姑咱地震臺(tái)張應(yīng)變異常信號(hào)與修路施工間關(guān)系探討

張凌空 牛安福

（中國(guó)北京100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心）

0 引言

四川姑咱地震臺(tái)位于鮮水河、安寧河和龍門(mén)山斷裂帶交匯處的三岔口地區(qū)，2008 年5 月12 日和2013 年4 月20 日在龍門(mén)山斷裂帶相繼發(fā)生汶川MS8.0、蘆山MS7.0 地震，姑咱地震臺(tái)震中距僅為155 km、80 km，該臺(tái)是距這2 次地震震中最近的形變臺(tái)站。該臺(tái)有1 口YRY-4 型四分量應(yīng)變儀觀測(cè)井，井深40 m，基巖為花崗閃長(zhǎng)巖，探頭用改性的普通水泥固結(jié)在井下基巖里，以此保證應(yīng)力、位移連續(xù)。規(guī)定觀測(cè)曲線向下表示探頭相應(yīng)的分量元件受壓；反之，則是受張。2008 年5 月12 日汶川8.0 級(jí)地震前該應(yīng)變儀曾記錄到大量壓應(yīng)變異常信號(hào)（邱澤華等，2009，2010；劉琦等，2011；張凌空等，2020），統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，異常幅值、頻次和時(shí)間都與汶川地震有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但之后2013 年4 月20 日蘆山7.0 級(jí)地震，該異常并未重現(xiàn)，而是在地震前4 個(gè)月和前幾天分別出現(xiàn)了顯著的張應(yīng)變異常變化（池順良等，2013，2017；劉琦等，2014；邱澤華等，2015），該異常被認(rèn)為可能是蘆山地震的短期、臨震地球物理異常。由于這是2 類(lèi)性質(zhì)完全不同的異常信息，且后者與同一時(shí)期臺(tái)站門(mén)前的修路施工同步，異常是否與地震有關(guān)存在很大爭(zhēng)議。事實(shí)究竟如何，關(guān)系到對(duì)地震地球物理觀測(cè)的正確認(rèn)識(shí)，故筆者對(duì)張應(yīng)變異常與修路施工間的關(guān)系進(jìn)行了探討。姑咱地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀于2006 年10 月28 日安裝，試運(yùn)行一段時(shí)間后資料才入數(shù)據(jù)庫(kù)，故統(tǒng)計(jì)時(shí)間從2007 年6 月12 日開(kāi)始。從多年整體情況來(lái)看，4 個(gè)分量的觀測(cè)結(jié)果不完全相同，但大致相近，限于篇幅，本文只給出具有代表性的第一分量的研究結(jié)果。

1 壓、張應(yīng)變信號(hào)每日合計(jì)幅值與地震間的關(guān)系

每日壓應(yīng)變信號(hào)往往出現(xiàn)不止1 次，故將各壓應(yīng)變信號(hào)的幅度累加作為當(dāng)日的合計(jì)幅值[圖1（a）]。由圖1（a）可以看出，汶川地震前壓應(yīng)變量值和信號(hào)密度明顯增加，2 月份幅值達(dá)到最高，之后逐漸衰減。2013 年4 月蘆山地震和2014 年11 月康定地震前后壓應(yīng)變均未出現(xiàn)明顯異常，表明汶川地震前出現(xiàn)的現(xiàn)象未重現(xiàn)（張凌空等，2020）。同樣，將每日張應(yīng)變的累加幅度作于圖1（b），由于2013 年4 月蘆山地震前出現(xiàn)了連續(xù)4天的高幅值變化，為了看清異常變化的細(xì)節(jié)，將圖1（b）作限幅處理得到圖1（c）。由圖1（c）可見(jiàn)，顯著異常主要發(fā)生在2012 年10 月底到2013 年6 月間，之前和之后出現(xiàn)的信號(hào)幅值都很小，且很稀疏，相比之下基本可以忽略不計(jì)。再將這段異常曲線放大得到圖2，由此蘆山地震前后張應(yīng)變異常變化的細(xì)節(jié)得到進(jìn)一步展現(xiàn)。

圖1 2007—2014 年壓應(yīng)變、張應(yīng)變異常信號(hào)每日合計(jì)幅度與地震間的關(guān)系（a）壓應(yīng)變信號(hào)每日合計(jì)幅度；（b）張應(yīng)變信號(hào)每日合計(jì)幅度；（c）張應(yīng)變信號(hào)每日合計(jì)幅度（限幅處理）；（d）汶川地震（震中距155 km）、蘆山地震（震中距80 km）及康定地震（震中距14 km、50 km、44 km）震級(jí)Fig.1 The relationship between the daily total amplitude of the compressive strain and the tension strain abnormal signal and the earthquake

