李 娜，馮建剛，武善藝

（甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

鉆孔應(yīng)變觀測在短臨跟蹤觀測中可揭示中短期地殼連續(xù)變形[1]，而且在短期以及臨震應(yīng)變變化方面已體現(xiàn)出了相對測震和GPS 更大的優(yōu)勢，因此目前在國際上受到高度重視?！笆濉逼陂g中國鉆孔應(yīng)變觀測臺站增加了數(shù)十倍，鉆孔應(yīng)變觀測網(wǎng)發(fā)展迅速[2]。2019 年9 月16 日張掖甘州發(fā)生了5.0 級地震，距離震中101km 處的高臺鉆孔應(yīng)變在震前出現(xiàn)明顯的短期異常變化，根據(jù)異常性質(zhì)分析和判定以及震后高臺鉆孔應(yīng)變的年變形態(tài)恢復(fù)情況進(jìn)一步確定高臺鉆孔應(yīng)變5 個月前出現(xiàn)的異常變化為震兆信息。

1 高臺背景資料

1.1 臺站地理、地質(zhì)構(gòu)造情況

高臺鉆孔應(yīng)變觀測點位于合黎山—龍首山褶皺帶南緣與走廊斷陷的分界處，河西系高臺—榆木山隆起和祁呂西褶皺外緣與古北西向構(gòu)造斜撞復(fù)合部位。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以合黎山—龍首山北西西向隆起帶為主，西起金塔，東至河西堡東，總體走向呈N50°～60°W，與高臺—榆木山構(gòu)帶斜接復(fù)合[3]。臺基為海西期花崗巖，位于祁連山地震帶。該地區(qū)為走向北西西向逆沖斷層，線壯褶皺非常發(fā)育，垂直差異運動強(qiáng)烈，是地應(yīng)力易于積累的地區(qū)。1954 年山丹發(fā)生71/4級地震，2003 年民樂、山丹發(fā)生6.1 級和5.8 級地震。

高臺位于河西走廊中部，黑河中游下段。北依合黎山與內(nèi)蒙古阿拉善右旗相鄰。臺址周圍地形地貌特征屬花崗巖類構(gòu)造低山，臺基巖性為較堅硬完整的海西期花崗巖。地表為風(fēng)化巖石，3m 以下較完整花崗巖，臺站地理位置如圖1 所示。

圖1 高臺臺地理位置及附近構(gòu)造分布Fig.1 Geographical location and structures distribution nearby the Gaotai Seismic Station

1.2 觀測儀器簡介

鉆孔應(yīng)變儀架設(shè)于2007 年6 月，為“十五”數(shù)字化觀測項目，分量鉆孔應(yīng)變包括4 個應(yīng)變分量和鉆孔水位、氣壓輔助觀測共六個測項。探頭定向方位由探頭內(nèi)羅盤在地面指向磁南北方位的照片與鉆孔內(nèi)固定后的照片比較后再做確定。各元件方位角如下：1 路-65°，2路-20°，3 路25°，4 路70°，4 個分量元件工作穩(wěn)定正常。高臺鉆孔應(yīng)變孔深45 m，儀器探頭安裝于44m 處，底部墊入30cm 小石子，探頭周遍均勻灌入水泥石英沙進(jìn)行固定耦合。穩(wěn)定水位距井口36m。安裝儀器的位置為裸巖，鉆孔在無裂隙，無破碎的整體基巖之上，無涌水和漏水現(xiàn)象，地面至40m 鉆孔一律用136mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼套管保護(hù)，為防止地表或地下水進(jìn)入井中，全部用水泥漿壓力封井，將護(hù)井套管于巖壁緊密凝固。

