李毅偉， 吳勁柏， 蔡佩蕊， 陳 偉， 何星源，宋 超， 沈 勇， 黃歡歡， 佘娟萍

（1.莆田地震臺(tái)， 福建 莆田 351100； 2.莆田市地震監(jiān)測(cè)與應(yīng)急中心， 福建 莆田 351100）

0 前言

砂層應(yīng)變觀測(cè)測(cè)項(xiàng)與傳統(tǒng)的應(yīng)變觀測(cè)具有一定差別， 在一定程度上反映了顆粒介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì)的特性。 砂層應(yīng)變觀測(cè)的理論基礎(chǔ)是認(rèn)為整個(gè)大地殼是由顆粒組成， 力鏈?zhǔn)侵亓ψ饔迷陬w粒介質(zhì)中的客觀存在， 當(dāng)顆粒系統(tǒng)受力時(shí)是靠力鏈來支撐的。 當(dāng)?shù)貧ぐl(fā)生變動(dòng)時(shí)， 動(dòng)態(tài)瞬間波及到每個(gè)顆粒， 之前地殼靠力鏈承載或失穩(wěn)或斷裂。 通過具有很高的直接靈敏度和特殊性能的傳感器來接受這種力鏈的變化， 達(dá)到觀測(cè)地震的目的[1]。 砂層應(yīng)力有對(duì)外界微小作用的敏感性－靈敏度高， 可達(dá)到10 μm/mv。 同時(shí)具有與地殼和地震過程耦合的特性（通過特殊的安裝方法）。 砂層應(yīng)力儀觀測(cè)南北、 東西和北東（平行于當(dāng)?shù)財(cái)鄬幼呦颍?莆田為NE40 度）三個(gè)分量的砂層應(yīng)力變化， 產(chǎn)生YL1、YL2 和YL3 三方向應(yīng)變變化圖。

2009年5月福建省地震局在莆田地區(qū)建成砂層應(yīng)力儀臺(tái)站， 2011年， 在中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)司的支持下， 在莆田建立了我國(guó)第一個(gè)砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)中心， 收錄了全國(guó)18個(gè)砂層應(yīng)變臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了各臺(tái)之間的數(shù)據(jù)共享， 并提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)[2]。 本文通過對(duì)莆田砂層應(yīng)變觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 剔除干擾因素， 統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)， 砂層應(yīng)變東西分量對(duì)于國(guó)內(nèi)大震和鄰近地區(qū)的中小震出現(xiàn)了多次曲線相似的前兆異常， 而南北向數(shù)據(jù)變化幅度較小， 平行斷層分量數(shù)據(jù)比較紊亂，未提取到異常信息。

1 莆田砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)概況

1.1年變規(guī)律

莆田北高臺(tái)砂層應(yīng)變從2009年5月開始觀測(cè)， 到目前已積累了5年多的數(shù)據(jù)， 從整體的趨勢(shì)來看（如圖1）， 莆田北高臺(tái)砂層應(yīng)變?nèi)至烤哂幸欢ǖ哪曜円?guī)律。

圖1 莆田砂層應(yīng)變?nèi)至磕曜円?guī)律Fig.1 The annual change rule of three-component of sand strain in Putian

每年從11月份到4月份， 三分量的數(shù)據(jù)處于相對(duì)低值狀態(tài)， 且日變幅度較大； 從5月份到10月份， 三分量的數(shù)據(jù)處于相對(duì)高值狀態(tài)，日變幅度變小。 了解了正常年變的規(guī)律， 對(duì)于判定某些地震的前兆信息有一定的指導(dǎo)意義。

1.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線中的突跳現(xiàn)象

通過對(duì)莆田砂層應(yīng)變觀測(cè)資料分析研究， 曲線出現(xiàn)突跳現(xiàn)象比比皆是， 進(jìn)一步對(duì)原始秒值的研究， 我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的突跳是由于觀測(cè)儀器的通信單元串道導(dǎo)致， 為了提高砂層數(shù)據(jù)的有效性，更加準(zhǔn)確地反應(yīng)應(yīng)力趨勢(shì)， 采用筆者自主開發(fā)的砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)處理軟件[3]， 對(duì)砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)做了濾波處理， 通過濾波程序?qū)ι皩討?yīng)變?cè)济胫禂?shù)據(jù)進(jìn)行處理， 過濾較大的突跳， 再換算成分鐘值，以突出砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)的趨勢(shì)， 保證砂層數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性（如圖2）。

