基于四分量鉆孔應(yīng)變的天山中段地區(qū)構(gòu)造應(yīng)變變化

斯琴 關(guān)冬曉 卓瑞祺

摘要：根據(jù)鉆孔應(yīng)變觀測理論，利用巴侖臺、庫米什和小泉溝分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)定量計算測區(qū)附近構(gòu)造應(yīng)變變化。結(jié)果顯示，三個臺站的最大-最小主應(yīng)變、面應(yīng)變和剪應(yīng)變的應(yīng)變速率相對恒定，主方向大體不變；巴侖臺附近區(qū)域受張-壓應(yīng)力相互作用，主壓應(yīng)變方向為N22°W， 庫米什臺附近區(qū)域受拉張應(yīng)力作用，主張應(yīng)變方向為N8°E；小泉溝臺附近區(qū)域受壓應(yīng)力作用，主壓應(yīng)變方向約為N46°W；精河M_S6.6地震前巴侖臺和小泉溝的應(yīng)變變化速率明顯高于平均水平，均呈現(xiàn)在壓縮背景下的應(yīng)變加速變化異常，可以為應(yīng)變資料同類異常的識別和判定提供參考。

關(guān)鍵詞：四分量鉆孔應(yīng)變；構(gòu)造應(yīng)變；應(yīng)變速率；天山中段；異常

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.006

地應(yīng)力變化是地震發(fā)生的重要原因，在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，地殼巖石介質(zhì)會發(fā)生運動變形，產(chǎn)生能量積累，當能量積累到一定程度就會導致局部地殼的破裂，即發(fā)生地震^［1］。連續(xù)監(jiān)測地殼應(yīng)力、應(yīng)變場的動態(tài)變化過程，對于認識地震孕育過程的動力學特征及探索地震預報具有重要意義^［2-5］。四分量鉆孔應(yīng)變儀，是中國研制的^［6］一種新興高精度地球動力學觀測儀器，在地殼變形和應(yīng)力場觀測中扮演著重要角色，它優(yōu)于其他觀測手段的一個重要能力就是能夠確定構(gòu)造應(yīng)變變化^［7］。

近年來，隨著鉆孔應(yīng)變站網(wǎng)數(shù)據(jù)的不斷積累，利用鉆孔應(yīng)變觀測結(jié)果計算當?shù)貥?gòu)造運動應(yīng)變變化成為一個新的研究熱點。鐘繼茂等^［8］用多分量鉆孔應(yīng)變儀資料推算測區(qū)附加應(yīng)變場的主應(yīng)變大小和主方向；蔣靖祥等^［9］利用新疆地區(qū)1985—2010年的鉆孔應(yīng)變、應(yīng)力連續(xù)觀測資料研究相對應(yīng)力場，得出新疆地區(qū)應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向近NS，呈現(xiàn)區(qū)域性分布特征；張肖等^［10］根據(jù)“雙襯套”^［11］理論觀測模型和應(yīng)變理論，以易縣臺分量鉆孔應(yīng)變觀測資料為例，解算測區(qū)構(gòu)造應(yīng)變變化；邱澤華等^［12］對全國分量鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)的YRY型鉆孔應(yīng)變儀的應(yīng)變變化主方向、應(yīng)變速率進行了分析，發(fā)現(xiàn)這些應(yīng)變儀的觀測變化非常穩(wěn)定，可以為地球動力學的研究提供可靠的數(shù)據(jù)；陳永前等^［13］結(jié)合區(qū)域構(gòu)造和鉆孔應(yīng)變潮汐變化、主方位角、主應(yīng)變變化分析山西地區(qū)構(gòu)造運動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)山西地區(qū)主應(yīng)變場方向與該區(qū)域主要活動斷裂方向相一致。