圖2 2012 年10 月至2013 年6 月張應(yīng)變異常信號(hào)每日合計(jì)幅度與蘆山地震間的關(guān)系（a）張應(yīng)變信號(hào)每日合計(jì)幅度；（b）張應(yīng)變信號(hào)每日合計(jì)幅度（限幅處理）；（c）蘆山地震（震中距80 km）Fig.2 The relationship between the daily total amplitude of the tension strain abnormal signal and the Lushan earthquake

2 張應(yīng)變異常信號(hào)的基本特征——時(shí)間的準(zhǔn)同步性

2.1 蘆山地震前出現(xiàn)的張應(yīng)變短期異常

圖3 為2012 年底出現(xiàn)的1 組張應(yīng)變短期異常。該組異常的共同特征是每日發(fā)生時(shí)間均為8:00—10:00，具有高度的準(zhǔn)同步性。初步判斷這不像是自然力引起的隨機(jī)變化，而像是人類(lèi)活動(dòng)引起的有規(guī)律干擾。查閱臺(tái)站工作日志，并詢(xún)問(wèn)了有關(guān)工作人員，得知2012 年11 月初到2013 年1 月初臺(tái)站附近在修公路。該公路沿大渡河方向呈南北向分布，全長(zhǎng)3 km，與臺(tái)站間最近僅50 m，臺(tái)站位于公路中間，修路從兩邊開(kāi)始向中間匯攏，修修停停。其間，有大型挖掘機(jī)和重型自卸車(chē)等作業(yè)，還伴有放炮過(guò)程，邱澤華等（2015）曾到現(xiàn)場(chǎng)做過(guò)調(diào)研。

圖3 2012 年年底出現(xiàn)的1 組張應(yīng)變異常（a）11 月1 日；（b）11 月8 日；（c）11 月14 日；（d）11 月18 日；（e）12 月2 日；（f）12 月3 日Fig.3 A group of anomalous strain images of tensional strain appeared at the end of 2012

2.2 蘆山地震前突發(fā)的張應(yīng)變臨震異常

2013 年4 月初姑咱地震臺(tái)門(mén)前施工再次啟動(dòng)，之后斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行。圖4 為蘆山地震發(fā)生前后數(shù)日內(nèi)出現(xiàn)的1 組臨震異常，異常幅值3 108×10-10—202×10-10，為觀測(cè)以來(lái)振幅最高的異常。需要說(shuō)明的是，蘆山地震當(dāng)天施工仍在進(jìn)行，由于地震波幅值相對(duì)較高，故對(duì)圖4（e）作了限幅處理。與圖3 類(lèi)似，圖4 也具有高度的準(zhǔn)同步性，異常均出現(xiàn)在7:30—17:00 之間。據(jù)臺(tái)站工作日志，這幾天施工已推進(jìn)到臺(tái)站大門(mén)口，最近距離僅50 m。汶川地震時(shí)應(yīng)變波最大振幅為7 061×10-10，遠(yuǎn)高于壓應(yīng)變異常幅度（圖1）。而蘆山地震時(shí)記錄到的應(yīng)變波最大振幅為1 466×10-10，但2013 年4 月16、17 日張應(yīng)變異常振幅卻高達(dá)3 000×10-10左右（圖4），與之相差2 倍，如果這是臨震地球物理觀測(cè)異常，則該信號(hào)比由地震產(chǎn)生的同震變化還大，明顯有違常理。

圖4 2013 年4 月20 日蘆山地震前后數(shù)天出現(xiàn)的1 組張應(yīng)變異常（a）16 日（最大幅度3 108×10-10）；（b）17 日（最大幅度2 798×10-10）；（c）18 日（最大幅度1 138×10-10）；（d）19 日（最大幅度874×10-10）；（e）20 日（最大幅度660×10-10）；（f）21 日（最大幅度202×10-10）Fig.4 A group of anomalous strain images of tensional strain appeared several days before and after the Lushan earthquake on April 20,2013