2 高臺鉆孔應(yīng)變異常形態(tài)性質(zhì)分析

高臺鉆孔應(yīng)變自觀測以來，年變形態(tài)完整且穩(wěn)定，從背景變化分析，高臺鉆孔應(yīng)變四分量呈現(xiàn)“壓縮—拉張—壓縮”的年變規(guī)律，年變形態(tài)呈余弦曲線，NS、EW 分量每年1 月起加速下降，3 月底開始下降速率減緩，4 月轉(zhuǎn)平達(dá)到極小值，5 月轉(zhuǎn)折加速上升，7—8 月上升速率減緩，9 月轉(zhuǎn)平達(dá)到極大值，10 月開始轉(zhuǎn)折下降，下降速率與1 月初開始的速率基本一致。NE、NW 分量的年變幅度逐年有所減小，變化形態(tài)與NS、EW 分量基本一致，NS、EW分量每年4 月初和10 月初發(fā)生轉(zhuǎn)折，而NE 和NW 分量兩次轉(zhuǎn)折時間均比NS、EW 分量滯后半個月（圖2）。但是2019 年NE 和NW 分量首次壓縮轉(zhuǎn)拉張狀態(tài)滯后至5 月中旬，極小值出現(xiàn)時間相較往年滯后近兩個月，7 月兩個分量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升趨勢，8 月底逐漸恢復(fù)往年上升速率。為判斷此次狀態(tài)轉(zhuǎn)變滯后是否是地震前兆，需從觀測系統(tǒng)以及周邊環(huán)境多方面檢查排除干擾因素，從而科學(xué)判定破年變變化的異常性質(zhì)，并分析高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量破年變異常是否對祁連山中西段地震危險性具有指示意義。

圖2 高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量年較圖（2012—2019 年）Fig.2 The NE and NW borehole strain of annual variation curves at Gaotai Seismic Station（2012—2019）

2.1 觀測系統(tǒng)干擾因素排查

高臺于2019 年6 月4 日對供電電源進(jìn)行改造升級。利用太陽能板對供電電池進(jìn)行充電，室內(nèi)安裝三個太陽能充電控制器，對高臺鉆孔應(yīng)變供電系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，測量電瓶電壓為13.7V，與太陽能充電控制器顯示電壓相同，太陽能控制器自身電壓0.89V。利用電瓶為觀測儀器供電，可保證數(shù)據(jù)不受市壓穩(wěn)定性影響，避免市電干擾，利用太陽能充電板對電瓶充電，可保證不間斷供電，一般電瓶充滿情況下可正常工作一周，太陽能板在有光照的情況下隨時可對電瓶進(jìn)行充電，避免了停電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)停測缺數(shù)。自供電設(shè)備更換以來，電壓平穩(wěn)無異常，NE 和NW 分量異常開始時間為4 月中旬，與更換太陽能板時間不符，因此排除了供電電源影響。

高臺鉆孔應(yīng)變自正式觀測以來變化穩(wěn)定，未更換過格值。其中：第一分量格值—21.6021×10-10/mV，第二分量格值—22.7104×10-10/mV，第三分量格值—20.6476×10-10/mV，第四分量格值—26.9295×10-10/mV。

觀測井上有結(jié)實的水泥蓋板，打開蓋板，對井孔進(jìn)行詳細(xì)檢查后，并未發(fā)現(xiàn)破損，井蓋完好，套管完整無裂縫，線纜也無破損現(xiàn)象。井周無塌陷、倒塌，觀測井孔正常使用。

2.2 觀測環(huán)境干擾源分析

高臺鉆孔應(yīng)變觀測點距縣城6km，距最近鄉(xiāng)村公路20m，觀測井周邊有四個采石場，分別距觀測井910m、980m、1210m 和1880m。2017 年異常核實已對四個采石場進(jìn)行現(xiàn)場核實，核實認(rèn)為采石場已工作多年，而高臺鉆孔應(yīng)變架設(shè)以來儀器工作穩(wěn)定，采石場爆破對鉆孔應(yīng)變井的數(shù)據(jù)無影響。

距觀測井520m 處存在一新建再生水處理塔中轉(zhuǎn)站，于5 月底開始運行，其運行時間較鉆孔應(yīng)變分量異常出現(xiàn)時間晚。中轉(zhuǎn)站占地面積不大，處理污水并排出用于農(nóng)業(yè)灌溉但排水量有限，對地下水位變化無影響，因此對鉆孔應(yīng)變四分量影響不大。再生水出水管道方向不遠(yuǎn)處有一積水潭，水潭面積不大，水較淺，降雨積水形成，但2019 年4 月起降雨水平較2018 年同期較少，因此認(rèn)為降雨導(dǎo)致的積水潭積水不足以引起NE、NW 分量鉆孔應(yīng)變年變形態(tài)發(fā)生變化。