本文中利用天山中部地區(qū)分布相對集中的巴侖臺、庫米什和小泉溝臺3套RZB-2型四分量鉆孔應(yīng)變儀資料，采用四分量鉆孔應(yīng)變觀測理論及應(yīng)變換算方法^［14-17］，選取不同時間類型的數(shù)據(jù)定量計算測點附近的主應(yīng)變大小、主方向等構(gòu)造應(yīng)變參數(shù)，獲取測點附近的構(gòu)造應(yīng)變變化，為分析該地區(qū)的地球動力學、地震、活動特征、地震危險性評估等提供參考依據(jù)。

巴侖臺、庫米什和小泉溝是庫爾勒地震監(jiān)測中心站所屬子臺（圖1），為天山中段地震前兆臺網(wǎng)項目所建，儀器型號是RZB型電容式多分量鉆孔應(yīng)變儀，于2014—2016年架設(shè)完成，并開始觀測。其中巴侖臺和小泉溝分量鉆孔應(yīng)變儀器建設(shè)初期出現(xiàn)故障較多，進行了二次更換和維修，到2016年底，全部數(shù)據(jù)恢復正常，各個測項能記錄到清晰的固體潮變化。表1給出了這3個臺站地址構(gòu)造背景及儀器元件參數(shù)，鉆孔最深的是巴侖臺，庫米什和小泉溝鉆孔深度相當。

2 觀測原理及計算方法

四分量鉆孔應(yīng)變儀的探頭是一個密封的圓套筒，內(nèi)部安裝測量套管內(nèi)徑變化的4個元件（電容式位移傳感器）。鉆孔打好后，將探頭放入，然后用特制的水泥填充于鋼筒和巖孔之間進行耦合固結(jié)，將二者耦合起來，才能進行觀測。由于這種特定的耦合方式，使套筒、水泥、巖石之間形成了一個復合的“雙襯套”結(jié)構(gòu)^［11］。根據(jù)“雙襯套”觀測模型原理，當遠處有均勻水平主應(yīng)變ε₁和ε₂時，鉆孔θ方向上的孔徑相對變化為：

S_θ=A（ε₁+ε₂）+B（ε₁-ε₂）cos2（θ-φ） .（1）

式中：S_θ是指實際觀測給出的數(shù)值。θ是元件1的方位角，而A和B是耦合系數(shù)。在分量鉆孔應(yīng)變觀測中，采用四分量的探頭結(jié)構(gòu)，即各個傳感器之間的夾角均為45°，有比較明顯的優(yōu)越性。所以，設(shè)S_i（i=1，2，3，4）是4個元件的觀測值，將兩組互相垂直方向上的孔徑相對變化觀測值用公式（1）表示并相加，可得到如下簡單關(guān)系：

S₁+S₃=S₂+S₄=2A（ε₁+ε₂） .（2）

式（2）是四分量鉆孔應(yīng)變觀測的自洽方程^［7］。當觀測自洽很差時，可以利用相對實地標定進行數(shù)據(jù)矯正^［14］。參照地震行業(yè)標準換算，令

則可解出主應(yīng)變和主方向為

式中：φ為主方向，ε₁、ε₂分別為最大、最小主應(yīng)變，則面應(yīng)變ε_a=ε₁+ε₂，剪應(yīng)變ε_s=12（ε₁-ε₂）。

3 數(shù)據(jù)處理及計算結(jié)果分析

選取巴侖臺、庫米什和小泉溝2017年1月1日至2021年12月31日的應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)（小泉溝2021年儀器故障，選取數(shù)據(jù)截至2020年底），在對數(shù)據(jù)資料質(zhì)量進行評價的基礎(chǔ)上，對這3個臺站4個方向的鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)進行應(yīng)變換算，定量計算測點附近的構(gòu)造應(yīng)變變化及主方向。

