文安5.1級地震前后地殼形變特征研究

余 丹，魏 星，紀壽文

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

0 引言

2006年7月4日11時56分，在河北省文安縣發(fā)生MS5.1級地震。首都圈的北京、天津、河北、山西、山東部分地區(qū)均有不同程度的震感。研究發(fā)現(xiàn)文安地震前重力測網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)了以上升為主的異常變化，在文安地震震中，短期內(nèi)形成了重力高梯度帶［1］。同時有專家研究發(fā)現(xiàn)體應變、跨斷層位移測點群體趨勢轉(zhuǎn)折［2］，鉆孔應力應變測點先后出現(xiàn)了中短期異常［3］。上述文獻揭示了地震前前兆信號存在的可能性，因此本文綜合利用洞體應變和鉆孔應變資料，采取不同的方法研究文安地震前后地殼形變的變化特征。

洞體應變和鉆孔應變觀測作為重要的地震前兆監(jiān)測手段，在地震監(jiān)測預報研究中發(fā)揮著重要的作用，尤其在地震短臨預報研究中取得了許多研究成果，為地震預報研究積累了豐富的觀測資料。張晶等［4］綜合分析認為，文安地震前局部應變場的異常變化在200km 范圍內(nèi)，異常持續(xù)3個月左右，池順良［5］觀測到了汶川和蘆山強震孕震過程中四川姑咱地震臺的潮汐畸變應變異常現(xiàn)象。周文斌［6］認為在俄羅斯東海岸6.2級地震前敦化臺鉆孔應變資料記錄到了顯著的短期和臨陣異常。山丹臺體應變在汶川8.0級地震前46h、8h、37min時分別記錄到了明顯的短臨階躍異常［7］。本文綜合利用2種應變觀測資料的時間序列法和圖像法，研究文安地震前后應變演化特征及與地震和構(gòu)造的關(guān)系，并進行定性分析。

1 臺站概況

在首都圈地區(qū)，距離文安震中200km 范圍內(nèi)運行的應變觀測臺站共計10個（圖1），但2006年前正常運行并獲得數(shù)據(jù)的只有4個臺站，因此選取這4個臺的應變觀測資料進行分析。為對比距離震中較遠的形變臺站的變化情況，本文特別分析了距震中約245km 的張家口臺站（表1），這些應變連續(xù)觀測站的布設使首都圈地區(qū)的應變觀測達到了一定的密度。

圖1顯示該次地震發(fā)生在牛東斷層和高陽－博野斷裂帶附近。離震中最近的臺站為天堂河地震臺和易縣地震臺。大興天堂河臺位于北京市大興區(qū)天堂河醫(yī)院院內(nèi)，距離震中約89km，是首都圈Sacks體應變綜合觀測臺網(wǎng)的一個子站，南苑－通縣斷裂在附近通過。井下探頭使用的是美國華盛頓卡內(nèi)基研究所研制的Sacks－Evertson鉆孔應變儀，能記錄到清晰的固體潮變化，穩(wěn)定性好。2001年9月完成數(shù)字化改造，實現(xiàn)分鐘值采樣和數(shù)據(jù)自動傳輸。

易縣地震臺位于保定市西北部，在易縣縣城西20km 處，距離震中約95km，該臺為形變綜合臺，其中，SS－Y 型伸縮儀和TJ－II型鉆孔體應變儀自2001年起正式運行以來，儀器工作正常，產(chǎn)出觀測資料連續(xù)率良好，穩(wěn)定可靠。位于河北省易縣縣城西20km 處，太行山山前大斷裂和西部紫荊關(guān)大斷裂之間，其附近有次級斷裂構(gòu)造（大紅門斷層）。

圖1 首都圈定點應變觀測臺站分布圖

昌平地震臺位于北京市昌平區(qū)十三陵風景區(qū)臥虎山腳下，距離震中150km，構(gòu)造上位于北東向南口－山前活動斷裂和北西向南口－孫河活動斷裂交匯部位以東7.5km 處，屬于應力變化敏感區(qū)。其中，RZB－1分量應變儀在2008年6月以前儀器各分量運行狀態(tài)基本正常，TJ－II型體應變儀于2005年3月18日安裝并啟用。

小辛莊觀測山洞為部隊戰(zhàn)備山洞，位于薊縣城東15km，薊縣臺臺站東約4.5km，距離震中約19km，山洞處于陰山緯向構(gòu)造體系東部的東西向壓性斷裂帶的許家臺－薊縣－遵化山前斷裂區(qū)，與新華夏系華北沉降帶東北邊緣相接。1983年底小辛莊山洞改造建設竣工并投入使用，架設了SSY－Ⅱ石英伸縮儀。

張家口地震臺地處京西北、晉冀蒙交界地區(qū)，位于陰山東西向構(gòu)造帶與山西地震帶北端、張家口－渤海地震帶西北端的交匯部位，距離震中最遠，約為245km。該臺的TJ－Ⅰ型鉆孔體應變儀和SS－Y 型伸縮儀工作正常，產(chǎn)出觀測資料連續(xù)率良好，穩(wěn)定可靠。

