莆田臺(tái)鉆孔應(yīng)變的震前固體潮畸變現(xiàn)象分析

吳勁柏， 李毅偉， 劉水蓮， 蔡佩蕊， 陳 偉， 何星源， 宋 超

（1.莆田地震臺(tái)， 福建 莆田 351100； 2. 永安地震臺(tái)， 福建 永安 366000）

0 前言

使用鉆孔方法觀測地殼應(yīng)變變化進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究， 在我國是從60年代中期開始。 我國的鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變儀器的記錄靈敏度達(dá)到10-9， 工作頻段寬， 能記錄到清晰的應(yīng)變固體潮。 基于長期觀測數(shù)據(jù)的積累和觀察， 王梅[1-3]等人對氣象等外界干擾因素對體應(yīng)變觀測的影響做了總結(jié)， 李希亮[4-5]等人討論了潮汐形變的臨震異常； 吳云在培訓(xùn)教材[6]中也有有關(guān)形變潮汐分析的震例描述。 本文分析莆田臺(tái)體應(yīng)變2007年福建順昌ML4.9 級地震、2011年日本MS9.0 級地震前后觀測資料記錄到的固體潮畸變現(xiàn)象， 討論資料所顯示的可能的地震前兆信息。

1 莆田臺(tái)鉆孔體應(yīng)變概況

莆田地震臺(tái)位于晚中生代中侏羅世后期形成的北東向燕山期閩東火山地層的邊緣， 在構(gòu)造上處于北東向長樂－詔安斷裂帶的中北段。 出露地層為晚侏羅世南園組火山巖， 巖性為深灰色流汶質(zhì)晶屑凝灰熔巖， 巖體致密完整， 符合形變觀測規(guī)范要求。

體應(yīng)變觀測鉆孔DK4 在莆田臺(tái)院內(nèi)， 孔深67 m。 2001年安裝中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的TJ－Ⅱ型體積式鉆孔應(yīng)變儀， 對巖石的體積應(yīng)變進(jìn)行連續(xù)觀測， 該儀器測量精度高， 數(shù)據(jù)可靠。

2 體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)的正常動(dòng)態(tài)變化

莆田地震臺(tái)體積式鉆孔應(yīng)變觀測的正常動(dòng)態(tài)變化表現(xiàn)為： 應(yīng)變固體潮日變、月變周期明顯，形態(tài)完整， 數(shù)據(jù)曲線平滑， 在長趨勢上存在零漂現(xiàn)象。 以2005年1月份為例（圖1），月零漂約為450 ×10-9， 正常的動(dòng)態(tài)變化小潮時(shí)段幅度變化約70×10-9， 大潮時(shí)段幅度變化約130×10-9。 觀測數(shù)據(jù)達(dá)到形變觀測規(guī)范要求的α≥2.0、 δα/α≤0.05 的內(nèi)在精度要求。

圖1 莆田臺(tái)體應(yīng)變分鐘值圖（2005-01-01～2005-02-02）Fig.1 Curve of minute value of borehole strain at Putian seismic station（2005.1.1-2005.2.2）

3 莆田臺(tái)體應(yīng)變觀測固體潮畸變現(xiàn)象

莆田地震臺(tái)2001年開始進(jìn)行體應(yīng)變觀測，2007年3月13日福建順昌M 4.9 級地震， 是東南沿海地區(qū)的最大地震， 2011年3月11日日本的M 9.0 級地震是太平洋西部的最大地震， 這兩次地震前莆田地震臺(tái)的體應(yīng)變觀測固體潮均出現(xiàn)了畸變異?，F(xiàn)象。

3.1 順昌4.9 級地震前莆田臺(tái)體應(yīng)變固體潮的畸變異常

3.1.1 特征描述

莆田臺(tái)體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)從2005年5月7日開始， 觀測數(shù)據(jù)明顯上升， 之后觀測數(shù)據(jù)的固體潮曲線出現(xiàn)畸變（圖2a）， 表現(xiàn)在日變固體潮形態(tài)異常、日變周期改變、日變幅度增大， 出現(xiàn)170×10-9的日變幅度， 在2006年12月至2007年3月達(dá)到最大日變幅度（230×10-9以上）， 在2007年3月11日畸變異常結(jié)束， 3月13日發(fā)生了福建順昌M 4.9級地震， 而在異常結(jié)束后觀測到的體應(yīng)變固體潮的處于正常動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)（圖2b）。

圖2 莆田臺(tái)體應(yīng)變分鐘值圖Fig.2 Minutes value graph of borehole strain at Putian seismic station

3.1.2 潮汐分析相對中誤差值的變化

從2005年5月7日至2007年3月11日， 莆田臺(tái)體應(yīng)變固體潮出現(xiàn)畸變的時(shí)段， 潮汐分析結(jié)果相對中誤差值大都在0.15 以上（圖3）， 而在其之前或之后都小于0.05。

3.2日本9.0 級地震前的體應(yīng)變固體潮的畸變異常

3.2.1 特征描述

由于零漂幅度較大， 觀測數(shù)據(jù)經(jīng)一般多項(xiàng)式分段擬合后， 得到圖4， 通過分鐘值觀測數(shù)據(jù)分析， 從2010年2月10日起莆田臺(tái)體應(yīng)變出現(xiàn)固體潮畸變， 2010年11月達(dá)到最大日變幅度（230×10-9以上）， 2011年3月11日發(fā)生日本9.0 級地震， 2011年6月16日畸變消失。

圖3 莆田臺(tái)體應(yīng)變潮汐因子相對中誤差變化圖Fig.3 Relative error of tide factor in borehole strain data at Putain seismic station

