連云港地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變同震變化觀測(cè)資料分析

孫 雷 曾 智 立 凱 何浩宇 秦 磊

（中國(guó)江蘇 222061 連云港地震臺(tái)）

0 引言

固體潮潮汐因子是固體潮觀測(cè)值與理論值的比值，具有物理意義清楚的特點(diǎn)，正常情況下在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，能有效反映地殼介質(zhì)的物性變化，往往在震前發(fā)生畸變。當(dāng)?shù)貧?nèi)應(yīng)變積累到一定程度，力學(xué)狀態(tài)明顯改變時(shí)，介質(zhì)物性發(fā)生變化，M2波潮汐因子隨之變化（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司2008），現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地震前兆分析。

在鉆孔體應(yīng)變實(shí)際觀測(cè)中，由于地震臺(tái)井孔條件、觀測(cè)環(huán)境的不同，體應(yīng)變儀記錄的固體潮受到諸多因素影響，其中受氣壓與降雨影響較大，許多學(xué)者從理論模型和實(shí)際觀測(cè)資料分析其相關(guān)性（張凌空等，1996；蘇愷之等，2003；馬棟等，2011；鄭江蓉等，2011）。

本文嘗試使用潮汐因子分析方法，對(duì)連云港地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱連云港臺(tái)）體應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行相關(guān)分析，以期捕捉地震前兆信息。

1 測(cè)點(diǎn)地質(zhì)概況

連云港臺(tái)始建于1976年，海拔高程約30 m，在大地構(gòu)造分區(qū)中隸屬于揚(yáng)子與華北斷塊之間的蘇北—魯南地體；南以嘉山—響水?dāng)嗔褳榻纾髋c郯廬斷裂為鄰，東瀕黃海。臺(tái)站附近主要斷裂為NE向猴嘴—南城斷裂和新河—桑墟斷裂，地形受構(gòu)造控制明顯。臺(tái)址基巖屬前寒武系云臺(tái)山組中段，巖性為花崗片麻巖。巖層走向NE—SW，傾向SE，傾角約35°。探頭安裝于深度61.15 m、孔徑l50 mm的裸孔底部。鉆孔巖性較均勻，0—4.8 m 為土層， 4.8—61.0 m為混合片麻巖，鉆孔周圍無(wú)明顯干擾源。同時(shí)安裝氣壓、水位、井溫、觀測(cè)室溫和降雨量等輔助觀測(cè)儀器，儀器安裝完畢即投入試運(yùn)行。

2 資料選取

連云港臺(tái)TJ-2型鉆孔體應(yīng)變儀于2006年12月18日架設(shè)，2007年1月1日正式運(yùn)行。TJ-2體積式鉆孔應(yīng)變儀采用格值為2.32×10-9/mV，儀器靈敏度優(yōu)于1×10-9，工作狀態(tài)良好，能清晰記錄到應(yīng)變固體潮，能記錄到全球大部分強(qiáng)震類似地震波形的同震應(yīng)變階?！笆濉蹦Ｊ街鳈C(jī)中含有氣壓、水位、室溫3項(xiàng)輔助測(cè)項(xiàng)，已積累多年連續(xù)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。本研究選取2009—2013年連云港臺(tái)體應(yīng)變數(shù)字觀測(cè)資料進(jìn)行分析。

3 干擾影響

鉆孔體應(yīng)變受氣壓、水位影響，而強(qiáng)降雨最終通過(guò)鉆孔水位影響體應(yīng)變變化。利用EIS2000（蔣駿等，2000）提供的軟件對(duì)連云港地震臺(tái)2009—2010年鉆孔體應(yīng)變整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，取檢驗(yàn)值F=0.05，得出復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.787。計(jì)算結(jié)果表明，連云港臺(tái)體應(yīng)變與氣壓、水位及降雨存在明顯的相關(guān)性（圖1）。

圖1 2009—2010年連云港地震臺(tái)氣壓變化與鉆孔體應(yīng)變和鉆孔水位變化的關(guān)系曲線Fig.1 The relative curves of the change of atmospheric pressure with the change of bore hole strain and water level at Lianyungang Seismic Station during the year 2009 to 2010

