武都分量鉆孔應(yīng)變在汶川MS8.0級地震前的異常變化分析1

蒲小武1) 陳 征2) 高 原1) 李 濤2)蘇永剛1) 劉 瓔1) 許可娟1)

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武都分量鉆孔應(yīng)變在汶川8.0級地震前的異常變化分析

蒲小武陳 征高 原李 濤蘇永剛劉 瓔許可娟

1）甘肅省地震局隴南中心臺，隴南746000 2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

通過對武都應(yīng)變臺多年應(yīng)變資料的處理分析后發(fā)現(xiàn)，在汶川8.0級地震發(fā)生前，武都臺應(yīng)變有顯著的前兆異常變化，它與昆侖山口西8.1級地震前出現(xiàn)的異常有很高的相似度。昆侖山口西地震和汶川地震前都有“a-b-g”形變階段，在不同的前兆異常階段，異常形態(tài)有明顯的差異，而且各具特點。尤其在b階段，EW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變的異常變化（中期異常）都出現(xiàn)在震前2—3年，持續(xù)時間約1年多，而且異常都非常顯著。本文詳細分析了武都臺應(yīng)變在各個階段的前兆異常變化特征，并就其原因進行了初步分析。

鉆孔應(yīng)變 面應(yīng)變 差應(yīng)變 應(yīng)變主方向 前兆異常

引言

當今的地震成因理論認為：地震是地應(yīng)力、應(yīng)變積累到一定程度，使斷層失穩(wěn)滑動而發(fā)生的。據(jù)此理論，如果能直接測得孕震區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變的震前變化信息，那么無論地震能否成功預報，這對地震預報實踐而言都具有極其重要的現(xiàn)實意義。由于鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變方法是通過測量鉆孔孔徑變化，來直接或間接地測量地殼應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的相對變化，因而在理論上位于孕震區(qū)的應(yīng)力（應(yīng)變）觀測儀器可以觀測到與地震的孕育、發(fā)生直接相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變信息。由于所測信息與地震的孕育、發(fā)生直接相關(guān)，這就使得鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變方法在地震監(jiān)測預報中有著非常獨特的優(yōu)勢。而近年來，在美國啟動的“板塊邊界觀測（PB0）”項目中，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變測量與測震、GPS和InSAR并列，受到了前所未有的重視（邱澤華等，2004）。我國是最早開始進行鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測的國家之一，1966年在李四光先生的倡導下，使用鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測資料進行了地震預報嘗試。經(jīng)過近50年的發(fā)展，鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變觀測在理論和技術(shù)上日臻完善。在地震預報方面，使用鉆孔應(yīng)力-應(yīng)變方法預報地震積累了豐富的經(jīng)驗，使這一觀測手段成為有效進行地震預報的方法之一（蘇愷之，1982；1985；王啟民等，1983；歐陽祖熙等，1988；池順良，1993；邱澤華等，2002）。

2008年汶川大地震是新中國成立以來國內(nèi)破壞性最強、波及范圍最廣、總傷亡人數(shù)最多的地震之一。汶川地震發(fā)生后，對于地震有無前兆以及能否預報的問題再一次引起了整個社會的普遍關(guān)注，也引起了地震學界的深刻反思和總結(jié)。據(jù)有關(guān)地震形變專家的總結(jié)，在汶川震中一帶沒有鉆孔應(yīng)力（應(yīng)變）觀測點，在毗鄰震源區(qū)的姑咱形變臺（距震中約130km），鉆孔應(yīng)變分鐘值資料在震前1年多開始出現(xiàn)逐漸增強的短周期（數(shù)分鐘到數(shù)小時）異常變化，變化雖然細微，但是很清晰（邱澤華等，2009）。武都應(yīng)變臺距離汶川震中約300km，毗鄰川西高原龍門山斷裂帶以西的主要變形區(qū)（張培震等，2009），汶川地震前分量式壓容應(yīng)變儀出現(xiàn)了明顯的異常變化，有顯著的階段性異常變化特征。

1 武都應(yīng)變臺所處構(gòu)造及基本情況

武都應(yīng)變臺坐落于甘肅省隴南市武都區(qū)兩水鎮(zhèn)前村，處在與華南、巴顏喀拉、柴達木、鄂爾多斯等地塊相毗鄰的甘青地塊上（張培震等，2003）（見圖1）。臺站所處區(qū)域內(nèi)分布有武都弧形構(gòu)造帶，東西向構(gòu)造帶，北北東向及北西向構(gòu)造帶，位于多組構(gòu)造交匯、復合部位，易于應(yīng)力集中，是一個應(yīng)力敏感點。