圖4 莆田臺(tái)體應(yīng)變一般多項(xiàng)式分段擬合值殘差圖（2009-09～2011-12)Fig.4 The residual of general piecewise polynomial fitted values of borehole strain at Putian seismic station from Septenber 2009 to December 2011

3.2.2 潮汐分析相對中誤差值的變化

2010年2月份起莆田臺(tái)體應(yīng)變潮汐分析相對中誤差值超過0.06， 最大值達(dá)0.12， 2012年6月后小于0.04， 2011年10月至2012年11月都低于0.02（圖5）。

4 莆田臺(tái)體應(yīng)變的主要外界干擾

4.1 靜電干擾

在觀測曲線上疊加了高頻干擾， 幅度在10×10-9以下， 在出現(xiàn)干擾的半個(gè)月左右的時(shí)間段內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)， 固體潮的形態(tài)仍比較清晰， 這類靜電干擾出現(xiàn)在2007年5月份以后連續(xù)出現(xiàn)直至2008年6月。

4.2 爆破干擾

2005年11月至2006年7月， 莆田地震臺(tái)體應(yīng)變鉆孔附近200 m 范圍內(nèi)開鑿山洞， 爆破對體應(yīng)變觀測可能會(huì)有影響， 但由于爆破的火藥量不大， 形成的應(yīng)變變化可能低于1 min， 在分鐘采樣的觀測數(shù)據(jù)上沒有表現(xiàn)明顯的變化， 從觀測結(jié)果觀測， 對觀測曲線未產(chǎn)生明顯干擾。

圖5 莆田臺(tái)體應(yīng)變潮汐因子相對中誤差變化圖Fig.5 Relative error of tide factor in borehole strain data at Putain seismic station every month

圖6 莆田臺(tái)體應(yīng)變分鐘值圖（2008-01-01）Fig.6 Curve of minute value of borehole strain at Putian seismic station

4. 3 氣壓干擾

氣壓的變化對莆田臺(tái)體應(yīng)變的觀測數(shù)據(jù)干擾比較明顯， 呈線性關(guān)系， 斜率約為0.2×10-9/MPa，從短期的氣壓變化（1 h）可以明顯觀察到對體應(yīng)變的觀測的影響， 但氣壓本身的日變化比較小，日干擾幅度（≤5×10-9）小于固體潮的日變幅度（≥70×10-9）， 對觀測記錄到的應(yīng)變固體潮畸變影響很小。圖7 中可見對體應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理是能夠明顯降低氣壓變化對數(shù)據(jù)的干擾， 但由于莆田臺(tái)氣壓輔助觀測儀器多次出現(xiàn)故障， 測值不穩(wěn)定，所以固體潮分析時(shí)未對觀測數(shù)據(jù)作氣壓校正。

圖7 莆田臺(tái)氣壓和體應(yīng)變分鐘值及經(jīng)氣壓處理后的體應(yīng)變分鐘值圖（2012-02-03）Fig.7 Curve of minute values of borehole strain，atmospheric pressure and borehole strain after pressure correction Putian seismic station(February 3，2012)

5 結(jié)語

（1）兩次地震前都出現(xiàn)了比較明顯的、 一年左右時(shí)間長度的莆田臺(tái)鉆孔應(yīng)變固體潮畸變現(xiàn)象。這種現(xiàn)象從數(shù)據(jù)的變化幅度、 形態(tài)受氣象等外界干擾的影響很小， 可能為地震前由于應(yīng)變固體潮對地殼介質(zhì)彈性性質(zhì)的改變較為敏感， 地震發(fā)生前地殼介質(zhì)彈性性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變， 進(jìn)而所測應(yīng)變固體潮曲線發(fā)生畸變。

（2）兩次地震前的莆田臺(tái)固體潮畸變異常表現(xiàn)的形式稍有不同。 2007年福建順昌4.9 級地震前記錄到的固體潮畸變異常， 相對于2011年日本9.0 級地震， 觀測數(shù)據(jù)的日變化幅度較大、 潮汐分析相對中誤差值也比較大， 而且在震前完全恢復(fù)正常， 這可能與震源相對于體應(yīng)變監(jiān)測位置有關(guān)。

（3）固體潮畸變產(chǎn)生的內(nèi)在原因可能與震源機(jī)制、 鉆孔應(yīng)變臺(tái)站觀測環(huán)境等有關(guān)， 但由于條件所限， 這里未作深入研究。

[1] 王梅， 宋治平， 李峰. 由泰安地震臺(tái)形變資料看固體潮數(shù)字化觀測運(yùn)行[J]. 地震研究， 2004， 27（1）： 49-56.

[2] 劉水蓮， 李祖寧， 楊穎. 福建省數(shù)字化鉆孔體應(yīng)變觀測資料質(zhì)量初步分析[J]. 華南地震， 2007， 27（4）： 79-87.

[3] 王梅. 數(shù)字化體應(yīng)變與氣壓、 水位相關(guān)性研究[J]. 大地測量與地球動(dòng)力學(xué)， 2002， 22 (4)： 85-87.

[4] 宋曉冰， 李海孝， 張常慧. 懷來地震臺(tái)體應(yīng)變有震異常分析[J]. 地震地磁觀測與研究， 2005， 26 (3)： 46-49.

[5] 李希亮. 濮陽ML4．6 級地震泰安地震臺(tái)潮汐形變短臨異常的識(shí)別[J]. 華北地震科學(xué)， 2009， 27（1）： 16-18.

[6] 中國地震局監(jiān)測預(yù)測司. 地形變測量[M]. 北京： 地震出版社， 2008： 335-339.