高臺縣為農(nóng)業(yè)縣，用水均為農(nóng)業(yè)用水，通過水渠供水。近幾年縣城用水量未發(fā)生顯著變化，而且每日灌溉前后鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)也并無明顯變化，因此排除灌溉對鉆孔應(yīng)變的影響。

高臺鉆孔應(yīng)變配備水位、氣壓輔助測項，2009 年至2018 年，高臺鉆孔水位共上升了約130 毫米（高臺縣淺層地表水距地面僅6m）。水位上升與高臺縣大力治理濕地保護(hù)以及距離黑河較近有關(guān)。水位有明顯的年變，呈夏低冬高的正弓形態(tài)。除2012 年9 月因鉆孔水位探頭故障，更換了新的水位探頭，2014 年、2015年、2017 年多次數(shù)采等儀器故障，網(wǎng)絡(luò)不通等原因?qū)е掠^測數(shù)據(jù)變化出現(xiàn)異常變化（圖3）外，鉆孔水位和鉆孔氣壓無其他異常變化，氣象三要素也未顯示明顯異常變化（圖4）。綜上所述，高臺鉆孔應(yīng)變觀測系統(tǒng)工作正常，測區(qū)環(huán)境未發(fā)生顯著變化。NE、NW 分量的破年變變化與降雨、水位、氣溫和氣壓等因素?zé)o關(guān)，真實反映了地下應(yīng)力的變化。

圖3 高臺鉆孔水位、鉆孔氣壓觀測曲線圖（2008—2019）Fig.3 The water level and pressure observation curve of the Gaotai borehole（2008—2019）

圖4 高臺氣象三要素觀測曲線（2008—2019）Fig.4 The observation curves of three elements meteorology at Gaotai Seismic Station（2008—2019）

2.3 面應(yīng)變分析

四分量鉆孔應(yīng)變儀可以利用相互垂直方向上的應(yīng)變之和為不變量的特點對不同元件的應(yīng)變觀測進(jìn)行互檢[4-6]。在判斷儀器狀態(tài)、評定資料質(zhì)量以及核實資料異常時，校核條件（S1+S3=S2+S4） 起到了非常重要的作用。高臺鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變曲線如圖5 所示，根據(jù)四分量自檢原理對高臺鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變進(jìn)行分析，S1+S3分量和S2+S4 分量結(jié)果重合性較高，顯示S1+S3 和S2+S4 相關(guān)性逐漸增強(qiáng)。據(jù)四分量鉆孔應(yīng)變自檢原理，年高臺鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變相關(guān)性達(dá)0.999853，觀測數(shù)據(jù)可靠性高，能夠真實反映該區(qū)應(yīng)力應(yīng)變場變化[7]。由此看來高臺鉆孔應(yīng)變四分量觀測儀器合格，觀測數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，資料質(zhì)量好。

圖5 高臺鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變曲線Fig.5 The plain strain curve of Gaotai borehole strain

2.4 主應(yīng)變和主應(yīng)力分析

四分量鉆孔應(yīng)變最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變曲線整體呈壓性變化，長年以均勻的速度變化，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的變化同步，數(shù)值相等。圖6 為四分量最大主應(yīng)變的應(yīng)力方向，最小主應(yīng)變的應(yīng)力方向與主應(yīng)變方向垂直。自2008 年開始觀測起，數(shù)據(jù)主應(yīng)力變化幅度逐漸減小，方向逐漸向E50°S 偏移，目前主應(yīng)力方向有向東偏移的趨勢（圖7）。

圖6 高臺鉆孔應(yīng)變主應(yīng)變曲線Fig.6 The principal strain curve of Gaotai borehole strain

圖7 高臺鉆孔應(yīng)變主應(yīng)力曲線Fig.7 The principal stress curve of Gaotai borehole strain

2.5 異常性質(zhì)判定

從四分量鉆孔應(yīng)變主應(yīng)力方向來看，自2008 年起，主應(yīng)力方向變化幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定于一個變化方向，2014 年起逐漸偏向E50°S 并趨于穩(wěn)定，2019 年主應(yīng)力方向稍向東偏轉(zhuǎn)。高臺鉆孔應(yīng)變四分量基本在4 月左右達(dá)到低值，而10 月左右達(dá)到每年最高值，且從年變圖（圖2） 可以看出年變形態(tài)常年保持穩(wěn)定。NE 分量、NW 分量自2019 年4 月中旬開始出現(xiàn)的拉張狀態(tài)滯后現(xiàn)象，NE 分量受壓縮幅度更大，數(shù)據(jù)截至2019 年7 月11 日仍未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折拉張變化。經(jīng)核實認(rèn)為此次破年變異常是前兆異常。