1.3 莆田砂層?xùn)|西分量映震分析

砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)在某些地震的震前具有一定的前兆反應(yīng)， 比如距離四川蘆山最近的成都臺(tái)， 在2013年4月20日四川雅安MS7.0 級(jí)的震前約11個(gè)小時(shí)， 三個(gè)方向同步出現(xiàn)突升， 數(shù)據(jù)曲線產(chǎn)生畸變， 而作為輔助測(cè)項(xiàng)的溫度卻沒有出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象， 說明該震前的數(shù)據(jù)畸變并不是外界干擾引起， 該震例對(duì)我們研究砂層的地震前兆信息具有一定的指導(dǎo)作用。

牛安福等[4]研究的突變主要是持續(xù)時(shí)間在十幾天至半年之內(nèi)的變化， 即短期前兆特征， 其基本條件有二， 一是變形速度顯著增加， 二是變形速度的穩(wěn)定和持續(xù)， 兩個(gè)條件從另一方面也給出了突變應(yīng)具有巨幅特征和單調(diào)性。 通過對(duì)莆田砂層?xùn)|西分量的觀測(cè)研究， 其在正常情況下具有明顯的日變規(guī)律， 一天的數(shù)據(jù)約在12 點(diǎn)左右下落， 18點(diǎn)左右回升， 這種日變規(guī)律的幅度與年變規(guī)律是一致的（如圖3）。

圖2 莆田砂層平行斷層分量2012年8月1～6日觀測(cè)數(shù)據(jù)處理前后比較Fig.2 The comparison of observation data of component paralleling to the fault of sand strain in Putian from 1st to 6th August, 2012 before and after processing

圖3 莆田砂層應(yīng)變東西分量正常動(dòng)態(tài)分鐘值Fig.3 The normal dynamic minute value of east-west component of sand strain in Putian

莆田砂層?xùn)|西向在某些地震前有一定的前兆信息， 而該前兆信息大多數(shù)是基于這種日變規(guī)律的破壞， 通過對(duì)應(yīng)變曲線的觀察分析， 對(duì)該日變規(guī)律的破壞類型總結(jié)如下：

（1）類型一。 在震前一段時(shí)間日變規(guī)律較為明顯， 曲線整體趨勢(shì)處于加載上升狀態(tài)或相持狀態(tài)， 在地震前一兩天日變動(dòng)態(tài)改變， 12 點(diǎn)至18 點(diǎn)的數(shù)據(jù)沒有下落， 而處于同步上升情況， 或是下落程度比前一段時(shí)間明顯要低（圖4、 5）。

（2）類型二。 在震前一段時(shí)間日變規(guī)律較為明顯， 曲線在震前一天處于急速卸載狀態(tài)（圖6）。

圖4 莆田砂層?xùn)|西分量在2013年8月3日福建仙游ML 4.2 級(jí)地震前后的觀測(cè)曲線Fig.4 The observation curve of east-west component of sand strain in Putian before and after Fujian Xianyou ML 4.2 earthquake in August 3rd,2013

圖5 莆田砂層?xùn)|西分量在2013年6月28日臺(tái)灣花蓮海域MS 5.8 級(jí)地震前后的觀測(cè)曲線Fig.5 The observation curve of east-west component of sand strain in Putian before and after Taiwan Hualian area MS 5.8 earthquake in June 28th, 2013

圖6 砂層?xùn)|西分量在2012年2月26日臺(tái)灣屏東MS 6.0 級(jí)地震前后的觀測(cè)曲線Fig 6 The observation curve of east-west component of sand strain in pution before and after Taiwan Pingdong MS 6.0 earthquakein February 26th, 2012

