與地方中強震伴生的鉆孔應變脈沖信號特征分析

張凌空，牛安福

(中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

地殼巖石應變可采用鉆孔法進行相對連續(xù)測量，使用主流儀器分量式應變儀，一般安裝在井下幾十米至數(shù)百米深的基巖中。在國內(nèi)，孔徑一般采用130 mm，國外一般為178 mm，探頭鋼筒用膨脹水泥(或改性的普通水泥)與巖石耦合(焊接)，保證應力與位移在邊界上連續(xù)。2003年美國開始實施板塊邊界觀測計劃(PBO)[1-3]，選用澳大利亞地震學家Gladwin新研制的四分量應變儀[4]，相繼沿圣安德烈斯斷層和阿拉斯加南部地區(qū)建立了85個鉆孔應變臺站，獲得一批觀測資料，并在PBO網(wǎng)站上與各國科學家共享(http://pboweb.unavco.org)。中國有三種自行研制的四分量應變儀，型號分別為YRY-4[5]、RZB-2(3)[6]和SKZ-1(2)(蘇愷之指導，孔向陽研制)，其各分量元件均互成45°，呈米字型排列，2007年以后在地震重點監(jiān)測區(qū)共建有60余個測點，全部實現(xiàn)數(shù)字化分鐘值采樣。

2008年5月12日四川龍門山斷層上發(fā)生汶川MS8.0地震,姑咱臺震中距僅為150 km，國內(nèi)有關(guān)學者用該臺鉆孔應變資料對這次震例進行了研究[7-9]。他們采用高通濾波和小波分解法(或S變換)從原始分鐘值中提取出震前高頻異常信號，周期為幾分鐘到數(shù)小時不等。

云南省騰沖臺位于騰沖-瀾滄地震帶,是地方震多發(fā)地區(qū),同樣能夠應用鉆孔應變資料進行地震預測研究。文章研究了該臺2008-2015年觀測數(shù)據(jù)，采取一種原始分析方法，即不經(jīng)任何數(shù)學處理，在計算機上分別逐日觀看應變固體潮分鐘值曲線(每日24 h，共1 440個數(shù)據(jù)點)，重點檢查其上是否記錄到肉眼就可直接識別的短周期高頻信號，并與氣壓、雷電和水位等資料進行比較，判斷是否受到影響，同時查閱臺站工作日志(http://qzweb.seis.ac.cn)，核對有無人為干擾，然后查看當天中強震目錄(震級MS>3.0)，先是使用陳培善研究員在《地震學報》上每期發(fā)布的地震目錄，再使用中國地震臺網(wǎng)(CSN)地震目錄和美國國家地震信息中心(NEIC)地震目錄(www.csndmc.ac.cn)補漏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一種不明原因的脈沖信號(共38次)，周期大致為2～4 min，振幅一般為(4～30)×10-10。下面將對其形態(tài)特征加以研究，并與地方中強震(震中距<100 km，共61次)的震級逐年進行對比，分析是否具有相關(guān)性。繼續(xù)搜集當?shù)匦≌鹉夸?MS=2.0～3.0)和微震目錄(MS=0.1～1.9)比對，進一步探尋該信號的物理本質(zhì)。

1 鉆孔應變儀記錄到脈沖信號

騰沖地震臺位于騰沖縣騰越鎮(zhèn)尚家寨村后山斷層的南東盤上，該斷層在此處與上馬廠斷層交匯。騰沖是我國著名的火山區(qū)之一，也是中國西部著名的地震活動區(qū)。該臺建有一口四分量鉆孔應變觀測井，井深45 m，基巖為安山玄武巖，儀器型號是YRY-4，為河南省鶴壁市地震局池順良研究員研制。該井于2007年10月底開始觀測，考慮到儀器安裝初期需要穩(wěn)定一段時間，故資料分析從2008年1月1日起算。2016年2月19日觀測曲線突然變粗，直到12月29日調(diào)整了儀器接線頭后才終止。結(jié)合筆者的工作經(jīng)驗，這屬于供電系統(tǒng)常見故障，可惜發(fā)現(xiàn)太遲，該段資料不能正常使用，所以資料分析截至2015年底，前后共約8 a時間。分析方法前已述及，規(guī)定觀測曲線向上表示探頭膨脹，呈張性；反之，呈壓性。