3.1 觀測資料評價

四分量鉆孔應(yīng)變觀測最大的優(yōu)勢就是可以利用自洽方程對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行檢驗^［7］，可以通過兩組垂直元件計算面應(yīng)變結(jié)果的一致性來說明記錄資料的可靠性。一般來說，對于觀測較好的臺站2組面應(yīng)變曲線形態(tài)近似，相關(guān)性較好。但在實際觀測中，因各元件靈敏度受到干擾因素（如溫度）的影響程度不同，導致各元件的靈敏度變化也不一致，就會造成各觀測值之間的關(guān)系不符合自洽方程^［14］。所以要用相對實地標定方法對四個元件的靈敏度進行一致性檢驗，并計算各元件的靈敏度矯正系數(shù)，對數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳的觀測數(shù)據(jù)進行矯正，以提高數(shù)據(jù)的自洽程度。而數(shù)據(jù)信度C₉₅是刻畫數(shù)據(jù)自洽程度的一個關(guān)鍵指標，可以定量描述數(shù)據(jù)的自洽程度，信度越接近1，表示數(shù)據(jù)自洽程度越高，數(shù)據(jù)越可靠^［12］。本文選取巴侖臺、庫米什和小泉溝臺四分量鉆孔應(yīng)變原始整點值數(shù)據(jù)，并用一階差分值進行相對實地標定和數(shù)據(jù)矯正，獲得觀測數(shù)據(jù)資料質(zhì)量評價結(jié)果見表2。

從表2可以看出，巴侖臺4個元件的靈敏度矯正系數(shù)均在1附近，說明數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，矯正前后信度C₉₅變化很小，小于5%，對這種數(shù)據(jù)可以不用進行矯正^［12］。庫米什元件靈敏度矯正系數(shù)k₂相對較低，說明第2路數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，其他3個元件的矯正系數(shù)均在1值附近，分析認為，可能是井下探頭中的2號元件靈敏度發(fā)生了不一致變化，經(jīng)矯正后信度由0.726 0提高至0.799 2。小泉溝4個元件的靈敏度矯正系數(shù)也都在0.8以上，經(jīng)矯正后，其信度指標從0.779 6 提高至0.828 9，改善比較明顯。這三個臺站具有這么高的信度，說明數(shù)據(jù)是比較可靠的。在后續(xù)計算中，對庫米什和小泉溝的數(shù)據(jù)進行了矯正。

3.2 應(yīng)變換算分析

根據(jù)公式（4）可以定量計算測點主應(yīng)變變化和主方向，因為分量鉆孔應(yīng)變觀測記錄的是變化量，所以本文以2017年1月1日為基準，對觀測數(shù)據(jù)進行歸零操作（即所有的觀測數(shù)據(jù)減掉起點值，使4條觀測曲線的起點都為0），再用小時值、日均值、15日均值和30日均值數(shù)據(jù)進行對比研究，計算巴侖臺、庫米什和小泉溝最大主應(yīng)變ε₁、最小主應(yīng)變ε₂、面應(yīng)變ε_a、剪應(yīng)變ε_s和主方向φ等應(yīng)變參數(shù)，獲取測點附近的構(gòu)造應(yīng)變變化，結(jié)果見表3。

由表3可知，每個臺站用不同時間尺度類型數(shù)據(jù)計算得到的應(yīng)變參數(shù)都比較穩(wěn)定，無論用哪種數(shù)據(jù)類型進行計算，每個臺的最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、面應(yīng)變和剪應(yīng)變的應(yīng)變速率都變化十分微小，且應(yīng)變變化主方向φ保持不變，由此可見，對于自洽程度較好的數(shù)據(jù)，無論使用小時值還是30日均值，其應(yīng)變參數(shù)結(jié)果基本不變。

