海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變震前短臨異常特征研究

楊 順, 程鵬圖, 王晨曦, 馬云舉, 馬治寧

(寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川 750001)

鉆孔應(yīng)變前兆觀測(cè)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的主要手段之一，四分量鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)探頭一般安裝于鉆孔下數(shù)十米的基巖或土層中，觀測(cè)位移空間導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間的變化，具有良好的高頻特性與高靈敏度的兼顧性，可以發(fā)現(xiàn)和掌握地應(yīng)變前兆的長(zhǎng)中期-短期-臨震以及震后調(diào)整的時(shí)空分布與發(fā)展變化規(guī)律，構(gòu)成重要的地震前兆觀測(cè)手段[1-3]。實(shí)際震例分析表明，鉆孔應(yīng)變觀測(cè)具有良好的映震能力，于汶川8.0 地震、烏恰7.4、烏什6.4、昆侖山 8.1、彝良5.7 等地震前，均出現(xiàn)較為明顯的短期異常[4-9]。蔣靖祥等[10]、朱航[11]依據(jù)鉆孔應(yīng)變臺(tái)站異常數(shù)據(jù)，對(duì)新疆和靜5.7、巴楚北4.2、云南鹽津5.1等地震進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的震前預(yù)測(cè)，為今后應(yīng)用鉆孔應(yīng)變異常開(kāi)展地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作具有重要的參考價(jià)值。海原地震臺(tái)YRY-4型四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)，可靠性較高，具備開(kāi)展相關(guān)地震研究的條件，且于漳縣岷縣 6.6、景泰4.7、中寧3.9等震前出現(xiàn)明顯的短臨異常反應(yīng)。從而對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的異常變化原因進(jìn)行準(zhǔn)確的研究分析，總結(jié)其異常變化特征，是開(kāi)展地震預(yù)報(bào)工作的前提，對(duì)區(qū)內(nèi)開(kāi)展防震減災(zāi)工作有著重要意義。

1 觀測(cè)背景

1.1 構(gòu)造背景

海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)點(diǎn)位于海原縣小山村西南側(cè)南華山內(nèi)，地面距離1920年海原8.5級(jí)地震主斷裂約450 m，地處青藏高原東北弧形構(gòu)造帶內(nèi)(圖1)。海原斷裂帶活動(dòng)特征表現(xiàn)明顯的壓扭性，左旋跡象明顯，由于斷層活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層地表形跡清晰可見(jiàn)，跨斷層水系、溝谷左旋水平運(yùn)動(dòng)特征明顯。1920年海原大地震形變遺跡散布整個(gè)斷裂帶，如五橋溝-小山一帶見(jiàn)有水平扭動(dòng)產(chǎn)生的鼓包和雁行形狀張裂凹坑和斷層陡坎等，五橋溝溝口跨斷層處的溝谷階地左旋分量較大，是斷裂帶多期活動(dòng)的累積量[12]。小山形變臺(tái)臨近海原活動(dòng)斷裂帶，為1920年海原8.5級(jí)特大地震的極震區(qū)。

圖1 海原小山形變觀測(cè)點(diǎn)地理位置Fig.1 The geographic location of Haiyuan Xiaoshan deformation observatory

1.2 儀器概況

圖2 四分量鉆孔應(yīng)變內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The internal structure diagram of four-component borehole strain

YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀為長(zhǎng)圓筒徑向位移式儀器，在圓筒中布置安裝4個(gè)分量的徑向測(cè)微傳感器，每個(gè)受力元件依次相差45°，呈“米”字布設(shè)，安裝時(shí)將圓筒探頭放入地層鉆孔，使用耦合介質(zhì)將探頭與地層合為一體，通過(guò)儀器測(cè)量系統(tǒng)即可獲得平面內(nèi)4方向鉆孔孔壁徑向位移，從而求取地應(yīng)變量(圖2)[13]。正方向變化為張性應(yīng)變，負(fù)方向變化則為壓性應(yīng)變。