圖1給出了騰沖臺鉆孔應變儀記錄到的一組典型脈沖信號，可以看出他們分別疊加在固體潮半日波背景曲線上，4個分量同時記錄到該信號(周期為3 min)，且幅度與張、壓性不盡相同。查閱過中強地震目錄(MS≥3.0)，這一時間沒有地震記錄，同井水位和氣壓曲線也無此脈沖干擾。需要說明的是，這類脈沖信號四個分量應變每次不一定都能同時記錄到，為簡化工作程序，文章只選取第3分量作為研究對象，圖2給出了其他時段記錄到的部分脈沖信號。

圖1 2014年9月21日鉆孔應變固體潮半日波分鐘值觀測曲線上記錄到的脈沖信號Fig.1 Pulse signal recorded on the half-diurnal wave minute-observation curve of borehole strain tide on September 21, 2014

2 應變脈沖信號與地震波的比較

圖3、圖4給出了兩組應變脈沖信號與地震波的比較實例(皆為第三分量,由分鐘值觀測數(shù)據(jù)得到)，可以看出兩種信號波形和周期都很相近，但后者幅度明顯偏大，該實例中分別相差5～9倍，具體與震級和震中距有關(guān)。

圖2 鉆孔應變脈沖信號部分實例Fig.2 Examples of borehole strain pulse signals

圖3 應變脈沖信號與地震波的比較實例一Fig.3 Example 1 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

圖4 應變脈沖信號與地震波的比較實例二Fig.4 Example 2 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

3 應變脈沖信號與地方中強震的統(tǒng)計結(jié)果

圖5顯示2008年8、9月間地方中強震頻發(fā)(18次)，最大震級達到MS5.9，之后應變儀記錄到的脈沖信號開始增多，達到8次。

2009年地方中強震發(fā)生了11次，最大震級為MS4.4，應變脈沖信號僅出現(xiàn)了3次(見圖6)。

2010年發(fā)生15次地方中強震，最大震級為MS4.8。前已述及，3月份以后距臺站600～800 m遠處有重型機械挖湖施工，每日大約在8：00～22：00，其振動相當于人工地震，應變儀記錄到持續(xù)的脈沖干擾信號，已無法與待研究的異常脈沖信號相區(qū)分，因此該年資料作廢。

2011年全年都有施工干擾，其中2-4月較重，故圖7給出的脈沖統(tǒng)計數(shù)字可能不夠完整，其中有2次近震，分別為MS5.3(震中距17 km)和MS5.2(震中距18 km)，與之對應的脈沖信號也主要集中在這一時段。

2012年3、4、11月份施工干擾明顯，其他時段較輕，全年僅發(fā)生2次地方中強震，最大為9月11日MS4.9，震中距為78 km，5月2日和15日、6月10日、8月11日和21日各記錄到1次脈沖信號。

2013年全年施工干擾較輕，臺站100 km以內(nèi)僅發(fā)生4次3級多地震，6月8日和8月14日各記錄到1次脈沖信號。

2014年全年施工干擾較輕，統(tǒng)計結(jié)果顯示應變脈沖信號出現(xiàn)的時段與地方震發(fā)生的時段大致吻合(見圖8)，其中較大的兩次地震為5月24日和30日盈江MS5.9及MS6.1，相距70 km和73 km，震前記錄到數(shù)次脈沖信號。9月16日23時33分騰沖發(fā)生MS4.2地震，震源深度9 km，震中距僅為5.4 km，臺站幾乎就在震中區(qū)，地震前后出現(xiàn)數(shù)次脈沖信號，由分鐘值觀測數(shù)據(jù)得到(見第39頁圖9)，其中最大振幅達到42.8×10-10，地震波振幅為2 740×10-10，相差64倍。

