李 鵬，王 琳，方 相，李德友，陳國(guó)江

（1. 貴州省地震局，貴州 貴陽(yáng) 550018；2. 營(yíng)口地震臺(tái)，遼寧 營(yíng)口 115101）

0 引言

鉆孔應(yīng)變觀測(cè)是獲取構(gòu)造活動(dòng)異常變化信息，進(jìn)行地球物理研究、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的有效途徑。2007 年貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站安裝了鉆孔應(yīng)變觀測(cè)設(shè)備。設(shè)備安裝后，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠，噪聲水平低，內(nèi)精度高。至今已積累10 多年的寶貴資料。分析貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變的長(zhǎng)期變化情況及特征，探討僅有的幾個(gè)震例前是否存在異常，便于對(duì)貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站乃至于貴州省內(nèi)其它地區(qū)開(kāi)展地震地形變長(zhǎng)期觀測(cè)及震前異?，F(xiàn)象分析研究提供借鑒，同時(shí)可用于對(duì)不同構(gòu)造地震活動(dòng)背景下區(qū)域形變觀測(cè)對(duì)比分析提供有效的參考資料。

1 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)基本情況

貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)位于貴州省貴陽(yáng)市北部，貴陽(yáng)地震中心站院內(nèi)，臺(tái)基為第三紀(jì)白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，屬三迭系地層，臺(tái)址位于貴陽(yáng)向斜的北東翼，其南面有一斷層。因貴陽(yáng)及周邊區(qū)域歷史地震活動(dòng)相對(duì)較弱，有記載以來(lái)周邊地區(qū)最大地震為1819 年9 月14 日發(fā)生在貴定縣的M6.0地震，距離貴陽(yáng)市約80公里。所以，貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站地球物理觀測(cè)資料具有全國(guó)“背景場(chǎng)”的特殊地位。

貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)井始建于2007年，井深47 m，開(kāi)口孔徑150 mm，終孔孔徑130 mm，鉆孔巖芯為灰白色中風(fēng)化白云巖，套管下到井下35 m 處，儀器探頭安裝在井下39 m 巖芯較完整處，儀器安裝時(shí)井下最高水位距井口3 m，儀器為YRY-4 型分量式鉆孔應(yīng)變儀，于2007年11月4日正式開(kāi)始觀測(cè)記錄。

YRY-4 型分量式鉆孔應(yīng)變儀是中國(guó)地震局地震研究所和鶴壁市防震技術(shù)研究所共同研制的張量式應(yīng)變儀器，可同時(shí)測(cè)量體積和形狀應(yīng)變，能清楚觀測(cè)到地殼的應(yīng)變本底固體潮及應(yīng)變地震波，可進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)行維護(hù)管理。儀器測(cè)量探頭為長(zhǎng)圓筒徑向位移式儀器，由兩兩垂直、呈米字型四等分布置的四組徑向測(cè)微傳感器組成，測(cè)量輸出“北—南”、“北東—西南”、“東—西”、“北西—東南”四方向四路數(shù)據(jù)，以及“氣壓”、“水位”兩路輔助觀測(cè)數(shù)據(jù)，共六路觀測(cè)數(shù)據(jù)。其測(cè)值不但可以測(cè)定地應(yīng)變量，還能通過(guò)兩兩相關(guān)關(guān)系進(jìn)行可靠性自檢。儀器規(guī)定傳感器受壓輸出電信號(hào)向負(fù)方向變化，受張力則向正方向變化。

貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變儀自安裝以來(lái)運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行率保持在99%以上，測(cè)量精度高，相對(duì)噪聲水平低，面應(yīng)變較正后相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99（表1、表2），能有效觀測(cè)記錄地球應(yīng)變固體潮、地震同震應(yīng)變波和地應(yīng)變變化情況。