表1 文安地震前應變異常統(tǒng)計

2 觀測資料分析

本文對上述5個臺站應變觀測資料的日均值和分鐘值進行了初步分析，并對易縣觀測站和張家口觀測站的伸縮應變參數(shù)進行計算分析。

2.1 時序變化

從表1 所示的5 個臺站8 套應變儀器來看，200km范圍內(nèi)的多數(shù)臺站存在同震效應。圖2 顯示了4個體應變臺的臨震和震后的分鐘值變化曲線，可以看出在震前4天昌平、易縣、張家口臺的應變幅度在7月1—4日均呈下降趨勢，在震后的7月5日達到最低，從7月6日開始應變幅度呈上升趨勢；僅天堂河臺的應變幅度在7月1—4日呈上升趨勢，在7月6日達到最高。同時，4個臺的峰谷幅度差值逐漸降低，在地震當天達到最低，震后峰谷差值逐漸增加。

圖2 易縣、昌平、天堂河、張家口體應變7月1—10日分鐘值原始變化曲線圖

圖3為易縣（a）、張家口（b）、小辛莊（c）的洞體應變原始分鐘值變化曲線圖，從圖上可以清晰地看出，3臺的各分量曲線在1—10日出現(xiàn)上升趨勢，其峰谷差值也呈現(xiàn)上升的趨勢，而地震恰恰發(fā)生在峰谷差值最低點的7月4日。

圖3 易縣（a）、張家口（b）和小辛莊（c）洞體應變7月1—10日分鐘值原始變化曲線圖

圖4顯示了昌平臺鉆孔應變的NS分量應變幅度在7月6日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由升高轉(zhuǎn)為下降，而NE 和NW 分量應變幅度在7月6日變化速率加快，但總體變化趨勢一致。

圖4 昌平鉆孔應變7月1—10日分鐘值原始變化曲線圖

圖5為小辛莊臺2006年各分量的日均值曲線變化圖，可以看出自2006年3月底至6月底期間，先是在3月底至4月初出現(xiàn)輕微的膨脹變化，然后出現(xiàn)急劇的壓性下降狀態(tài)，直到地震前出現(xiàn)階躍變化。

圖6為易縣臺伸縮儀三分量觀測曲線，NS 向觀測在2001—2005年呈下降的壓性變化，2006年初由下降轉(zhuǎn)為上升變化，在上升和下降過程中發(fā)生了文安5.1 級地震，2007年恢復壓性下降狀態(tài)，2010年初再次轉(zhuǎn)為向上的膨脹變化，2012年恢復。EW 向觀測在2001—2004年呈下降的壓性變化，2005年變化趨勢逐漸穩(wěn)定，2011年再次轉(zhuǎn)為下降的壓性變化。NE 向于2005年下半年轉(zhuǎn)為向下的壓性變化，2006年出現(xiàn)短暫的平緩變化，2007年恢復壓性下降狀態(tài)，2009年以后曲線呈相對緩慢的壓性下降狀態(tài)，2011年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

圖5 小辛莊洞體應變2006年日均值變化曲線圖

圖6 易縣臺2001—2012年洞體應變?nèi)站涤^測曲線圖

上述臺站均屬華北北部、首都圈地區(qū)，在文安地震前，從短臨的分鐘值曲線和長期的日均值曲線來看，鉆孔應變、體應變和洞體應變在臨震前出現(xiàn)了大范圍同步轉(zhuǎn)折變化，其現(xiàn)象表明，在區(qū)域應力、震源應力的共同作用下，大范圍地殼不同層位巖石的應力積累達到較高水平。有研究［2］表明，斷層活動的強弱是區(qū)域主壓應力強弱的表現(xiàn)，亦是孕育地震強弱的一個標志。

2.2 應變參數(shù)變化

在力學中，應變狀態(tài)是以主應變、剪切應變、主應變方向等參數(shù)來描述的。在應力場作用下，剪應變的變化更能體現(xiàn)巖石破裂過程中的作用，雖然剪應變不可直接觀測到，但可通過伸縮儀3個方向的應變組合觀測，計算出平面應變參數(shù)：剪應變、主應變、最大剪應變以及主應變方向等［8］，從而分析區(qū)域應變場的變化，進一步研究地表平面應變狀態(tài)與地震和構(gòu)造的關(guān)系。

圖7 應變張量在不同坐標系框架下的轉(zhuǎn)換

目前的應變臺網(wǎng)的定點伸縮儀觀測站具有3個方向觀測，除了2個正交方向的觀測外，還有一個斜邊觀測。根據(jù)測得的3個方向的應變值，按照主應變、剪應變計算公式，即可計算出主應變、剪應變、主應力方向。圖7所示的觀測方向為目前大部分觀測站的測線方向，以張家口和易縣臺的觀測方向為例，張家口觀測站斜邊觀測為NW 向，易縣觀測站斜邊觀測為NE向。