2015年施工干擾較輕，但觀測曲線變粗，估計應變儀電路系統(tǒng)受到了某種電信號的干擾，不過仍可區(qū)分脈沖信號，其間發(fā)生7次地方震，最大為10月30日MS5.0，震中距93 km，11月27日記錄到1次脈沖信號。

4 應變脈沖信號與當?shù)匦≌鸷臀⒄鸬年P(guān)系

駱鳴津研究員[10]曾指出：“地震預報的創(chuàng)新只能放在更真實可靠尋找與地震破裂、孕育相聯(lián)系的物理信息上。”基于這一思路，應進一步探尋該信號的物理本質(zhì)。繼續(xù)搜集當?shù)匦≌鹉夸?MS=2.0～3.0)，發(fā)現(xiàn)有19次脈沖信號原來是應變小震波(震中距一般<70 km)。再將剩下的19次信號與當?shù)匚⒄鹉夸?MS=0.1～1.9)比對，又發(fā)現(xiàn)有9次是應變微震波，還有10次信號沒有與地震對應，推測地震目錄可能記錄不全，該信號依然由近震引起，即，由鉆孔附近巖石的微破裂所致，與區(qū)域性地震活動存在一定關(guān)聯(lián)。

圖5 2008年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.5 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2008

圖6 2009年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.6 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2009

圖7 2011年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.7 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2011

圖8 2014年鉆孔應變脈沖信號與地方中強震震級的比較Fig.8 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2014

現(xiàn)已查明,圖1給出的脈沖信號是由一次MS2.7小震引起，震中距僅為3.1 km；圖2給出的一組脈沖信號沒有找到相應的地震，估計是目錄漏掉了；圖9騰沖MS4.2地震前后記錄到的幾次脈沖信號皆為當?shù)匦≌鸷臀⒄?震中距5 km以內(nèi))引發(fā)。

圖9 2014年9月16日-17日應變脈沖信號與騰沖MS4.2地震對比分析Fig.9 Comparative analysis of strain pulse signals and Tengchong MS 4.2 earthquake (16-17 September 2014)

5 結(jié)論與討論

(1) 騰沖臺鉆孔應變原始分鐘值觀測曲線上記錄到的脈沖信號是真實、客觀存在的，但四個分量應變不一定都能同時記錄到脈沖信號，并且該信號與氣壓、水位、中強震和人為干擾無關(guān)。信號有時呈壓性，有時呈張性，周期大致為2～4 min，振幅一般為(4～30)×10-10，個別的可以達到(40～60)×10-10，波形與地震波相似，現(xiàn)已查明絕大多數(shù)脈沖信號都是由臺站附近小震(震中距一般<70 km)或微震(震中距一般<16 km)所致。

(2) 將脈沖信號出現(xiàn)的時間和振幅與地方中強震(震中距<100 km)的震級做逐年對比分析，表明二者之間存在一定的伴生現(xiàn)象。

(3) 地震是一個大規(guī)模巖體受壓發(fā)生破壞的力學過程，是遍布于巖體中各類裂紋擴展并相互貫通的結(jié)果。巖石力學實驗表明，石塊的破壞主要是裂紋尖端形成應力集中引起的。新裂紋的產(chǎn)生、裂紋擴展及裂紋尖端應力場的動態(tài)變化，會在巖石中產(chǎn)生應力波[11]。地震在孕育過程中區(qū)域應力場會增強，如果臺站離震中較近，鉆孔附近巖石就可能產(chǎn)生微裂隙，從而形成應力擾動，這一過程導致小震和微震發(fā)生。騰沖臺觀測到的應變脈沖信號之所以與區(qū)域性地震活動有一定的關(guān)聯(lián)，與此有關(guān)。

(4) 臺站選址如何遠離人類活動的干擾，是一個急需解決的問題。和騰沖臺一樣，最近幾年玉樹、昭通和門源臺鉆孔應變也都積累了寶貴的震例，這是可遇不可求的，但在進行資料分析時都面臨著棘手的干擾問題。