3.1 氣壓影響

連云港地震臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)資料精度較高，可記錄到清晰的應(yīng)變固體潮，但存在一定干擾和漂移現(xiàn)象。氣壓變化是對(duì)體應(yīng)變觀測(cè)影響較大的因素之一，氣壓影響系數(shù)與臺(tái)址巖石的彈性模量、泊松系數(shù)密切相關(guān)。氣壓干擾主要是大氣壓強(qiáng)對(duì)地球表面的一種負(fù)荷效應(yīng)，通過(guò)鉆孔和巖石或巖石裂隙同時(shí)作用于鉆孔水位和體應(yīng)變探頭，造成鉆孔水位和應(yīng)變量變化。圖1為2009—2010年兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（體應(yīng)變資料進(jìn)行去傾、零飄處理）。由圖1可見(jiàn)：①當(dāng)氣壓變化比較劇烈時(shí)，體應(yīng)變資料呈現(xiàn)同步變化；②當(dāng)氣壓由高值向低值變化時(shí)，體應(yīng)變資料由低值向高值變化，兩者之間呈反向準(zhǔn)同步變化。

（1）氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響受季節(jié)影響。為消除氣壓對(duì)體應(yīng)變的影響，采用一元線性回歸模型，計(jì)算體應(yīng)變和氣壓的相關(guān)系數(shù)。

式中，a(t)為體應(yīng)變觀測(cè)值，P(t)為氣壓觀測(cè)值，b為回歸系數(shù)，a為常數(shù)項(xiàng)。由式（1）計(jì)算可得，連云港臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)值與氣壓回歸系數(shù)b=－1.389×10-10/Pa（負(fù)號(hào)表示氣壓與水位負(fù)相關(guān)）。選取2009年應(yīng)變觀測(cè)日均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果顯示：氣壓變化與體應(yīng)變相關(guān)性較高，不少月份相關(guān)系數(shù)達(dá)0.5以上，氣壓變化幅度越大相關(guān)性越好。氣壓對(duì)鉆孔體應(yīng)變的影響，季節(jié)不同強(qiáng)弱不同，春、秋、冬季影響較大。

表1 2009年體應(yīng)變與氣壓相關(guān)系數(shù)Table1 The correlation coeff i cient of bore hole strain with atmospheric pressure in the year 2009

（2）氣壓短周期波動(dòng)對(duì)應(yīng)變量影響顯著。2013年3月23日連云港臺(tái)體應(yīng)變、氣壓分鐘值曲線見(jiàn)圖2，由圖2可見(jiàn)：在19∶40—20∶30氣壓急劇變化時(shí)，應(yīng)變量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)變化。

圖2 連云港臺(tái)2013年3月23日氣壓、體應(yīng)變分鐘值曲線Fig.2 Minute-value curves of atmospheric pressure and body strain at Lianyungang Seismic Station on March 23,2013

3.2 水位影響

鉆孔水位變化的本質(zhì)是含水層或破碎帶中孔隙水壓力的變化，孔隙水壓力發(fā)生變化帶來(lái)體應(yīng)變觀測(cè)值變化。從鉆孔水位長(zhǎng)期變化（圖1）看，連云港鉆孔體應(yīng)變和水位變化具有較好的同步性，二者變化趨勢(shì)一致。采用一元線性回歸模型，計(jì)算體應(yīng)變和水位的相關(guān)系數(shù)。

式中，a(t)為體應(yīng)變觀測(cè)值，h(t)為水位觀測(cè)值，b為回歸系數(shù)，a為常數(shù)項(xiàng)。由式（2）計(jì)算得，連云港體應(yīng)變與水位的回歸系數(shù)b=3.820×10-10/cm。選取2009年水位日均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，結(jié)果顯示：在鉆孔水位從高值下降時(shí)，鉆孔體應(yīng)變觀測(cè)值呈下降趨勢(shì)，水位變化與體應(yīng)變相關(guān)性較高，多數(shù)月份二者之間相關(guān)性較氣壓與體應(yīng)變相關(guān)性高，不少月份相關(guān)系數(shù)達(dá)0.6以上，平均值達(dá)0.751。說(shuō)明水位變化是影響體應(yīng)變觀測(cè)的另一個(gè)重要因素。