（1） 最大主應(yīng)變變化分析：分量鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)增大表示拉張變化，減小表示擠壓變化。圖2是這3個臺站用日均值數(shù)據(jù)換算得到的主應(yīng)變、主方向變化曲線及其擬合直線（其他時間尺度數(shù)據(jù)類似）。由圖可知，巴侖臺、庫米什和小泉溝最大主應(yīng)變變化速率分別約為165 ns/a，753 ns/a和-1 755 ns/a。巴侖臺最大主應(yīng)變整體呈拉張變化，2017年8月初出現(xiàn)拉張轉(zhuǎn)壓縮的變化，直到9月底才恢復到原來的拉張變化，期間發(fā)生了精河M_S6.6和庫車M_S5.7地震。2019年10月巴侖臺張應(yīng)變速率加快，其后出現(xiàn)快速壓縮變化，與同期水位變化比較同步，分析認為是水位影響所致。庫米什最大主應(yīng)變整體呈穩(wěn)定的拉張變化。小泉溝最大主應(yīng)變整體呈壓縮變化，2017年1月出現(xiàn)反向加速變化，3月恢復壓縮變化，8月發(fā)生精河M_S6.6地震。

（2） 最小主應(yīng)變變化分析：巴侖臺、庫米什和小泉溝最小主應(yīng)變變化速率分別約為-207 ns/a，425 ns/a和-2 153 ns/a。巴侖臺和小泉溝最小主應(yīng)變出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常變化的時間、形態(tài)與和最大主應(yīng)變變化比較一致。巴侖臺和小泉溝最小主應(yīng)變整體趨勢呈下降變化，庫米什呈上升變化。

（3） 面應(yīng)變和剪應(yīng)變變化分析：巴侖臺、庫米什和小泉溝臺的面應(yīng)變變化速率分別為-42 ns/a，1 179 ns/a和-3 908 ns/a，剪應(yīng)變變化速率都不到200 ns/a。可以看出3個臺的面應(yīng)變年變化速率差異較大，而剪應(yīng)變年變化速率基本一致，均是以每年不到1個微應(yīng)變速率逐漸增大。

（4） 應(yīng)變變化主方向：這里的主方向是以地理坐標北為起點，順時針旋轉(zhuǎn)來定義的。圖3分別繪制了這3個臺站的應(yīng)變變化主方向，可以看出，巴侖臺應(yīng)變變化主方向為158°，呈NNW向；庫米什臺應(yīng)變主方向為8°，呈NNE向；小泉溝臺應(yīng)變主方向為134°，呈NWW向。

根據(jù)唐磊等^［18］提出的判斷觀測區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的方法，對這3個應(yīng)變臺站周邊區(qū)域地表應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進行分析。從圖2可以看出，巴侖臺的主應(yīng)變ε₁＞0，ε₂＜0，說明巴侖臺鉆孔區(qū)域附近受張-壓應(yīng)力相互作用，再結(jié)合圖3（a）中的主方向及4個元件的方位，可知巴侖臺及附近區(qū)域受張-壓應(yīng)力相互作用，主壓應(yīng)變方向約為N22°W。庫米什的主應(yīng)變ε₁＞0，ε₂＞0，小泉溝的主應(yīng)變ε₁＜0，ε₂＜0，同樣方法可以判斷出，庫米什臺及附近區(qū)域主要受拉張應(yīng)力作用，主張應(yīng)變方向約為N8E°；小泉溝臺及附近區(qū)域主要受壓應(yīng)力作用，主壓應(yīng)變方向約為N46W°。

巴侖臺、庫米什和小泉溝主要分布在天山中部地區(qū)（圖1），天山中部地區(qū)的主要構(gòu)造走向以NNW為主，這3個臺站附近的構(gòu)造斷裂也呈NW展布，如巴侖臺附近的烏拉斯臺斷裂，小泉溝附近的洪水溝斷裂。整個天山地區(qū)基本受近NS向背景應(yīng)力場的控制，但受塊體與斷裂相互作用的影響應(yīng)力分布不均勻，局部地區(qū)出現(xiàn)NNW、NNE向，而天山中部地區(qū)表現(xiàn)出較明顯的NNW向作用力^［19］。由此可知，巴侖臺和小泉溝臺的最大主應(yīng)變方向與臺站附近的構(gòu)造走向基本一致，也與天山中部地區(qū)的NNW向背景應(yīng)力場較一致。GPS應(yīng)變場解算結(jié)果顯示天山及鄰近地區(qū)應(yīng)變場的主壓應(yīng)變優(yōu)勢分布方向為NNW^［20］，可以推算出該區(qū)域的主張應(yīng)力場方向為NEE；由庫米什臺分量鉆孔解算得到該臺附近區(qū)域處于NNE向張應(yīng)力作用，兩者結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變觀測理論及應(yīng)變換算方法，通過計算巴侖臺、小泉溝和庫米什臺主應(yīng)變、面應(yīng)變、剪應(yīng)變和主方向等構(gòu)造應(yīng)變場參數(shù)，對測區(qū)構(gòu)造應(yīng)變變化進行定量分析，并判斷觀測點附近地表的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，得到以下結(jié)論：