表1 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)內(nèi)精度一覽表

表2 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)噪聲一覽表

2 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)長(zhǎng)期變化情況

貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)在儀器安裝首年即2008 年觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線呈緩慢張性趨勢(shì)變化（以北南分量為例），儀器運(yùn)行較不穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)一年的儀器自適應(yīng)和調(diào)整后，該套儀器（傳感器）與站點(diǎn)地下巖層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完全耦合，達(dá)到共生變化狀態(tài)，2009—2018 年數(shù)據(jù)曲線轉(zhuǎn)為緩慢下降趨勢(shì)變化，數(shù)據(jù)曲線變化總體穩(wěn)定（圖1），變化幅度不大，但短時(shí)幅度和趨勢(shì)在不同年份又有具體的不同特點(diǎn)，其中2012—2014 年度整體變化幅度較大，觀測(cè)曲線年內(nèi)多次出現(xiàn)起伏—轉(zhuǎn)折—恢復(fù)的過(guò)程（圖2）。貴陽(yáng)站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定變化，表明貴陽(yáng)及周邊區(qū)域地應(yīng)力活動(dòng)水平較弱，真實(shí)反映了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變活動(dòng)的基本情況和地震活動(dòng)水平，具備區(qū)域形變資料對(duì)比觀測(cè)研究的背景場(chǎng)作用。

圖1 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)北南分量日均值曲線圖（2008—2018年）Fig.1 Daily mean value curve of borehole strain observation datafromGuiyangEarthquakeMonitoringCenter（2008—2018）

圖2 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)北南分量日均值曲線圖（分年度繪圖）Fig.2 Daily mean value curve of borehole strain observation data from Guiyang Geoseismic Monitoring Central Station（plotted by year）

3 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)異常分析

3.1 去線性趨勢(shì)分析

將貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變?cè)加^測(cè)數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行線性擬合，整體上可擬合為一條下降的直線（圖3 虛線），其線性速率平穩(wěn)，改變不大。

圖3 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)北南分量擬合直線和去趨勢(shì)曲線圖Fig.3 Fitting lines and detrending curves of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)去線性趨勢(shì)處理后，展示出來(lái)剩余的非線性動(dòng)態(tài)信息速率發(fā)生過(guò)4 次轉(zhuǎn)折變化，具體表現(xiàn)為張性—平穩(wěn)—張性—壓性—壓性形態(tài)，其趨勢(shì)在第3 次速率改變時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折。分析期內(nèi)貴州省內(nèi)共發(fā)生M4.7 以上破壞性地震3 次（表3），第1 次威寧M4.7 地震發(fā)生在速率轉(zhuǎn)折時(shí)間點(diǎn)附近，后面兩次云貴交界云南彝良M5.7和劍河M5.5地震均發(fā)生在趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化后1.5年內(nèi)（圖3）。說(shuō)明貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化對(duì)區(qū)域中強(qiáng)以上地震的孕育發(fā)生具有一定的指示意義。

表3 貴州省中強(qiáng)地震目錄（2008—2018年）

3.2 差分分析

通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變北南分量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分分析，如圖4 所示，差分分析結(jié)果圖的主軸表現(xiàn)為一條近似水平線，說(shuō)明該數(shù)據(jù)呈線性平穩(wěn)變化，如果以數(shù)據(jù)的2 倍均方差為閾值，數(shù)據(jù)出現(xiàn)4 次明顯超閾值突跳（尖峰）。結(jié)合貴州區(qū)域的震例分析，除第4 次外，這一時(shí)期內(nèi)貴州3 次M4.7 以上地震均發(fā)生在尖峰突跳后12 個(gè)月內(nèi)。說(shuō)明貴陽(yáng)站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)日變化差分值出現(xiàn)較大幅度變化后，貴州區(qū)域有發(fā)生4 級(jí)以上地震的可能。由于震例較少，震前效應(yīng)不突出，并不是所有數(shù)據(jù)突跳或尖峰后都有中強(qiáng)以上地震發(fā)生。