表2 2009年體應(yīng)變與水位相關(guān)系數(shù)Table2 The correlation coeff i cient of bore hole strain with water level in the year 2009

3.3 強(qiáng)降雨影響

鉆孔體應(yīng)變受鉆孔水位變化影響比較顯著，其短期突然變化，主要因大量降雨造成水位上升，引起體應(yīng)變觀測(cè)值變化。大量降雨造成鉆孔周圍巖石和巖石裂隙含水量增加、鉆孔水位上升，巖石吸水后膨脹效應(yīng)導(dǎo)致體應(yīng)變探頭負(fù)荷擠壓力增加，即應(yīng)變量增大。當(dāng)然，降雨只有積累到一定程度，才能促成固體潮畸變。根據(jù)鄭江蓉等（2011）的研究，驗(yàn)證這一變化過(guò)程：由于降雨對(duì)體應(yīng)變的影響與降雨過(guò)程、降雨量及降雨時(shí)間等密切相關(guān)，體應(yīng)變對(duì)降雨的響應(yīng)存在延遲效應(yīng)，這是因?yàn)樗臐B透需要一定時(shí)間，孔隙水壓力的增加是逐漸進(jìn)行的。

2012年7月6—15日連云港臺(tái)體應(yīng)變、水位分鐘值曲線見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)：7月8日出現(xiàn)強(qiáng)降雨，爆發(fā)山洪，導(dǎo)致井孔灌水，水位突然上升，體應(yīng)變數(shù)值日變形態(tài)發(fā)生畸變，持續(xù)至11日。由此可見(jiàn)，強(qiáng)降雨引起鉆孔水位上升，水位變化量和應(yīng)變變化量呈明顯的正相關(guān)變化，并具有滯后效應(yīng)。

圖3 連云港臺(tái)2012年7月6—15日水位、體應(yīng)變分鐘值曲線Fig.3 Minute-value curves of water level and body strain at Lianyungang Seismic Station during July 6 to 15,2012

4 異常變化特征

4.1 應(yīng)變曲線映震效應(yīng)

連云港臺(tái)TJ-2體應(yīng)變儀運(yùn)行以來(lái)，記錄到多次強(qiáng)遠(yuǎn)震產(chǎn)生的顯著同震變化，映震能力較好，振幅效應(yīng)明顯。圖4為幾次地震時(shí)連云港臺(tái)體應(yīng)變同震效應(yīng)分鐘值曲線。由圖4可見(jiàn)：震級(jí)越大，應(yīng)變振幅波動(dòng)和頻率變化越大；震中距越近，應(yīng)變振幅波動(dòng)和頻率變化越大。雖然高郵4.9級(jí)地震連云港臺(tái)震中距僅150 km，但因震級(jí)偏小，體應(yīng)變曲線表現(xiàn)不明顯。此外，體應(yīng)變同震效應(yīng)變化形態(tài)不盡相同：除汶川地震為震蕩—上升型變化外，其余幾次均為震蕩型變化。

圖4 連云港地震臺(tái)體應(yīng)變同震效應(yīng)分鐘值曲線Fig.4 Coseismic effect minute-value curves of body strain at Lianyungang Seismic Station

以2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震為例，分析連云港臺(tái)體應(yīng)變同震效應(yīng)。表3為汶川8.0級(jí)地震發(fā)生后，連云港體應(yīng)變同震效應(yīng)與水位的相對(duì)變化量（相對(duì)于數(shù)據(jù)平穩(wěn)時(shí)段）。圖5為連云港地震波形及體應(yīng)變、水位的變化曲線。由表3和圖5可見(jiàn)：①汶川地震發(fā)生后，連云港臺(tái)體應(yīng)變14∶34出現(xiàn)震蕩變化，與S波到時(shí)基本相同（體應(yīng)變是分鐘值采樣，而地震計(jì)每秒采樣60個(gè)數(shù)據(jù)，存在一定時(shí)間誤差），隨著L波的到來(lái)，體應(yīng)變震蕩幅度隨之變大，當(dāng)面波開(kāi)始衰減，體應(yīng)變的變化幅度隨之衰減，14∶44后產(chǎn)生變化量約240.7×10-9的臺(tái)階；②體應(yīng)變與地震波形變化相似，呈現(xiàn)壓性—張性—壓性的交替變化，與S波及L波的運(yùn)動(dòng)過(guò)程相同，說(shuō)明體應(yīng)變的同震效應(yīng)由二者的運(yùn)動(dòng)作用產(chǎn)生；③因P波運(yùn)動(dòng)的傳遞軌跡與S波和L波不同，當(dāng)?shù)卣饍x記錄到P波后，而體應(yīng)變未記錄到相應(yīng)變化；④連云港臺(tái)體應(yīng)變的同震效應(yīng)為震蕩—上升型變化，而水位的同震效應(yīng)為震蕩型變化，原因有待進(jìn)一步研究。