為探索文安地震前的應變狀態(tài)變化，本文特對距離震中較近的易縣地震臺和較遠的張家口地震臺的洞體應變進行了應變各參數(shù)（最大主應變、最小主應變、最大剪應變和主應變方向）進行了計算。圖8為易縣臺平面應變參數(shù)的計算結(jié)果，可以看出，最大主應變、最小主應變和最大剪應變曲線在文安地震前后都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。在2010年初也發(fā)生同步轉(zhuǎn)折；主應變方向在2006年7月出現(xiàn)大幅度的轉(zhuǎn)折變化，其后恢復，至2012年12月，未再出現(xiàn)明顯的異常變化。

圖9為張家口臺的各種應變參數(shù)曲線?？梢钥闯?，最大主應變、最小主應變和最大剪應變在2001—2008年變化較為平穩(wěn)，2009年出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折，加速上升或下降，2011年再一次發(fā)生轉(zhuǎn)折。主應變方向在2005年出現(xiàn)向下的加速變化，2009年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其后變化較穩(wěn)定。以上所述的異常變化在時間上可對應2005年8月31日蔚縣4.0 級地震，該地震距張家口臺約100km，而2006年7月4日文安地震前該臺沒有異常顯示。

圖8 易縣臺應變參數(shù)變化曲線

圖9 張家口臺應變參數(shù)變化曲線

3 認識與討論

本文分析了文安地震前200km 范圍內(nèi)觀測站及張家口地震臺的洞體應變、鉆孔應變和體應變的變化形態(tài)，從震前的分鐘值變化，中短期的日均值變化到應變的各參數(shù)變化，在華北北部、特別是首都圈地區(qū)應變資料出現(xiàn)了大范圍、同步轉(zhuǎn)折變化，部分臺站出現(xiàn)畸變變化。其現(xiàn)象表明，文安地震前在區(qū)域應力、震源應力的共同作用下，大范圍地殼不同層位巖石的應力積累達到較高水平。

離震中最遠的張家口NS 向、NW 向觀測曲線和最大主應變、最小主應變、最大剪應變曲線在2009年同步出現(xiàn)了加速上升或下降，且變化幅度很大，2011年初又同步發(fā)生轉(zhuǎn)折。而離震中較近的易縣NS向、EW 向觀測曲線2011年發(fā)生同步轉(zhuǎn)折，最大主應變和最大剪應變在2010年也出現(xiàn)了同步加速上升變化。以上2個臺及臺內(nèi)不同應變參數(shù)之間發(fā)生的同步轉(zhuǎn)折，可以認為這種變化不是偶然的，表明了首都圈西部區(qū)域應變場在2011年前后發(fā)生了變化。但首都圈及附近地區(qū)近年來除文安地震外，并沒有中強以上地震發(fā)生，經(jīng)分析認為這可能反映了引發(fā)周邊特大地震的板塊構(gòu)造應力場變化，在時間上恰好與2011年3月11日日本本州東海岸附近海域發(fā)生的M9.0地震對應。日本9級地震發(fā)生在日本島弧的日本海溝地震帶，該地震帶屬于西太平洋地震帶，日本島弧位于太平洋板塊、菲律賓板塊、歐亞板塊與北美板塊相沖的地方。日本島弧與中國東部地塊構(gòu)造及應力場具有統(tǒng)一性，這無論是從板塊構(gòu)造角度還是地質(zhì)力學的角度都能解釋［9］。在日本海溝地區(qū)，由于太平洋板塊的斜向俯沖運動，產(chǎn)生持續(xù)形變、積累應力，并孕育大地震。隨著太平洋板塊俯沖運動的繼續(xù)，在板塊邊界發(fā)生變形的同時，陸地一側(cè)的應變也不斷地增加?？梢哉J為，太平洋板塊的俯沖運動為歐亞大陸地震的發(fā)生提供了力源。華北地區(qū)位于歐亞板塊東面，它受到太平洋板塊向西俯沖的力較為直接。因此，多個臺及各個臺內(nèi)不同應變參數(shù)之間發(fā)生的同步轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，可能反映的是引發(fā)周邊特大地震的板塊構(gòu)造應力場的變化。

通過上述分析，可以得到以下幾點認識：

（1）在文安地震前，各種分析證明，距震中200 km 范圍內(nèi)的臺站部分伸縮儀的原始觀測曲線和計算的應變參數(shù)曲線在震前均出現(xiàn)張性或者壓性轉(zhuǎn)折變化，或者階躍變化。

（2）地表潮汐平面應變與地震存在一定的關(guān)系，而且在中強地震前后地表平面應變狀態(tài)表現(xiàn)出不同的變化特征。

（3）在中強地震發(fā)生前，最大主應變、最小主應變、最大剪應變加速上升或下降，然后發(fā)生轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折時或轉(zhuǎn)折后發(fā)生地震；有的地震發(fā)生在趨勢上升或下降過程中。平面應變參數(shù)曲線也可能在地震后1～2年發(fā)生轉(zhuǎn)折。2011年前后發(fā)生同步轉(zhuǎn)折變化，且變化幅度很大，但首都圈及附近地區(qū)并沒有中強以上地震發(fā)生，經(jīng)分析認為這可能與引發(fā)2011年3月日本9.0級特大地震的板塊構(gòu)造應力場變化有關(guān)。

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