圖4 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)北南分量原始曲線和差分?jǐn)?shù)據(jù)圖Fig.4 Original curves and difference data of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

3.3 潮汐因子分析

通過(guò)潮汐因子變化分析可以有效的提取鉆孔觀測(cè)資料的有效地震異常信息。貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)M2波潮汐因子變化以曲線首段波動(dòng)為基準(zhǔn)（圖5），其變化趨勢(shì)大致呈現(xiàn)壓性—張性—壓性3個(gè)時(shí)段。第1時(shí)段出現(xiàn)超2 倍均方差尖峰1 個(gè)，第2 時(shí)段無(wú)尖峰，第3 時(shí)段尖峰超過(guò)10 個(gè)，對(duì)應(yīng)現(xiàn)有震例，分析這一時(shí)期內(nèi)貴州區(qū)域3 次M4.7 以上地震均發(fā)生在尖峰出現(xiàn)后12 個(gè)月內(nèi)，當(dāng)然并非所有尖峰結(jié)束后都有中強(qiáng)以上地震發(fā)生。

圖5 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)北南分量M2波和01波潮汐因子變化圖Fig.5 Tidal factor variation of M2 wave and 01 wave in the borehole strain observation data of Guiyang Seismic Monitoring Central Station

應(yīng)變01 波潮汐因子變化圖仍以首段波動(dòng)為基準(zhǔn)，趨勢(shì)變化大致為壓性—張性—壓性—張性的趨勢(shì)過(guò)程。其中第1段出現(xiàn)超2倍均方差尖峰2 個(gè)，第2 段3 個(gè)，第3 段1 個(gè)，第4 段2 個(gè)。研究期內(nèi)貴州中強(qiáng)地震均發(fā)生在尖峰附近，其中前2 次地震均發(fā)生在尖峰出現(xiàn)12 個(gè)月內(nèi)，第3次地震則發(fā)生在尖峰出現(xiàn)前的3個(gè)月內(nèi)，也并非全部尖峰附近都有中強(qiáng)以上地震發(fā)生。

通過(guò)分析貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)潮汐因子變化曲線，結(jié)果表明：M2波和01 波圖形尖峰及轉(zhuǎn)折變化有各自的特點(diǎn)，貴州省內(nèi)中強(qiáng)地震與尖峰出現(xiàn)有一定的關(guān)系，顯著尖峰后有發(fā)生地震的可能。由于歷史震例較少，未能明確尖峰的數(shù)量、幅度及轉(zhuǎn)折變化與地震時(shí)間及地震大小之間的關(guān)系。

3.4 年頻段和其他頻段歸一化平均幅度分析

貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站年頻段歸一化平均幅度曲線經(jīng)歷了壓性—張性—壓性—張性四段變化過(guò)程（圖6），同期貴州省內(nèi)3 次中強(qiáng)地震均位于0 值幅度水平線和年頻段歸一化平均幅度曲線的交點(diǎn)附近，即每一個(gè)趨勢(shì)段的中部或轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近。

圖6 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)北南分量年頻段和其他頻段歸一化平均幅度圖Fig.6 Normalized average amplitude of annual frequency band and other frequency band of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

其他頻段歸一化平均幅度曲線則區(qū)別較大，在2012 年、2013 年、2014 年的5 月份前后均出現(xiàn)超2倍均方差閥值顯著突跳，同期貴州區(qū)域3次中強(qiáng)以上地震均發(fā)生在向上突跳結(jié)束后的三個(gè)月內(nèi)，2 次M5.0 以上地震則發(fā)生在顯著超閥值突跳后，此異常變化對(duì)地震的指示意義非常明顯。

相比較而言，貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變其他頻段歸一化平均幅度曲線更利于異常的判斷和提取。當(dāng)然，我們也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，不是所有的曲線突跳變化后都有地震對(duì)應(yīng)。