海原地震臺(tái)于2007年9月安裝架設(shè)YRY- 4型四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)儀(武漢地震科學(xué)儀器研究所研制)，靈敏度高(應(yīng)變量級(jí)達(dá)10-10)。觀測(cè)井孔深 60.37 m，水位距井口15m，套管下到32 m 深，探頭安裝在深36.5 m的完整段，基巖為奧陶紀(jì)灰?guī)r。如圖3所示，分量元件方位(相對(duì)磁南北)：第1分量：E21°S；第2分量：E66°S；第3分量：S21°W；第4分量：S66°W。

圖3 海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變布極方位圖Fig.3 The polar orientation map of borehole strain in Haiyuan Seismic Station

2 鉆孔應(yīng)變資料可靠性分析

四分量式具備自檢功能，可以用來(lái)評(píng)價(jià)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。自檢是依據(jù)在理論條件下，相互垂直的兩分量應(yīng)變觀測(cè)之和相等，即自檢關(guān)系可表示為

S1+S3=S2+S4

(1)

式(1)中：S1、S2、S3、S4分別表示1～4路應(yīng)變觀測(cè)分量。在分量鉆孔應(yīng)變儀中，1路和3路互相垂直，2路和4路互相垂直，1路+3路和2路+4路的結(jié)果越一致，則表示儀器探頭與圍巖耦合效果越好，記錄的資料越可靠[13]。

對(duì)2013年1月1日—2016年12月31日事件段內(nèi)海原臺(tái)YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀觀測(cè)資料的進(jìn)行儀器自洽檢驗(yàn)，通過(guò)式(2)計(jì)算四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的信度，在剔除掉5%的壞點(diǎn)后，計(jì)算所得海原小山四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的信度為0.907，由此可得該儀器信度高，觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠(圖4)。

(2)

式(2)中：N95為剔除掉5%壞點(diǎn)后的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)；C95為有效觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)信度。

圖4 2013—2016年海原臺(tái)分量鉆孔應(yīng)變自檢曲線(xiàn)Fig.4 Self-test data curve of borehole strain at Haiyuan Seismic Station in 2013—2016

3 震例分析

海原地震臺(tái)四分量鉆孔應(yīng)變自2008架設(shè)投入觀測(cè)以來(lái)，于多次中強(qiáng)震前均出現(xiàn)短臨的異常變化，在此期間發(fā)生的2013年7月22日漳岷MS6.6級(jí)地震、2014年11月15日景泰MS4.7級(jí)地震及2016年4月11日中寧MS3.9級(jí)地震震前，出現(xiàn)了明顯的短臨異常變化。

2013年7月22日，甘肅漳縣岷縣發(fā)生MS6.6級(jí)地震，海原小山鉆孔應(yīng)變于震前14 d前出現(xiàn)了明顯的異常變化，震中距239 km。如圖5所示。由圖5 可知，S1、S4分量于2013年7月8日出現(xiàn)明顯的加速壓性下降變化，7月10日下降變化結(jié)束且加速上升恢復(fù)，變化形態(tài)呈“V”形，S1變化幅值792×10-10，S4變化幅值1 104×10-10；S2、S3分量于7月9日出現(xiàn)明顯的加速壓性下降變化，7月12日下降變化結(jié)束且緩慢上升恢復(fù)，變化形態(tài)呈“√”形，S2變化幅值為1 266×10-10，S3變化幅值為1 187×10-10。依據(jù)四分量對(duì)比分析可知，S2、S3分量較之S1、S4分量，變化幅度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、恢復(fù)速度慢。

圖5 海原小山鉆孔應(yīng)變觀測(cè)曲線(xiàn)(漳岷MS6.6級(jí)地震前)Fig.5 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Zhangming MS6.6)

