应力连续观测与今后的地震预报研究：钻孔应力连续观测仪开发研究展望

石井 紘

应力连续观测与今后的地震预报研究：钻孔应力连续观测仪开发研究展望

石井 紘

引言

在预测地震发生方面，了解地震发生区域的应力状态是很重要的。但是，目前还无法进行应力连续观测。能够连续观测应变，但介质的弹性常数会造成变化量的差异，要获得与地震发生有直接关系的信息还不充分。这里，将介绍一下我们开发的应力连续观测仪，将其设置在深部钻孔中，持续积累观测数据，探讨应力连续观测将对今后地震预报研究发挥怎样的作用。

1 应力和应变与预测地震发生

人们普遍认为，当作用于断层面的应力超过摩擦强度时，就会发生地震。对地震发生区域的应力分布和断层强度的时间空间监测是地震预报研究的最终目标（例如，飯尾能久，2010）。为此，人们更直接地希望利用应变观测来观测应力。在应变观测中，由于介质的弹性常数的不同会造成变化量的不同，所以要得到应力必须知道介质的弹性常数。目前，用于测定应力的方法有水压致裂法和应力释放法等，但能够知道的只是测量地点在测量时的应力值，而无法知道连续观测值（地球，2004a，b）。

2 开发应力连续观测仪

我们开发的应力仪的原理和结构将另文叙述。应力仪与应变仪的不同之处是，增加了拥有承受压力的有限面积的受压面。该应力仪通过3种测定，可进行应力和应变两方面的观测。3种测定是压力测定、荷载测定和应变测定。所谓压力测定就是在能够改变水压的容器里设置一套应力仪，以求得与水压变化相对应的输出电压的关系的方法（石井，2005）。所谓荷载测定就是在受压面增加荷载，以求得荷载与输出电压的关系的方法。水压测定和荷载测定都是求得应力与输出电压关系所需的测定。为了提高可靠性，进行了两种不同的测定，却得到了几乎相同的结果。所谓应变测定就是改变作用于受压面的位移，以求得位移与输出电压的关系的方法。图1给出了灵敏度测定结果实例。该图只是应力仪搭载时的水平4分量和垂直分量中的垂直分量测定结果，是通过反复加压和减压获得的结果。给出了压力从0～12MPa的输出电压与直线的关系。12MPa相当于1 200m的水压。水平分量方面也获得了这样的应力与输出电压的关系。能够在深部钻孔中开展应力的连续观测。根据输出电压与应力的关系式，不仅能够了解应力分量相对的应力变化，还可以知道应力仪设置地点的应力值。关于这一点，以后再叙。传感器的漂移通过检测和应力换算是很小的，每年为数kPa，这对了解应力积累也十分有益。

3 开发研制的应力连续观测仪

图1 应力仪的垂直分量的灵敏度测定结果。水平分量也获得了相同结果（略）

深钻孔最适合采用高信噪比观测地震相关信号。东浓地震科学研究所在开发研究钻孔综合观测装置的同时，还在东浓地区构筑了钻孔的台阵观测网，在观测数据的基础上进行了地壳运动和地震机制等方面的研究（参见东浓地震研究所主页http：//www.tries.jp/），并且由于认识到了应力连续观测的重要性，开发研制了如前所述的应力仪。目前，有两台应力仪被埋设在深部钻孔中工作着。图2就是也搭载了应力仪的新型综合观测装置的示意图。该装置被埋设在研究所的钻孔观测点（深度512m），已积累了良好的数据。它就是把以往搭载应变仪的部分换置成应力仪。仪器全长约8m，总重量约290kg。用一台钻孔装置可进行地震、地磁、温度、倾斜、应变和应力等22分量的观测，观测数据通过光缆传送到地面。像这样开发研制出用一台装置能进行多分量观测的钻孔仪器的，全世界只有日本的东浓地震科学研究所。开发新型综合观测装置之前的搭载打字式应变仪的综合观测装置，目前除东浓地震研究所外，正通过大学或研究机构布设于南海地震、东南海地震和东海地震的预报研究所需的30多个深部钻孔中进行连续观测，积累数据。

4 采用应力连续观测仪进行观测的实例

这里给出了采用应力仪实际观测的数据实例。图3是2010年4月14日在中国青海省发生的地震的记录（M6.9，震中距3 500km）。给出了研究所的陶史森钻孔观测点（深度：512m）和屏风山观测点（深度：1 020m）观测到的各自的应力地震动和应变地震动的记录。记录表明应力地震动的最大振幅是1kPa左右，应变地震动的最大振幅约为5×10－8左右。

关于搭载应变仪的以往的钻孔地壳活动综合观测装置取得的观测成果，石井和山内（2007）已有汇总报告。现在利用钻孔观测还获得了以往没有获得的有关地震方面的有趣结果（東濃地震科学研究所和名古屋大学，2005；大久保，2006；浅井，2006），即根据应变地震动或应力变化数据，获得了通过其他观测无法获得的那种伴随震源过程或低频地震的有关变化的信息。与应力连续观测有关的数据是迄今为止没能得到的物理量，今后通过解析方法的不断开发，将能够获得更有价值的信息。图4给出了埋设在东浓地震科学研究所附近的JAEA瑞浪深地层研究所200m深的井下应力仪的数据实例。数据表明，在设置点附近存在着NNW断层（石井，2009），地球潮汐的应力振幅不到1kPa。图中还给出了2009年8月11日发生的骏河湾地震（M6.6）时与地震波到达相对应的应力仪的显著变化。该变化显示了直到8月13日的垂直应力分量约有40kPa的增长，以及设置在同一钻孔内的水压仪的30kPa左右的同样变化，另外可见3个水平应力分量则相应减少。可以认为，这种变化是由地震波到达产生的震动，去除了断层表面覆盖着的物质，因透水率的改变引起孔隙压力变化所致（Asai，2006）。