2.6 破年變異常R 值檢驗

采用利用破年變法中的不同計算方法對高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量2013—2019 年8 月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行異常分析及效能檢驗，由于破年變異常開始時間為2019 年5 月1 日，觀測曲線恢復(fù)往年變化速率時間為2019 年8 月31 日，因此分別對截至異常開始前數(shù)據(jù)、截至異常結(jié)束后數(shù)據(jù)進(jìn)行效能檢驗，如表1 所示。截至高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量出現(xiàn)破年變，通過對祁連山西段歷史震例及高臺鉆孔應(yīng)變干擾因素的統(tǒng)計分析顯示，異常分量均未通過R 值檢驗，這可能與祁連山地震帶西段歷史地震個數(shù)以及干擾因素統(tǒng)計表的完善程度有關(guān)，但從預(yù)測優(yōu)勢時間來看，發(fā)震優(yōu)勢時間為異常出現(xiàn)后的1.5～3 個月；分析數(shù)據(jù)延長至破年變變化恢復(fù)以往變化形態(tài)時，分析結(jié)果仍未通過R 值檢驗，但發(fā)震優(yōu)勢時間為異常結(jié)束后的1～3 個月。甘州5.0 級地震發(fā)生在異常出現(xiàn)后的第3 個月，異常結(jié)束后的1 個月，滑動傅里葉計算結(jié)果與實際發(fā)震時間更為接近，圖8 為滑動傅里葉分析結(jié)果。雖然效能檢驗結(jié)果不理想，但從預(yù)測時間和發(fā)震時間對應(yīng)結(jié)果來說，高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量破年變異常確實與甘州5.0 級地震有關(guān)。

圖8 高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量R 值效能檢驗（破年變法-滑動傅里葉，2013—2019.08）Fig 8. Effectiveness test of R value of strain NE and NW components of Gaotai borehole（Broken annual variation-Sliding Fourier，2013—2019.08）

表1 破年變法對高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量異常效能檢驗

3 高臺鉆孔應(yīng)變響應(yīng)地震分析

2019 年9 月16 日在張掖甘州區(qū)（38.52°N、100.27°E） 發(fā)生5.0 級地震，震中位置距高臺鉆孔應(yīng)變僅101km，認(rèn)為此次地震對應(yīng)了高臺鉆孔應(yīng)變的破年變異常。根據(jù)邱澤華[4]提出判斷異常變化是否與地震有關(guān)，除了判斷“是否有正常背景”與“是否為非干擾影響”外，還要同時分析震前、震時和震后觀測數(shù)據(jù)的變化。

5.0 級地震震前高臺鉆孔應(yīng)變變化顯示，2019 年5 月高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量相較往年，壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)拉張狀態(tài)時間點滯后1.7 個月，且NE 分量拉張速率明顯較快，9 月初開始減緩，9 月16 日發(fā)生甘州5.0 級地震（圖2）。

震時高臺鉆孔應(yīng)變變化顯示，記錄到了同震效應(yīng)，9 月16 日當(dāng)天晚上20 時48 分，四分量鉆孔應(yīng)變同步出現(xiàn)階變，突跳持續(xù)5 分鐘結(jié)束，地震發(fā)生時間為20 時48 分，如圖9 所示，出現(xiàn)階變的起始時間和地震波的到達(dá)時間一致，同青海地區(qū)鉆孔應(yīng)變的同震響應(yīng)變化相似[8]。根據(jù)張才劍等[9]的研究成果認(rèn)為同震響應(yīng)持續(xù)時間與震中距、震級大小有關(guān)，高臺鉆孔應(yīng)變以往記錄同震響應(yīng)存在震中距越遠(yuǎn)，震級越大，持續(xù)時間越長的特點，甘州5.0 級地震距離高臺鉆孔應(yīng)變觀測點101km，因為距離較近，因此記錄同震初始時間與發(fā)震時間一致，而持續(xù)時間短。

