較大幅度的階降變化，向下階躍幅度為128×E-9個(gè)應(yīng)變量，而后繼續(xù)呈上升-下降的波動(dòng)變化。13日基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為階降-上升、下降波動(dòng)-恢復(fù)正常。

圖2 日本9.0級地震前后各臺站體應(yīng)變分鐘值變化曲線Fig.2 Minutely curves of strain variation of each station before and after the Japan MS9.0 earthquake

（4）喀什馬場體應(yīng)變在震后12 min出現(xiàn)階升型變化，而后出現(xiàn)下降-上升的波動(dòng)變化。震后34 min，出現(xiàn)較大幅度的階降變化，變化幅度為73.1×E-9個(gè)應(yīng)變量。11日22時(shí)基本恢復(fù)到震前水平，震后變化形態(tài)為階升-下降、上升波動(dòng)-恢復(fù)正常。

對于日本9.0級地震，新疆各鉆孔應(yīng)變臺站的體應(yīng)變同震響應(yīng)整體表現(xiàn)為下降，并且響應(yīng)形態(tài)以波動(dòng)為主。各臺體應(yīng)變同震響應(yīng)時(shí)間不同，變化的幅度也不相同，這可能與鉆孔所處的構(gòu)造部位、臺基的巖性等有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）四個(gè)臺的體應(yīng)變同震響應(yīng)出現(xiàn)畸變的起始時(shí)間與地震波到達(dá)的時(shí)間基本一致，屬于同震變化。

（2）對汶川地震，四個(gè)臺鉆孔應(yīng)變的響應(yīng)與震中距成反比，即震中距越小，鉆孔應(yīng)變變化幅度越大，震后效應(yīng)持續(xù)時(shí)間越長，但響應(yīng)形態(tài)不同。鐵門關(guān)和烏什臺響應(yīng)形態(tài)為階降，溫泉老臺和喀什馬場響應(yīng)形態(tài)為波動(dòng)，由各臺站基本信息分析認(rèn)為：鐵門關(guān)和烏什臺臺基所處的巖石比較完整，因此對地震響應(yīng)形態(tài)基本一致且形勢較為單一；而溫泉老臺和喀什馬場臺基所處巖石均存在破碎帶，巖石完整性不好，因此影響了對地震的響應(yīng)形態(tài)，表現(xiàn)為波動(dòng)。分析認(rèn)為鉆孔應(yīng)變對地震的響應(yīng)與震中距呈較好的比例關(guān)系，響應(yīng)形態(tài)和震后效應(yīng)持續(xù)的時(shí)間與各鉆孔所處構(gòu)造位置、臺基巖性等因素有關(guān)。

（3）對日本地震，四個(gè)臺對地震的響應(yīng)與震中距并不呈現(xiàn)明確的比例關(guān)系，如鐵門關(guān)震中距最小，震后效應(yīng)持續(xù)的時(shí)間最長，但鉆孔應(yīng)變變化幅度卻不是最大的。對比汶川地震可知：汶川地震發(fā)生在中國大陸內(nèi)部，其震源機(jī)制為亞板塊堅(jiān)固邊界帶上的逆沖，地震波基本為大陸內(nèi)傳播；而日本地震發(fā)生在中國大陸之外，其震源機(jī)制為太平洋板塊和北美板塊低俯角逆沖，地震波先經(jīng)過海洋而后在中國大陸傳播。同一鉆孔對不同地震響應(yīng)形態(tài)不同，如鐵門關(guān)對汶川地震同震響應(yīng)形態(tài)為階降，對日本地震表現(xiàn)為波動(dòng)形態(tài)。綜上分析認(rèn)為震源方位、震源機(jī)制和地震波的傳播路徑等因素會(huì)影響到鉆孔應(yīng)變對地震的響應(yīng)。

（4）中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司[2]研究2004年印度尼西亞蘇門答臘8.7級大地震及其對中國大陸地區(qū)的影響結(jié)果，同震觀測點(diǎn)最遠(yuǎn)可達(dá)5 400 km。本文中日本9.0級地震最遠(yuǎn)的鉆孔臺站震中距達(dá)到了5 600 km，但是震級卻達(dá)到9.0級，認(rèn)為震級越大，同震觀測點(diǎn)的距離也可增大。

（5）通過分析體應(yīng)變資料對兩次大地震的同震響應(yīng)和震后效應(yīng)特征，認(rèn)為很難發(fā)現(xiàn)前兆信息，因此可以參考水位、水溫同震響應(yīng)研究成果[3～8]，可以專門針對某一具體鉆孔應(yīng)變臺站，結(jié)合水位、溫度、構(gòu)造地質(zhì)、水文地質(zhì)等背景資料，從機(jī)理上做進(jìn)一步的分析研究。

[1]蘇愷之.鉆孔地應(yīng)變觀測新進(jìn)展[M].北京：地震出版社，2003.

[2]中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.2004年印度尼西亞蘇門答臘8.7級大地震及其對中國大陸地區(qū)的影響 [M].北京：地震出版社，2005.

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