（1） 巴侖臺、庫米什和小泉溝最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變變化曲線總體形態(tài)呈現(xiàn)斜率大體不變的斜線，應(yīng)變變化速率保持在一個恒定的水平，主方向保持不變，這就是構(gòu)造運動造成的應(yīng)變變化的表現(xiàn)。

（2） 巴侖臺及附近區(qū)域受張-壓應(yīng)力相互作用，主壓應(yīng)變方向約為N22°W。庫米什臺及附近區(qū)域主要受拉張應(yīng)力作用，主張應(yīng)變方向約為N8°E；小泉溝臺及附近區(qū)域主要受壓應(yīng)力作用，主壓應(yīng)變方向約為N46°W。

（3） 巴侖臺和小泉溝臺應(yīng)變變化主方向基本呈NNW和NWW向，與臺站附近呈NW向展布的構(gòu)造斷裂的走向基本一致，也與GPS解算結(jié)果給出的天山及鄰近地區(qū)應(yīng)變場的主壓應(yīng)變優(yōu)勢分布方向NNW較一致；庫米什呈NNE向，與鄰近地區(qū)的主拉應(yīng)變方向基本一致。

（4） 精河M_S6.6地震前巴侖臺和小泉溝應(yīng)變變化速率出現(xiàn)前兆異常變化，其異常特征顯示，震前應(yīng)變變化速率明顯高于平均水平，均呈現(xiàn)在壓縮背景下的應(yīng)變加速變化，為應(yīng)變資料同類異常的識別和判定提供了參考。

由于用應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)換算構(gòu)造應(yīng)變變化是以理論固體潮作為標準進行實地標定計算的，這種計算排除了地形、巖性和高程等局部因素的影響，與真實數(shù)值肯定有一定的偏離，所以還需在后續(xù)的研究中，進一步結(jié)合GNSS、重力、測震等更多手段進行綜合分析，取得更為可靠的認識。

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TECTONIC STRAIN VARIATION IN MIDDLE SECTION

OF TIANSHAN MOUNTAINS BASED ON FOUR

COMPONENT BOREHOLE STRAIN

SI Qin，? GUAN Dong-xiao，? ZHUO Rui-qi

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： According to borehole strain observation theory， quantitative calculation of structural strain changes near the survey area is carried out using borehole strain observation data from Balun Station， Kumish and Xiaoquangou components. The results show that the strain rates of the maximum minimum principal strain， surface strain， and shear strain at the three stations are relatively constant， while the principal direction remains roughly unchanged; The area near the Balun Plateau is subjected to tensile compressive stress interaction， with the principal compressive strain direction being N22°W. The area near the Kumish Plateau is subjected to tensile stress， with a strain direction of N8°E; The compressive stress in the area near the Xiaoquangou platform results in a principal compressive strain direction of approximately N46°W; Before Jinghe M_S6.6 earthquake， the strain change rates at Balun Station and Xiaoquangou were significantly higher than the average level， both exhibiting strain acceleration anomalies under compression background， which can provide reference for the identification and judgment of similar anomalies in strain data.

Key words： Four component borehole strain; Structural strain; Strain rate; Middle section of Tianshan Mountain; Anomaly