2.3 蘆山地震后的張應(yīng)變異常

蘆山地震后修路曾中斷數(shù)日，進(jìn)入5 月份開(kāi)始復(fù)工。之后，情況變得進(jìn)一步復(fù)雜，因?yàn)橛职l(fā)現(xiàn)臺(tái)站周?chē)卸鄠€(gè)水電站（最近5 km）在建設(shè)施工，這也有可能對(duì)應(yīng)變儀產(chǎn)生影響，但影響有多大，不十分明確。圖5 為蘆山地震后出現(xiàn)的1 組張應(yīng)變異常。圖5 與圖3 很類(lèi)似，異常時(shí)間也都集中在8:00—10:00。

圖5 2013 年4 月20 日蘆山地震后出現(xiàn)的1 組張應(yīng)變異常（a）5 月1 日；（b）5 月3 日；（c）5 月7 日；（d）5 月10 日；（e）5 月12 日Fig.5 A group of anomalous strain images of tensional strain that appeared after the Lushan earthquake on April 20,2013

3 施工對(duì)騰沖地震臺(tái)觀測(cè)影響的實(shí)例

3.1 挖掘機(jī)近距離施工對(duì)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的影響

云南騰沖地震臺(tái)YRY-4 型鉆孔應(yīng)變觀測(cè)井深45 m，基巖為安山玄武巖。2016 年9 月26 日1 臺(tái)挖掘機(jī)在井旁1 m 處挖草坪（面積約17 m2），15:18—15:22 應(yīng)變儀第1 分量產(chǎn)生了1 個(gè)壓性脈沖（圖6），幅度為781×10-10，井水位無(wú)明顯變化。15:40—16:07挖掘機(jī)連續(xù)作業(yè)，歷時(shí)27 min，之后電纜被鏟斷，觀測(cè)停止，其間應(yīng)變曲線發(fā)生了脈沖型壓性變化，最大幅度達(dá)857×10-10，井水位相應(yīng)發(fā)生了上升變化，漲幅約14 m，且上升起始時(shí)間比應(yīng)變異常滯后3 min。由圖6 可見(jiàn)，隨著挖掘工作的進(jìn)行，應(yīng)變曲線不斷下降（壓性），9 min 后轉(zhuǎn)而上升（張性），到斷電時(shí)已基本恢復(fù)到初始狀態(tài)；而井水位約1 min就達(dá)到高值，之后基本維持在該水平，挖掘機(jī)開(kāi)走后逐漸回落。

圖6 2016 年9 月24 日挖掘機(jī)近距離施工對(duì)騰沖臺(tái)鉆孔應(yīng)變和井水位觀測(cè)產(chǎn)生的干擾（a）第3 分量應(yīng)變；（b）井水位Fig.6 The interference of near distance construction of excavator to borehole strain and well water level observations at Tengchong station on September 24,2016

很顯然，不同于靜力學(xué)問(wèn)題，挖掘機(jī)對(duì)應(yīng)變儀的影響為動(dòng)態(tài)過(guò)程。為什么應(yīng)變曲線一開(kāi)始幅度大，之后又變小，其間遵循何種機(jī)制？由于沒(méi)有詳細(xì)的施工記錄，其動(dòng)力軌跡與觀測(cè)曲線間尚難以建立準(zhǔn)確的物理聯(lián)系。

與姑咱地震臺(tái)筑路施工的影響不同，騰沖地震臺(tái)應(yīng)變儀探頭并非受張而是受壓，這可能與干擾源的距離和觀測(cè)場(chǎng)地的構(gòu)造有關(guān)。騰沖地震臺(tái)地勢(shì)較平，挖掘機(jī)就在井邊，施工動(dòng)力可能對(duì)井壁巖石產(chǎn)生了側(cè)向壓力，故探頭受壓；姑咱地震臺(tái)鉆井位于山坡上，道路施工在臺(tái)站下方向兩邊延伸，最近距離50 m，最遠(yuǎn)1 500 m，探頭的受力過(guò)程較復(fù)雜，其力學(xué)機(jī)制尚難以闡明。