武都應(yīng)變臺井孔巖性為灰?guī)r，巖石堅硬完整，孔內(nèi)有裂隙水，水位年變幅度2—3m。1992年武都應(yīng)變臺安裝了RZB-II型高精度壓容應(yīng)變儀，精度達10。探頭放置在距離地面86m的深井中，應(yīng)變探頭元件分別安置在EW、N45°E、NS、N45°W等4個水平方位上（圖2）。壓容應(yīng)變儀自觀測以來，至今已記錄到多次震前異常，并根據(jù)資料出現(xiàn)的異常變化（高原等，1999；2003）較成功地預報了1999年2月寧夏同心4.7級地震、1999年4月甘肅文縣梨坪4.7級地震和1999年9月青海河南5.1級地震。

2 干擾因素分析及水位干擾的剔除方法

鉆孔應(yīng)變干擾因素主要有氣溫、氣壓、水位等（鄭江蓉等，2011）。由于武都應(yīng)變臺鉆孔應(yīng)變探頭都處于80m以下的深部，在恒溫層以下，氣溫變化對探頭所處位置巖體的溫度影響很小，巖體熱脹冷縮引起的應(yīng)變變化可以忽略。同時由于武都應(yīng)變臺臺基巖性為堅硬完整的灰?guī)r，對于堅硬完整的巖體，氣壓變化雖然對應(yīng)變測值有影響，但引起的應(yīng)變變化比較小。

武都應(yīng)變臺處于白龍江河谷地帶，年水位變化達2—3m，因此水位變化是最主要的干擾因素。根據(jù)蒲小武等（2013）的方法，應(yīng)變測值中的水位干擾可有效剔除，其方法為：

由胡克定律及水中壓強公式聯(lián)立方程可得如下公式：

式中，稱之為應(yīng)變響應(yīng)靈敏度系數(shù)。

由式（2）可知，實測水位值和值可以對實測應(yīng)變值進行校正：

根據(jù)式（3），首先對1999—2008年應(yīng)變數(shù)據(jù)進行水位干擾剔除。

3 最大主應(yīng)變方向的變化特征

當應(yīng)變觀測分量不少于3個時，可根據(jù)以下公式求解測區(qū)水平相對應(yīng)變場參數(shù)（葛麗明等，1991）：

式中，、、分別為EW、NE、NS道元件觀測值；為逆時針為序的第一號元件方位與正北方向的夾角。

在應(yīng)變主方向計算式中，本文只用了2000—2008年的1、2、3號元件數(shù)據(jù)進行了計算。

根據(jù)武都應(yīng)變臺鉆孔應(yīng)變資料計算的2000—2008年最大應(yīng)變主方向的變化形態(tài)，可劃分為以下3個階段（見圖3）。

第Ⅰ階段：自2000年起至2003年5月底，最大應(yīng)變主方向逐漸由NWW-SEE方向往NW-SE方向偏轉(zhuǎn)。在該階段發(fā)生了昆侖山口西8.1級地震，震前應(yīng)變主方向變化較快，震后變化趨緩。

第Ⅱ階段：自2003年6月初至2005年4月中旬，最大應(yīng)變主方向相對第Ⅰ階段出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折性變化，但總體變化幅度較小，基本保持在NW-SE方向。2004年12月26日印尼8.7級地震前50多天，應(yīng)變主方向出現(xiàn)了持續(xù)約20天的起伏變化。

第Ⅲ階段：開始于印尼8.5級地震后約1個月，應(yīng)變主方向偏轉(zhuǎn)了約20°，并持續(xù)由NW-SE方向往NWW-SEE方向偏轉(zhuǎn)，2006年10月底以前變化較快，隨后變化趨緩，汶川地震前一定時段內(nèi)應(yīng)變主方向保持穩(wěn)定。

2000—2008年應(yīng)變主方向在NW-SE方向至NWW-SEE方向變化（見圖3（a）、（b）、（c））。由胡克定律可知，在小形變條件下，最大應(yīng)變主方向就代表了最大主應(yīng)力場的方向，這表明武都測區(qū)最大主應(yīng)力場的方向也在NW-SE方向至NWW-SEE方向變化。