2014年11月15日，甘肅景泰縣發(fā)生MS4.7級(jí)地震，海原小山鉆孔應(yīng)變于震前60 d前出現(xiàn)了明顯的異常變化，震中距174 km。景泰MS4.7級(jí)地震震中與海原小山形變觀測(cè)點(diǎn)同處于海原斷裂帶構(gòu)造變形帶內(nèi)，如圖6所示。由圖6可知，此次地震前海原鉆孔應(yīng)變S1、S4分量無(wú)明顯變化，S2、S3分量出現(xiàn)了壓性下降-張性上升的變化形態(tài)。S2、S3分量于2014年9月15日出現(xiàn)壓性下降變化，9月26日下降變化結(jié)束且出現(xiàn)張性上升變化，10月9日上升變化結(jié)束且出現(xiàn)緩慢下降變化至10月28日開(kāi)始轉(zhuǎn)折緩慢恢復(fù)，變化形態(tài)呈“W”形，S2變化幅值為 1 113×10-10，S3變化幅值為1 086×10-10。

圖6 海原小山鉆孔應(yīng)變觀測(cè)曲線(xiàn)(景泰MS4.7級(jí)地震前)Fig.6 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Jingtai MS4.7)

2016年4月11日，寧夏中寧縣發(fā)生MS3.9級(jí)地震，海原小山鉆孔應(yīng)變于震前10 d前出現(xiàn)了明顯的異常變化，震中距78 km。如圖7所示。由圖7可知，S2、S3分量于3月31日出現(xiàn)明顯的加速壓性下降變化，4月4日下降變化結(jié)束且加速上升恢復(fù)，變化形態(tài)呈“V”形，S2變化幅值為2 501×10-10，S3變化幅值為 2 177×10-10；S4分量于3月31日出現(xiàn)加速?gòu)埿陨仙兓?月4日上升變化結(jié)束且緩慢下降恢復(fù)，S4變化幅值為1 321×10-10。

圖7 海原小山鉆孔應(yīng)變觀測(cè)曲線(xiàn)(中寧MS3.9級(jí)地震前)Fig.7 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Zhongning MS3.9)

4 異常特征分析

分析總結(jié)海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變震前異常特征，對(duì)寧夏及鄰區(qū)的地震預(yù)報(bào)工作有著積極地參考意義。通過(guò)分析典型震例，從空間、時(shí)間、構(gòu)造關(guān)系、變化幅值等方面總結(jié)海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變震前異常特征。

4.1 空間

通過(guò)分析三次典型震例與海原小山形變觀測(cè)點(diǎn)的空間位置關(guān)系，如圖8所示，震前異常變化對(duì)應(yīng)的最大震中距為漳縣岷縣MS6.6級(jí)地震的239 km。由此可知，海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變對(duì)領(lǐng)區(qū)300 km內(nèi)中強(qiáng)震的震前異常變化較為明顯，超過(guò)300 km則無(wú)明顯異常變化，如九寨溝MS7.0級(jí)地震、蘆山MS7.0地震及玉樹(shù)MS7.0級(jí)地震等。

4.2 時(shí)間

通過(guò)對(duì)這三次典型震例總結(jié)分析可知，異常變化出現(xiàn)最早的地震為景泰MS4.7級(jí)地震，于震前60 d出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)43 d。漳縣岷縣MS6.6級(jí)地震與中寧MS3.9級(jí)地震均于震前15 d之內(nèi)出現(xiàn)異常變化，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)也均在5 d之內(nèi)。景泰地震與漳縣岷縣地震、中寧地震時(shí)間尺度上的差距，究其原因系為景泰地震震中與海原小山形變點(diǎn)同處一個(gè)構(gòu)造變形帶內(nèi)，因此造成其在震前出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的“W”形異常變化。由此可知，海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變震前異常特征在時(shí)間尺度上具體表現(xiàn)為，同處海原斷裂構(gòu)造變形帶內(nèi)的震前異常出現(xiàn)時(shí)間早、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而處于其他構(gòu)造變形帶內(nèi)的震前異常出現(xiàn)時(shí)間晚、持續(xù)時(shí)間短。

