新疆钻孔应变对汶川8.0和日本9.0级地震的同震响应特征分析

杨绍富，徐长银，孙海军

(新疆维吾尔自治区地震局库尔勒地震台，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

钻孔应变是通过对地层内部应变状态依时间连续变化的精细观测，掌握地震应变前兆的 （长）中期-短期-临震以及震后调整的时空分布与发展变化的规律，构成重要的地震前兆观测手段[1]。本文将根据新疆的四个钻孔应变台站资料，对2008年5月12日汶川8.0级地震和2011年3月11日日本9.0级地震的同震响应和震后效应特征进行初步的分析。

1 新疆钻孔应变台站介绍

“十五”数字化改造期间，新疆地震局于2007年先后在库尔勒、乌什、温泉和喀什马场安装4套中国地震局地壳应力研究所研制的TJ-Ⅱ体应变仪，该仪器数据采集为分钟值采样记录，观测精度10-9。有利于获取同地震前兆异常相关的信息，为地震预报研究提供可靠的事实依据。TJ-Ⅱ体应变仪包括体应变、钻孔气压、钻孔温度和钻孔水位四个观测分量。本文将主要研究新疆各钻孔应变台站的体应变资料对汶川8.0级、日本9.0级地震的同震响应和震后效应特征。

1.1 铁门关

钻孔深83.0 m，台基岩石为前震旦系花岗岩，岩石较完整，岩芯较硬，周围200 km历史地震频度高，观测主要干扰源为上游2 km处的铁门关水库蓄水和放水影响。

1.2 温泉老台

钻孔深80.0 m，台基岩石为加里东期花岗岩，钻孔内74 m以上岩石较破碎，74～80 m岩石相对完整，监视区内多次发生中强地震，观测主要影响因素为雷电和气压。

1.3 乌什台

钻孔深75.6 m，台基岩石为石炭系灰岩夹石英砂岩，监视区内经常发生5～6级中强地震，观测受270 m远的自来水厂抽水影响。

1.4 喀什马场

钻孔深73.3 m，台基岩石为粗砂岩与紫红色泥岩，钻孔内1.2 m以上为亚砂土，结构松散，主要为粉末状砂土，其次为岩石碎屑，岩芯较破碎，44～45.2 m为泥岩，固结程度差，呈团块状，岩芯完整性不好，监视区内频发中强地震。

从新疆钻孔应变台站近几年的连续资料来看，体应变观测资料长趋势可分为趋势型和年变型，如铁门关钻孔应变仪自架设以来一直处于压性漂移，观测曲线呈趋势上升型变化；温泉老台体应变呈趋势上升型变化，但趋势中存在年变，即最低值出现在1月，最高值出现在12月；乌什台体应变呈趋势上升型变化，趋势中也存在年变特征，即最低值出现在1月，最高值出现在6月。喀什马场台体应变仪自安装以来一直处于张性漂移，观测曲线呈趋势下降型变化。

2 汶川8.0级地震同震响应特征

新疆的钻孔应变都记录到了汶川地震，并且体应变具有明显的同震响应和震后效应（表1）。对于较大的地震，应变仪在记录到地震应变波动的同时，还会记录到幅度不大的阶跃性变化[1]。

表1 新疆钻孔应变对汶川8.0级地震的同震响应Table 1 Coseismic response of borehole strain in Xinjiang to Wenchuan MS8.0 earthquake

为便于将同震阶跃变化看得更清楚，本文选取5月12日12时至13日00时的数据，对数据曲线做滤波处理 （如图1所示）。从图1中可以看出：

（1）铁门关体应变在震后4 min出现震荡型变化，应变先出现一个小幅上升变化，而后出现大幅阶降，向下阶跃幅度为4 368.5×E-9个应变量。6月2日基本恢复到震前水平，震后变化形态为上升-大幅下降-恢复正常。值得注意的是，14时42分，体应变开阀造成一个大台阶，因此，阶降变化中有台阶影响，幅度偏大。

（2）温泉老台体应变在震后4 min出现震荡，应变先出现小幅下降，而后出现大幅上升-下降的波动变化，变化幅度为73.2×E-9个应变量。当日23时基本恢复到震前水平，震后变化形态为下降-上升、下降波动-恢复正常。

图1 汶川8.0级地震前后各台站体应变分钟值变化曲线Fig.1 Minutely curves of strain variation of each station before and after the Wenchuan MS8.0 earthquake

（3）乌什台体应变在震后4 min出现震荡型变化，应变先出现小幅上升，而后出现大幅的阶降，向下阶跃幅度为76.9×E-9个应变量，然后波动上升直至13日00时恢复正常。震后变化形态为上升-阶降、上升波动-恢复正常。

（4）喀什马场体应变在震后4 min出现上升-下降的波动变化，变化幅度为8.8×E-9个应变量。17日06时基本恢复到震前水平，震后变化形态为上升、下降波动-下降-恢复正常。