4 昆侖山口西8.1級地震前武都應(yīng)變前兆異常變化特征

4.1 關(guān)于面應(yīng)變及差應(yīng)變的概念介紹

當幾個受力元件受到巖石應(yīng)力作用時，每個元件的應(yīng)變測值S應(yīng)符合如下關(guān)系式（蘇愷之等，1985）：

式中，A為第號元件對的靈敏系數(shù)；B為第號元件對的靈敏系數(shù)；為主應(yīng)變之和，即面應(yīng)變；為主應(yīng)變之差（兩倍最大差應(yīng)變）；為主應(yīng)變方向與號元件之間的夾角。

====時，有：

+=+=2(+) （7）

-=2(-)cos2（8）

式（7）可以說明1號與3號應(yīng)變測值之和等于2號與4號應(yīng)變測值之和，其變化值只與面應(yīng)變有關(guān)。式（8）則表明1號與3號應(yīng)變測值之差（或者2號與4號應(yīng)變測值之差）只與最大差應(yīng)變有關(guān)。

4.2 昆侖山口地震應(yīng)變前兆異常變化特征

自然界存在著形變（應(yīng)變）逐漸積累→突然釋放（地震）→逐漸積累→突然釋放（地震）…的過程，地震學稱之為“地震循回”，對應(yīng)的形變稱之為“形變循回”。地震科學家將地震地形變隨時間的演化過程歸納為“a-b-g-d-a”諸階段?！癮”表示“震間形變”；“b”、“b”、“g”表示“震前形變”；“g”表示“同震形變”；“d”表示“震后形變”（中國地震局監(jiān)測預報司，2008）。

（1）震間應(yīng)變階段（a）：該階段屬于無震變化時段，也即正常形變階段。該階段EW道、NW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變既沒有趨勢型上升、下降型變化，也沒有波動型變化，測值穩(wěn)定。

（2）中期異常階段（b）：震前約2.5年，EW道、NW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變出現(xiàn)了同步快速下降變化（見圖4（a）），約持續(xù)1.3年，表明壓應(yīng)力持續(xù)增強，最大、最小主壓應(yīng)力差也逐漸增大。

（3）中短期異常階段（b）：EW道呈小幅起伏波動變化，沒有趨勢變化形態(tài)。NW道、面應(yīng)變由b階段大幅度下降（受壓）發(fā)生了轉(zhuǎn)折變化，出現(xiàn)緩慢上升變化（受張），總體變幅較小。

（4）臨震異常階段（g）：NW道在震前40多天出現(xiàn)了快速上升變化（受張），變化幅度達到了270×10應(yīng)變量。

根據(jù)武都應(yīng)變臺資料的異常變化，在昆侖山地震發(fā)生的前一周，高原等（2003）作出了短臨預報。

5 汶川8.0級地震前武都臺應(yīng)變前兆異常變化特征

5.1 震間應(yīng)變階段（a）特征（2004年1月—2005年3月）

EW道、NW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變沒有趨勢性變化，測值比較穩(wěn)定。最大主應(yīng)力場方向為NW-SE方向附近，沒有較大變化。2004年12月26日印尼8.7級地震發(fā)生的前2月，EW道“快速下降—急劇上升”呈明顯的“V”字形變化，變化幅度達310×10應(yīng)變量，變化顯著。面應(yīng)變和差應(yīng)變也出現(xiàn)了與EW道同步的“V”字形變化。在印尼8.5級地震發(fā)生后的約1個月時間內(nèi)，6天內(nèi)EW道、NW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變出現(xiàn)了同步大幅度急劇下降變化，也即壓應(yīng)力急劇增加，其中EW道、NW道變幅分別為305×10和120×10（見圖4（b））。在這一階段，雖受印尼2次地震影響，測值有起伏，但總體變化平穩(wěn)。

5.2 中期異常階段（b）特征（2005年4月—2006年10月）

印尼8.5級地震發(fā)生后的1個月，EW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變出現(xiàn)了連續(xù)大幅度的下降變化，EW道變幅分別達到2075×10。這表明在此時段壓應(yīng)力急速增強，應(yīng)變能快速積累。應(yīng)變主方向在印尼8.5級地震發(fā)生后，由NW-SE向快速跳轉(zhuǎn)至NWW-SEE向，并持續(xù)快速地向EW向偏轉(zhuǎn)，角度偏轉(zhuǎn)了約20°。