3.5 矢量變化分析

圖7 是貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變北南—東西和北南—北東分量從2008 至2018 年11 年間的矢量變化情況。北南—東西向矢量圖2008 年1 月從起點(diǎn)向北東方向變化，2009 年1月起發(fā)生約180度轉(zhuǎn)折，矢量向東南持續(xù)了7個(gè)月之后，8 月23 日轉(zhuǎn)為朝南西方向加速變化，一個(gè)月后發(fā)生2009 年威寧M4.7 地震。此后至2018 年均大體保持同方向變化，其間穿插幾次幅度不大的轉(zhuǎn)折—恢復(fù)過(guò)程。在2012 年滇黔交界M5.9 地震前矢量圖再次發(fā)生小幅度轉(zhuǎn)折，2015年劍河M5.5地震發(fā)生前后矢量圖上均出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，之后恢復(fù)正常趨勢(shì)變化，至2018 年除2 次非常小幅度轉(zhuǎn)折變化外，未見(jiàn)其它明顯異常情況。從北南—北東向矢量圖可以看出，2009 年威寧M4.7 地震、2012 年滇黔交界M5.9地震、2015年劍河M5.5地震三次地震前的矢量圖中均出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化，轉(zhuǎn)折幅度有明顯差異，其中劍河地震前最為明顯，震前出現(xiàn)明顯180度轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折后發(fā)生M5.5 地震。矢量圖表明研究期內(nèi)貴州3 次中強(qiáng)以上地震活動(dòng)均發(fā)生在矢量圖轉(zhuǎn)折后，但不是每次轉(zhuǎn)折發(fā)生后均有地震對(duì)應(yīng)，且矢量圖曲線轉(zhuǎn)折幅度與地震大小、震中距，應(yīng)變矢量方向與臺(tái)站和震中位置無(wú)法建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)北南—東西和北南—北東向矢量圖Fig.7 NS-EW and NS-NE vector diagrams of borehole strain data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

4 結(jié)論

（1）貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)已連續(xù)觀測(cè)十余年，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)精度高。觀測(cè)曲線呈逐年下降平穩(wěn)趨勢(shì)變化，變化幅度不大，表明貴陽(yáng)及周邊區(qū)域地應(yīng)力活動(dòng)水平一般，強(qiáng)度不高，與區(qū)域地震活動(dòng)水平相呼應(yīng)。

（2）2008—2018年貴州省內(nèi)共發(fā)生M3.0以上地震43 次，其中M4.7 以上地震3 次，地震活動(dòng)整體呈現(xiàn)西部強(qiáng)，中部較弱，東部弱的特點(diǎn)。但2015年貴州劍河M5.5地震發(fā)生在非歷史地震活躍區(qū)或者說(shuō)該地震震級(jí)突破該地區(qū)歷史記錄。

（3）通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)去趨勢(shì)、差分、潮汐因子等分析結(jié)果顯示，2008—2018 年11 年間貴州省內(nèi)M4.7 以上中強(qiáng)地震活動(dòng)前數(shù)月內(nèi)，貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)曲線轉(zhuǎn)折、尖峰突跳等異?，F(xiàn)象。其中，曲線趨勢(shì)轉(zhuǎn)折、差分尖峰等變化對(duì)地震預(yù)報(bào)分析具有一定的指示意義。同時(shí)，需要注意的是并非所有異?，F(xiàn)象之后都有中強(qiáng)以上地震活動(dòng)對(duì)應(yīng)。

（4）應(yīng)持續(xù)跟蹤關(guān)注貴陽(yáng)地震監(jiān)測(cè)中心站鉆孔應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線變化、異常情況，爭(zhēng)取長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)觀測(cè)，獲取可靠觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用更多可能震例開(kāi)展異常跟蹤研究。

（5）在條件允許情況下，應(yīng)對(duì)貴州省內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域，斷裂帶附近，布設(shè)更多形變觀測(cè)站點(diǎn)形成條帶，加強(qiáng)貴州地球物理觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，獲取更多有價(jià)值地震研究資料。