对于汶川8.0级地震，新疆各钻孔应变台站的体应变同震响应整体表现为下降。各台体应变基本都是在震后4 min开始出现同震响应，但是变化的幅度却不相同，这与钻孔所处的构造部位、台基的岩性等有关。除了铁门关受体应变开阀影响外，其余三个台体应变在震后都恢复到正常观测状态，反映了钻孔台站区域震后应力调整过程。

3 日本9.0级地震同震响应特征

日本9.0级地震是日本有地震记录以来最大的地震，新疆的钻孔应变都记录到了此次大地震，且各台体应变都具有明显的同震响应 （表2）。

表2 新疆钻孔应变对日本9.0级地震的同震响应Table 2 Coseismic response of borehole strain in Xinjiang to Japan MS9.0 earthquake

与上述第2节相同，本文选取3月11日12时至13日00时的数据，对数据曲线做滤波处理 （如图2所示）。从图2中可以看出：

（1）铁门关体应变在震后4 min出现震荡型变化，振荡持续3 min后，应变出现阶降型变化，而后出现上升-下降的波动变化。震后30 min，出现较大幅度的阶降变化，向下阶跃幅度为171×E-9个应变量。13日基本恢复到震前水平，震后变化形态为阶降-上升、下降波动-恢复正常。

（2）温泉老台体应变在震后7 min出现震荡，振荡持续4 min后，应变出现阶降型变化，而后出现大幅上升-下降的波动变化，变化幅度为313×E-9个应变量。11日19时基本恢复到震前水平，震后变化形态为阶降-上升、下降波动-恢复正常。

（3）乌什台体应变在震后7 min出现震荡型变化，振荡持续5 min后，应变出现阶降型变化，而后出现小幅的上升变化。震后24 min，出现较大幅度的阶降变化，向下阶跃幅度为128×E-9个应变量，而后继续呈上升-下降的波动变化。13日基本恢复到震前水平，震后变化形态为阶降-上升、下降波动-恢复正常。

图2 日本9.0级地震前后各台站体应变分钟值变化曲线Fig.2 Minutely curves of strain variation of each station before and after the Japan MS9.0 earthquake

（4）喀什马场体应变在震后12 min出现阶升型变化，而后出现下降-上升的波动变化。震后34 min，出现较大幅度的阶降变化，变化幅度为73.1×E-9个应变量。11日22时基本恢复到震前水平，震后变化形态为阶升-下降、上升波动-恢复正常。

对于日本9.0级地震，新疆各钻孔应变台站的体应变同震响应整体表现为下降，并且响应形态以波动为主。各台体应变同震响应时间不同，变化的幅度也不相同，这可能与钻孔所处的构造部位、台基的岩性等有关。

4 结论

（1）四个台的体应变同震响应出现畸变的起始时间与地震波到达的时间基本一致，属于同震变化。

（2）对汶川地震，四个台钻孔应变的响应与震中距成反比，即震中距越小，钻孔应变变化幅度越大，震后效应持续时间越长，但响应形态不同。铁门关和乌什台响应形态为阶降，温泉老台和喀什马场响应形态为波动，由各台站基本信息分析认为：铁门关和乌什台台基所处的岩石比较完整，因此对地震响应形态基本一致且形势较为单一；而温泉老台和喀什马场台基所处岩石均存在破碎带，岩石完整性不好，因此影响了对地震的响应形态，表现为波动。分析认为钻孔应变对地震的响应与震中距呈较好的比例关系，响应形态和震后效应持续的时间与各钻孔所处构造位置、台基岩性等因素有关。

（3）对日本地震，四个台对地震的响应与震中距并不呈现明确的比例关系，如铁门关震中距最小，震后效应持续的时间最长，但钻孔应变变化幅度却不是最大的。对比汶川地震可知：汶川地震发生在中国大陆内部，其震源机制为亚板块坚固边界带上的逆冲，地震波基本为大陆内传播；而日本地震发生在中国大陆之外，其震源机制为太平洋板块和北美板块低俯角逆冲，地震波先经过海洋而后在中国大陆传播。同一钻孔对不同地震响应形态不同，如铁门关对汶川地震同震响应形态为阶降，对日本地震表现为波动形态。综上分析认为震源方位、震源机制和地震波的传播路径等因素会影响到钻孔应变对地震的响应。

（4）中国地震局监测预报司[2]研究2004年印度尼西亚苏门答腊8.7级大地震及其对中国大陆地区的影响结果，同震观测点最远可达5 400 km。本文中日本9.0级地震最远的钻孔台站震中距达到了5 600 km，但是震级却达到9.0级，认为震级越大，同震观测点的距离也可增大。

（5）通过分析体应变资料对两次大地震的同震响应和震后效应特征，认为很难发现前兆信息，因此可以参考水位、水温同震响应研究成果[3～8]，可以专门针对某一具体钻孔应变台站，结合水位、温度、构造地质、水文地质等背景资料，从机理上做进一步的分析研究。

[1]苏恺之.钻孔地应变观测新进展[M].北京：地震出版社，2003.

[2]中国地震局监测预报司.2004年印度尼西亚苏门答腊8.7级大地震及其对中国大陆地区的影响 [M].北京：地震出版社，2005.

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