該階段前兆異常發(fā)生在汶川地震前的3年內(nèi)，持續(xù)時間約1.5年，以EW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變的顯著增加為主要特點，這表明在該階段區(qū)域應(yīng)力場有了顯著增強，主壓應(yīng)力快速增加。

5.3 中短期異常階段（b）特征（2006年10月—2008年4月）

EW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變在該階段出現(xiàn)非常相似的張—壓交替變化形態(tài)，與b階段的變化相比有明顯的不同（圖5）。NW道在該階段出現(xiàn)連續(xù)大幅度下降變化，變化幅度達1210×10，這表明在NW方向壓應(yīng)力持續(xù)增強。應(yīng)變主方向在2006年10月底至2007年4月初變化不顯著，自2007年4月初至9月中下旬，應(yīng)變主方向自NWW-SEE向EW方向快速偏轉(zhuǎn)，變化幅度達到7°。

5.4 臨震異常階段（g）及同震變化（g）特征（2008年4月—發(fā)震）

EW道于2008年4月5日14時起出現(xiàn)快速上升變化，至4月10日14時累積增加了142×10應(yīng)變量，其后測值出現(xiàn)小幅下降—回升的波動型變化。汶川地震發(fā)生后，測值同步下降了105×10應(yīng)變量，回跳到了4月5日前的水平。NE道2008年5月1日起出現(xiàn)了2次臺階式上升變化，測值累積達98×10應(yīng)變量，汶川地震發(fā)生后的1小時，測值出現(xiàn)70×10應(yīng)變量的同震階降，之后測值又回歸到了5月1日前的水平。NS道2008年4月9日5時至4月10日18時，出現(xiàn)了52×10應(yīng)變量的連續(xù)升高型變化，此后測值波動下降后又快速回升，汶川地震的發(fā)生造成了76×10應(yīng)變量的同震階升變化。NW道2008年4月24日、5月1日出現(xiàn)2次大幅度下降型突跳變化，分別達到了103×10和146×10應(yīng)變量。

6 結(jié)論與討論

判斷一個地震臺站應(yīng)變資料出現(xiàn)的異常變化是否是地震前兆異常，需要判斷這些異常是否滿足地震前兆的3個必要判據(jù)：①有正常背景；②非干擾影響；③與地震相關(guān)（邱澤華，2010）。武都應(yīng)變臺的最大干擾因素為水位，在本文中水位干擾因素已經(jīng)基本被剔除，在汶川地震發(fā)生前出現(xiàn)的異常變化可以排除各種干擾因素的影響。汶川地震發(fā)生前有震間應(yīng)變階段（a），也即正常背景變化狀態(tài)；同時震前有b、g階段的前兆異常變化，滿足地震前兆的3個必要判據(jù)，地震前兆異常是可信的。

由實測應(yīng)變資料計算的應(yīng)變主方向在NW-SE向和NWW-SEE向間變化，揭示了最大主應(yīng)力場方向在此方向變化，最接近此方向的EW道、NW道應(yīng)變測值，在昆侖山口西地震和汶川地震前變化最為顯著。

在昆侖山口西地震和汶川地震前都有“a-b-g”形變階段，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)有一定的相似性。尤其在b階段，EW道、面應(yīng)變、差應(yīng)變的異常變化（中期異常）都出現(xiàn)在震前2—3年，同時也都持續(xù)了約1年多，異常都非常顯著。

武都應(yīng)變臺距離汶川地震震中約300km，為何會出現(xiàn)如此明顯的震前異常？根據(jù)汶川地震前的形變觀測，整個龍門山斷裂帶的應(yīng)變速率很低，變形主要發(fā)生在龍門山斷裂帶以西的川西高原（高原等，2003），而武都應(yīng)變臺毗鄰川西高原，因而應(yīng)變異常顯著。根據(jù)武都應(yīng)變臺所測應(yīng)變資料計算的應(yīng)變主方向，2000—2008年基本在NWW-SEE方向和NW-SE方向之間變化，這與GPS測量結(jié)果基本一致（楊國華等，2012）。

池順良，1993．一種淺孔安裝的YRY一2型鉆孔應(yīng)變儀在中國華北地區(qū)8個臺站試驗觀測的結(jié)果．地震學報，15：224—231．

葛麗明，黃祥寧，蔣紅娣等，1991．鉆孔應(yīng)力資料的應(yīng)力狀態(tài)計算及繪圖程序．見：地震預報方法實用化研究文集．北京：地震出版社，506—511．