據(jù)此挑選了2009年5月至2014年6月的全國(guó)7 級(jí)以上（注： 6 級(jí)以上多在西北部， 對(duì)應(yīng)莆田砂層?xùn)|西向的影響并不是很明顯）、 福建地區(qū)3.5級(jí)以上、 臺(tái)灣地區(qū)5 級(jí)以上地震， 同時(shí)觀測(cè)曲線在地震前一段時(shí)間日變規(guī)律較為明顯的觀測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比分析（表1）。

1.4 震例統(tǒng)計(jì)分析

通過上述研究發(fā)現(xiàn)， 莆田砂層?xùn)|西分量對(duì)應(yīng)全國(guó)大震和福建及鄰近地區(qū)的地震具有一定的短臨前兆反應(yīng)， 即在加載或相持階段，日變動(dòng)態(tài)畸變， 規(guī)律破壞一至兩天后， 往往對(duì)應(yīng)發(fā)生全國(guó)7級(jí)以上（映震率100%）、 福建地區(qū)3.5 級(jí)以上（映震率71%）和臺(tái)灣地區(qū)5 級(jí)以上（映震率30%）地震。根據(jù)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 砂層應(yīng)變東西分量的這種映震效果與地震震級(jí)和震中距與砂層臺(tái)的距離有一定的關(guān)系， 如全國(guó)7 級(jí)以上地震， 對(duì)于較遠(yuǎn)的新疆于田， 其實(shí)際間隔就比較多一點(diǎn)， 同時(shí)對(duì)福建地區(qū)3.5 級(jí)以上地震的映震效果相對(duì)比較好， 而臺(tái)灣地區(qū)5 級(jí)以上的地震大多位于臺(tái)灣東部沿海及海域， 其映震率就相對(duì)較低。

表1 2009年5月至2014年6月莆田砂層應(yīng)變東西分量震前異常統(tǒng)計(jì)表Table 1 The anomaly statistics of east-west component of sand strain before earthquakes in Putian from May 2009 to June 2014

2 結(jié)語

通過整理分析莆田北高臺(tái)砂層應(yīng)變東西分量的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 并根據(jù)該臺(tái)站自觀測(cè)以來的所統(tǒng)計(jì)到的地震進(jìn)行前兆異常分析， 我們得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）該分量觀測(cè)數(shù)據(jù)有多次震前日變動(dòng)態(tài)畸變， 規(guī)律破壞的情況， 特別是對(duì)于全國(guó)7 級(jí)以上和福建地區(qū)3.5 級(jí)以上地震的映震效果較好。

（2）對(duì)于相同的曲線變化對(duì)應(yīng)地震三要素卻沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律， 需要建立數(shù)學(xué)模型算法對(duì)觀測(cè)曲線進(jìn)行深入研究。

（3）在其他震前無明顯的前兆異常的地震大多處于觀測(cè)曲線日變規(guī)律不明顯或混亂， 出現(xiàn)該狀況可能是由于其他方向應(yīng)力的疊加引起， 或是由于人為干擾引起， 有待進(jìn)一步計(jì)算和排除；

（4）同時(shí)在日常觀測(cè)中同樣也發(fā)現(xiàn)， 其他臺(tái)站日變規(guī)律較好的東西分量在某些鄰近地區(qū)較大的地震震前也有同樣的變化， 這些需要以后進(jìn)一步的積累和總結(jié)。

[1] 孫 威， 孫曉明．印度洋8.7 級(jí)與8.5 級(jí)地震的物理前兆[J]. 中國(guó)工程科學(xué)， 2008 ， 10（2）： 14-25.

[2] 蔡佩蕊， 沈勇， 陳 偉， 等.基于Oracle 的全國(guó)砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 華南地震， 2012， 32（4）：88-95.

[3] 李毅偉．基于Matlab 的砂層應(yīng)力分析軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 華南地震， 2011， 31（4）： 123-129.

[4] 牛安福．地傾斜變化的突變性與地震關(guān)系的研究[J]． 地震學(xué)報(bào)， 2003， 25 (4)： 441-445．