圖9 甘州5.0 級地震時高臺鉆孔應(yīng)變同震效應(yīng)（2019年9 月16 日）Fig.9 Coseismic effects of Gaotai borehole strain in the magnitude 5.0 of Ganzhou earthquake

震后高臺鉆孔應(yīng)變變化顯示，地震發(fā)生后于9 月底NE、NW 分量與其它兩個NS、EW 分量同步出現(xiàn)上升速率轉(zhuǎn)平，隨后轉(zhuǎn)折下降的變化，與往年年變形態(tài)相同，且下降速率一致。由此認(rèn)為地震后，高臺鉆孔應(yīng)變已基本恢復(fù)年變形態(tài)，但由于震前破年變變化導(dǎo)致2019 年極值偏低，從2013 至2019 年的極值差對比來看，盡管2019 年極值偏低，但最大值和最小值的差值與往年變化水平基本一致，2020 年1 月數(shù)據(jù)變化與往年相同，因此認(rèn)為震后鉆孔應(yīng)變變化速率和形變已恢復(fù)，而5 月出現(xiàn)的破年變異常確實是甘州5.0 級地震的前兆異常。

對震前、震時及震后面應(yīng)變相關(guān)性變化進(jìn)行分析，池順良[10]在一些研究中發(fā)現(xiàn)有些觀測點的鉆孔應(yīng)變的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)在震前、震時和震后會有逐漸下降再恢復(fù)的現(xiàn)象。孔向陽等[11]發(fā)現(xiàn)在魯?shù)?.4 級地震前鄰近的3 個地震臺出現(xiàn)自洽性相關(guān)系數(shù)異?，F(xiàn)象[11]。因此對高臺鉆孔應(yīng)變四分量在地震不同階段中面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算分析（表2），發(fā)現(xiàn)在甘州5.0 級地震前高臺鉆孔應(yīng)變四分量自洽性相關(guān)系數(shù)為0.999853，臨震相關(guān)系數(shù)為0.999199，震時相關(guān)系數(shù)為0.980306，震后至2020 年1 月31 日，高臺鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)變?yōu)?.999799，確實存在震前相關(guān)系數(shù)逐漸下降，震后逐漸恢復(fù)的現(xiàn)象，進(jìn)一步證明高臺鉆孔應(yīng)變的破年變異常是甘州5.0 級地震的前兆異常。

表2 高臺鉆孔應(yīng)變四分量的自洽性相關(guān)系數(shù)在地震過程中的變化

4 結(jié)論

高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量自觀測以來首次出現(xiàn)部分分量破年變的異常變化，通過現(xiàn)場核實、R 值檢驗、面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)分析進(jìn)一步論證此次異常與甘州5.0 級地震之間的響應(yīng)關(guān)系，并得到以下結(jié)論：

（1）通過現(xiàn)場對觀測系統(tǒng)檢查，認(rèn)為高臺鉆孔應(yīng)變儀器工作正常，周邊農(nóng)業(yè)灌溉用水、采石場等對觀測數(shù)據(jù)并無明顯干擾，由此排除降雨、水位、氣溫和氣壓等因素對四分量鉆孔應(yīng)變的影響；

（2）高臺鉆孔應(yīng)變NE、NW 分量異常開始前及地震發(fā)生前的數(shù)據(jù)雖未通過R 值效能校驗，未通過檢驗可能與臺站干擾因素統(tǒng)計、預(yù)測范圍選擇、震例統(tǒng)計以及數(shù)據(jù)分析時段有關(guān)，但通過不同計算方法預(yù)測的優(yōu)勢發(fā)震時間與甘州5.0 級地震發(fā)震時間較為接近；

（3）甘州5.0 級地震震中位置位于高臺鉆孔應(yīng)變觀測點的NE 方向，發(fā)生異常的NE 分量以及主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)方向都與發(fā)生地震震中方向基本一致；

（4）高臺鉆孔應(yīng)變自震前到震時，四分量面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)逐漸下降，震時達(dá)最低，震后四分量面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)逐漸恢復(fù)至震前水平。

致謝：感謝江蘇省地震局王維老師提供的“定點形變破年變異常自動識別”程序。感謝甘肅省地震局嘉峪關(guān)中心站閆勛提供高臺鉆孔應(yīng)力應(yīng)變曲線圖件。