4.3 構(gòu)造關(guān)系

由圖8可以看出，海原地震臺(tái)小山形變點(diǎn)所處斷裂構(gòu)造走向與對(duì)應(yīng)震例發(fā)震構(gòu)造走向均沿NW-SE向展布延伸，此類(lèi)走向的斷裂均受來(lái)自NE、SW向的擠壓應(yīng)力作用。由此可知，海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變異常變化所對(duì)應(yīng)的震例，均與其有著較為一致的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境及相似的地震構(gòu)造背景。

圖8 震例空間分布Fig.8 The distribution of seismic space

4.4 變化幅值

通過(guò)典型震例分析可知，海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變震前異常變化幅值與震中距、震級(jí)大小有著直接的關(guān)系。如表1所示，中寧地震震級(jí)小于其他兩個(gè)典型震例，但由于其震中距最小，從而使得其S2、S3分量的變化幅值為其他震例S2、S3分量的兩倍；漳縣岷縣地震震級(jí)雖大于景泰地震，但因其震中距大于景泰地震，因此兩者S2、S3分量的變化幅值相差不大。由此可知，變化幅值受震中距的影響要大于震級(jí)的影響，也由此可發(fā)現(xiàn)海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變對(duì)地方中強(qiáng)震的映震能力更為顯著。

4.5 分量變化

由表1可知，海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變S2、S3分量于震前表現(xiàn)的異常變化較之S1、S4分量更為顯著。究其原因與鉆孔應(yīng)變四分量布極方位有關(guān)，由圖5所示，鉆孔應(yīng)變S2、S3分量布極方位與震例發(fā)震構(gòu)造所受的應(yīng)力方向較為一致，從而使S2、S3分量于震前表現(xiàn)得更為靈敏。

表1 震例震級(jí)、震中距、變化幅值統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistical table of seismic space magnitude、epicentral distance and change amplitude

5 結(jié)論

利用2013—2016年海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變可靠性高的觀測(cè)資料，對(duì)在此期間所對(duì)應(yīng)的三次典型震例進(jìn)行分析研究，得出海原鉆孔應(yīng)變震前異常變化特征如下。

(1)海原鉆孔應(yīng)變對(duì)領(lǐng)區(qū)300 km內(nèi)中強(qiáng)震的震前異常變化較為明顯，超過(guò)300 km則無(wú)明顯異常變化。

(2)海原鉆孔應(yīng)變震前異常特征在時(shí)間尺度上具體表現(xiàn)為，同處海原斷裂構(gòu)造變形帶內(nèi)的震前異常出現(xiàn)時(shí)間早、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而處于其他構(gòu)造變形帶內(nèi)的震前異常出現(xiàn)時(shí)間晚、持續(xù)時(shí)間短。

(3)海原鉆孔應(yīng)變異常變化所對(duì)應(yīng)的震例，均與其有著較為一致的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境及相似的地震構(gòu)造背景。

(4)異常變化幅值受震中距的影響要大于震級(jí)的影響，也由此可發(fā)現(xiàn)海原地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變對(duì)地方中強(qiáng)震的映震能力更為顯著。

(5)鉆孔應(yīng)變各分量異常變化的差異性，與其布極方位和震例發(fā)震構(gòu)造的應(yīng)力環(huán)境有關(guān)，鉆孔應(yīng)變S2、S3分量布極方位與震例發(fā)震構(gòu)造所受的應(yīng)力方向較為一致，從而使S2、S3分量于震前表現(xiàn)得更為靈敏。

前兆觀測(cè)資料分析是地震預(yù)報(bào)工作的重要組成部分，通過(guò)分析典型震例總結(jié)了海原鉆孔應(yīng)變的臨震異常變化特征，在排除其他因素干擾的情況下，可對(duì)今后觀測(cè)資料出現(xiàn)的短臨異常變化在此研究基礎(chǔ)上進(jìn)行嘗試性的震前短臨預(yù)報(bào)，以期為該區(qū)今后的防震減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。