图2 搭载了应力仪的综合观测装置示意图

图3 2010年4月14日中国青海省发生的地震（M6.9）的地震波形和应变地震波形

5 利用应力连续观测等手段探知活断层的活动

下面将介绍利用应力连续观测等手段探测活断层活动的情况。计算一下在图4中看到的骏河湾地震中发生变化的主应力和图5的情况，都表明该主应力变化是沿着NNW方向的右旋滑动变化。这种变化与附近NNW断层的固有活动相对应。这个观测事实说明，因骏河湾地震的地震波到达产生的震动，造成如前所述的孔隙水压变化，随之产生了作为NNW断层固有活动的右旋滑动变化并产生同等的应力变化。

图4 利用NNW断层附近200m深的井下应力仪观测到的记录

图5 伴随骏河湾地震产生的主应力和最大剪切应力的变化及NNW断层

也有人报道过其他的例子，如在茂住断层附近挖掘的钻孔中设置的应变仪，经常能观测到与断层运动相应的应变变化（Ishii et al，2007）。

另外，通过断层附近钻孔中的扬水试验发现，扬水时，断层附近设置的应变仪可观测到与断层固有运动相当的应变变化，水位回复时，可观测到与断层固有运动相反的变化（石井，2009）。

从这些结果来看，活断层等可能存在微小的常时活动。我们希望能通过断层附近的应力连续观测等手段，监测断层的活动，从而获得对地震预报研究有益的信息。

6 前兆性变化的观测实例

此部分与今后发展有关，所以想简单介绍一下过去明确观测到前兆现象的实例。在伊豆群发地震的前兆现象研究中（石井ほか，1998；Okada et al，2000），不仅看到了变化分量在时间轴上的变化，还看到了倾斜矢量或应变张量分量的时间变化，由此明确了是前兆变化。由于可以预期在应力方面获得与地震发生有直接关系的信息，所以，采用这些方法将会更加有效。

7 应力连续观测未来的发展

通过开发新的解析方法，对采用应力仪的应力连续观测数据或应力地震波形的研究，特别希望能在震源信息或伴随低频地震产生的地壳变化等方面获得新的信息。

我们的目的是为地震预报研究做贡献。我们会常常体会到，在物质破坏前，必然会出现物质变形的前兆性变化。我们已经知道，利用GPS的地表地壳变化观测，能有效地了解整体的大变化。在连续观测的情况下，灵敏度会比地表观测高出两个数量级（例如：Ishii and Kato，1989）。在很深钻孔中的高灵敏度仪器能够进行高信噪比的观测，从而可以捕捉到微弱信号。

为了推断地震发生，了解作为对象的区域应力场（应力分布）或应力积累，是最基本的观测量，高灵敏度地观测地震发生之前的变化也是非常重要的。了解断层强度也是必须的。但这方面目前只是推断。为了准确地进行天气预报，掌握气压分布及其随时间的变化是最基础的，地震预报也同样如此。但是，虽然在应力方面同样是压力，而作为固体的应力张量则有6个分量。

如果能像现在的高密度地震仪网那样，能以几十千米的间隔在不受人为噪声或气候影响的深部钻孔中布设高灵敏度的应力仪，就可以详细了解地壳内的应力分布及其随时间的变化，获得相当于天气图气压等值线那样的应力分布等值线图。对于地震的发生，人们特别关注不协调的应力分布。通过应力分布，极有可能预测出未来将要发生的地震的地点或发生地震的断层类型。应力分布等值线图的时间变化与天气的气压等值线图的区别是时间上的缓慢性。但当地震发生迫近时，变化会加速，判断会变得容易。我们将运用前面提到的前兆解析方法或开发应力观测数据固有的解析法，在比较多点应力随时间变化的同时，开展监测研究。

在前面提到的新综合观测装置方面，除应力仪以外，我们还准备搭载倾斜仪、地震仪、磁力仪或精密温度仪。根据获得的多项观测结果，有可能得出综合性的解释，做出更加准确的判断。

上述这些想法不是梦话，我们希望如果应力连续观测能够成为现实，它将成为将来地震预报计划的一个组成部分。

另一方面，为了实现多点观测，还要进一步开展提高这些仪器可靠性的研究，同时，也必须努力降低仪器的价格并减少钻探经费。

8 总结

1.开发可以连续观测的钻孔应力仪，积累良好的观测数据。

2.采用连续观测获得的高灵敏度的应力值，对地震预报研究来说，是新的基础性观测量，期待今后能获得新的信息。

3.利用应力仪有可能监测活断层等的活动状况。

4.通过实现应力连续观测，可以确立面向地震预报预测的发展战略。这也是本文目的所在。

译自：地震ジャーナル.2010.50：73～77

原题：応力連続観測と今後の地震予知研究—ボアホール応力連続観測計器の開发による今後の展開—

（北京市地震局 彭 岩译；朱传镇校）