表3 汶川8.0級(jí)地震時(shí)體應(yīng)變與水位相對(duì)變化量Table3 The relative variation of body strain and water level in Wenchuan M 8.0 earthquake

圖5 汶川地震8.0級(jí)地震體應(yīng)變同震效應(yīng)分鐘值曲線(a)原始記錄波形；(b)體應(yīng)變與水位同震效應(yīng)Fig.5 Amplitude effect minute value curves of body strain for Wenchuan M 8.0 earthquake

4.2 臨震異常特征

連云港臺(tái)體應(yīng)變整點(diǎn)值M2波潮汐因子精度較高，在一定幅度內(nèi)持續(xù)波動(dòng)。以2013年4月20日8時(shí)02分發(fā)生四川蘆山縣M7.0地震為例，分析連云港臺(tái)體應(yīng)變臨震異常特征。

（1）單臺(tái)變化。2009年至2013年7月31日連云港臺(tái)體應(yīng)變潮汐因子變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)：2012年11月M2波潮汐因子數(shù)值較高，12月突然快速上升，打破原有波動(dòng)幅度，出現(xiàn)超2倍均方差的異常現(xiàn)象，2013年1月—3月精度明顯下降，體應(yīng)變周日波潮汐因子同時(shí)段出現(xiàn)類似異常，核實(shí)發(fā)現(xiàn)，連云港臺(tái)輔助氣壓和水位均無(wú)明顯變化，也無(wú)人為和環(huán)境干擾。異常結(jié)束后，于2013年4月20日8時(shí)02分發(fā)生四川蘆山縣M7.0地震（震中距約1 600 km）。因此認(rèn)為，異常的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)此次地震的信度較高。

圖6 連云港臺(tái)2009年1月1日至2013年7月31日體應(yīng)變潮汐因子變化曲線Fig.6 The tidal factor curves of borehole pressure at Lianyungang Seismic Station form Jan.1, 2009 to Dec.31, 2013

（2）多臺(tái)變化。連云港、徐州和溧陽(yáng)地震臺(tái)2014年1—7月體應(yīng)變周日波潮汐因子變化曲線見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，3個(gè)地震臺(tái)的周日波潮汐因子于2013年3月1日、13日同時(shí)出現(xiàn)明顯的超差異?，F(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查落實(shí)，上述3臺(tái)地理位置相差不遠(yuǎn)，當(dāng)日天氣無(wú)較大變化，認(rèn)為氣象因素干擾可能性較小，且3個(gè)地震臺(tái)異常形態(tài)相似，由此判斷此次地震前異常是可靠的。

圖7 連云港臺(tái)、徐州臺(tái)、溧陽(yáng)臺(tái)2013年1—7月體應(yīng)變周日波潮汐因子變化曲線Fig.7 The tidal factor curves of borehole pressure at Lianyungang, Xuzhou, Liyang seismic stations form Jan.to Jul, 2013

5 結(jié)束語(yǔ)

因連云港地震臺(tái)位于蘇魯皖交界地區(qū)，地震活動(dòng)水平偏低，近震資料缺乏，且異常特征不明顯，只能針對(duì)遠(yuǎn)大震進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)2009年—2013年7月31日連云港臺(tái)體應(yīng)變潮汐因子M2波、周日波變化進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①遠(yuǎn)大震同震效應(yīng)明顯；②在2013年蘆山7.0級(jí)大震前，臨震異常特征明顯。同時(shí)，氣壓、水位、降雨等干擾因素與連云港臺(tái)體應(yīng)變相關(guān)性較高，在資料處理時(shí)應(yīng)予以剔除。

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