高原，李凌飛，1999．武都應(yīng)變資料在1998年甘肅南部地震活動高潮期的反映．甘肅地震監(jiān)測與研究，1（4）：26—29．

高原，蒲小武，陳彥平等，2003．昆侖山口西8.1級地震與甘川應(yīng)變變化的關(guān)系．西北地震學報，25（1）：70—73．

歐陽祖熙，李秉元，賈維九等，1988．一種鉆井式地應(yīng)力測量系統(tǒng)．見：地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集（2）．北京：地震出版社，1—20．

蒲小武，王康，梅東林等，2013．武都四分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)分析．地震地磁觀測與研究，34（5/6）：328—333．

邱澤華，張寶紅，2002．我國鉆孔應(yīng)力一應(yīng)變地震前兆監(jiān)測臺網(wǎng)的現(xiàn)狀．國際地震動態(tài)，（6）：5—9．

邱澤華，石耀霖，2004．國際鉆孔應(yīng)變觀測的發(fā)展現(xiàn)狀．地震學報，26（增刊）：162—168．

邱澤華，唐磊，周龍壽等，2009．鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)汶川地震觀測資料初步分析若干結(jié)論．大地測量與地球動力學，29：1—5．

邱澤華，2010．關(guān)于地震前兆的判據(jù)問題．大地測量與地球動力學，30（Supp.Ⅱ）：1—6．

蘇愷之，1982．液位型體積式應(yīng)變儀的工作原理．地震科學研究，4：57—62．

蘇愷之，1985．地應(yīng)力測量方法．北京：地震出版社．

王啟民，馮先水，馬鴻鈞，1983．一種弦頻式鉆孔應(yīng)變儀．地震學報，5：370—376．

楊國華，楊博，占偉，2012．GPS資料反映大震前后青藏高原東北緣的水．地震研究，35（3）：295—302．

鄭江蓉，徐徐，王俊，江昊琳，2011．六合體應(yīng)變干擾因素與地震短臨異常特征研究．西北地震學報，33（1）：84—90．

張培震，聞學澤，徐錫偉等，2009．2008年汶川8.0級特大地震孕育和發(fā)生的多單元組合模式．科學通報，54（7）：944—953．

張培震，鄧起東，張國民等，2003．中國大陸的強震活動與活動地塊．中國科學（D輯）：地球科學，33（增刊）：12—20．

中國地震局監(jiān)測預報司，2008．地形變測量（第一版）．北京：地震出版社．

Component Borehole Strain Changes at Wudu Station Before the Wenchuan 8.0 Earthquake Analysis

Pu Xiaowu, Chen Zheng, Gao Yuan, Li Tao, Su Yonggang, Liu Yingand Xu Kejuan

1) Wudu Seismic Station, Earthquake Administration of Gansu Province, Longnan 746000, China 2) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration，Beijing 100085, China

Through analyzing strain monitoring data from Wudu station, the significant anomaly was found before the Wenchuan 8.0 earthquake, and such anomaly is very similar with the phenomena before the Kunlun mountain 8.1 earthquake. There existed a "α-β-γ" pattern of deformation stages before both Kunlun earthquake and Wenchuan earthquake. At the different stages of precursory anomalies, abnormal shape is significantly different, especially in thebstage, during which the EW channel, plane strain, differential strain changes (interim) before 2 to 3 years, lasting for about 1 year. At different stages, precursory anomalies have remarkable difference. In this article we analyzed the monitoring data from Wudu station to characterize the strain precursory anomaly for each stage, and discussed the possible causes and mechanism between the anomalies and occurrence of the earthquakes.

Borehole strain; Plane strain; Differential strain; The strain of main direction; Anomalies

1基金項目“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK19B03）和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項基金資助項目（ZDJ 2011-03，ZDJ 2013-06，ZDJ 2013-07）及地震行業(yè)專項（201408006）聯(lián)合資助

2013-08-28

蒲小武，男，生于1976年。高級工程師。主要從事地形變及地下流體觀測工作。E-mail: wdpuxw@163.com

蒲小武，陳征，高原，李濤，蘇永剛，劉瓔，許可娟，2014．武都分量鉆孔應(yīng)變在汶川8.0級地震前的異常變化分析. 震災防御技術(shù)，9（1）：133—141.