3.2 人工湖施工和修路對(duì)鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的干擾

2010 年4 月后騰沖地震臺(tái)周邊農(nóng)田大面積開(kāi)挖，建造人工湖，該處距臺(tái)站600—800 m，重型機(jī)械頻繁施工。圖7（a）、7（b）為2 個(gè)典型干擾實(shí)例，時(shí)間段為每天8:00—22:00，特征為在應(yīng)變固體潮觀測(cè)曲線上疊加了許多短周期高頻波動(dòng)信號(hào)，最大振幅為30.8×10-10，但井水位沒(méi)有相應(yīng)變化。2017 年騰沖臺(tái)附近有市政建設(shè)修路施工，時(shí)間是每天8:30—20:00，圖7（c）顯示了由遠(yuǎn)及近的干擾過(guò)程，干擾與臺(tái)站間最近距離為50 m，最大振幅為18.5×10-10，井水位同樣沒(méi)有明顯變化。由圖7 可見(jiàn)，農(nóng)田開(kāi)挖和修路都會(huì)對(duì)應(yīng)變探頭產(chǎn)生影響，但與姑咱地震臺(tái)相比，干擾小很多，周期也較短，屬壓張波動(dòng)型，這可能與干擾距離、地形構(gòu)造和施工動(dòng)力過(guò)程等存在明顯差異有關(guān)，需要更多的觀測(cè)實(shí)例來(lái)論證。

圖7 人工湖施工和修路對(duì)騰沖地震臺(tái)鉆孔應(yīng)變第3 分量觀測(cè)曲線產(chǎn)生的干擾（a）2010 年6 月7 日人工湖施工；（b）2010 年8 月10 日人工湖施工；（c）2017 年1 月3 日修路；（d）2017 年2 月12 日修路Fig.7 Disturbance produced by artificial lake construction and road repair on the third component observation curve of borehole strain at Tengchong station

4 結(jié)果與討論

（1）2008 年汶川地震前姑咱地震臺(tái)壓應(yīng)變異常信號(hào)每日合計(jì)幅值、頻次均隨時(shí)間顯著增加，2008 年年底后強(qiáng)度明顯減弱；2013 年蘆山地震和2014 年康定地震發(fā)生時(shí)該現(xiàn)象未重現(xiàn)。與應(yīng)變儀同井觀測(cè)的水位記錄沒(méi)有該現(xiàn)象。

（2）姑咱地震臺(tái)張應(yīng)變顯著異常主要發(fā)生在2012 年10 底到2013 年6 月，其他時(shí)間段信號(hào)稀疏且幅值都很小，基本可以忽略。其間雖然發(fā)生了蘆山地震，但異常信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間與臺(tái)站門(mén)前修路施工的開(kāi)始時(shí)間吻合。井水位記錄同樣沒(méi)有該現(xiàn)象。

（3）壓、張異常是2 類(lèi)性質(zhì)不同的信息，應(yīng)分開(kāi)討論，切莫在統(tǒng)計(jì)時(shí)混為一談。

（4）無(wú)論是震前、臨震和震后，姑咱地震臺(tái)張應(yīng)變異常的基本特征都是時(shí)間上具有高度的準(zhǔn)同步性，即都發(fā)生在每日8:00—10:00 或7:30—17:00，這正是白天工人上班施工的時(shí)間。自然力產(chǎn)生的異常應(yīng)符合隨機(jī)性特征，不應(yīng)有如此強(qiáng)的規(guī)律性。4 月16、17 日張應(yīng)變異常振幅比20 日蘆山地震本身產(chǎn)生的振幅還大2 倍，如果將其視為臨震地球物理異常明顯有違常理。故筆者認(rèn)為在震例分析時(shí)，不能排除這些張應(yīng)變異常為施工干擾的可能性。

（5）騰沖地震臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果表明，受近距離施工（1 m）的影響，應(yīng)變儀探頭呈壓性而非張性，變化幅度可達(dá)857×10-10；稍遠(yuǎn)處施工（≥50 m）則是壓、張共進(jìn)，但幅度較小，為18×10-10—31×10-10?？梢?jiàn)觀測(cè)場(chǎng)地、干擾距離和施工細(xì)節(jié)的不同，干擾的結(jié)果會(huì)有差異。

（6）施工對(duì)應(yīng)變儀的影響屬于動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。由于涉及到干擾距離、強(qiáng)度、作用方式和觀測(cè)場(chǎng)地構(gòu)造等諸多復(fù)雜因素，目前建立動(dòng)態(tài)干擾模型還較困難，這是在干擾和地球物理異常判別上一直存有爭(zhēng)議的主要原因。相信隨著施工實(shí)例的不斷積累，會(huì)慢慢得到較清晰的認(rèn)識(shí)。

姑咱地震臺(tái)和騰沖地震臺(tái)的工作人員分別提供了施工干擾的基本信息，在此表示誠(chéng)摯謝意。