青海钻孔应变强震前异常特征分析

李玉丽 李启雷 孙春玲 杨青春 杨晓霞

（中国西宁810001青海省地震局）

青海钻孔应变强震前异常特征分析

李玉丽 李启雷 孙春玲 杨青春 杨晓霞

（中国西宁810001青海省地震局）

选取2007年以来青海省6套YRY-4分量钻孔应变仪观测资料，采用非潮汐和潮汐分析方法，对观测资料进行分析处理。结果发现：①格尔木地震台钻孔应变差应变曲线显示中短期速率异常，而德令哈地震台则显示超2倍标准差异常；②乐都地震台钻孔应变振幅因子显示突跳型异常，且异常时间短，而潮汐因子表现为下降—恢复型异常。

钻孔应变；差应变；振幅因子；潮汐因子

0 引言

20世纪60年代中期，中国开展钻孔方法观测地壳应变变化。近年来，许多专家对钻孔应变非潮汐和潮汐参量异常变化进行研究，如：乔子云等（2001）提出应变潮汐因子变化曲线的异常特征较明显，异常信度较高，对应地震效果较好；沈旭章等（2004）从非潮汐和潮汐方面研究兰州水管倾斜仪观测资料，认为在捕捉邻区中强地震异常过程中，潮汐因子是一个良好指标；杨又陵等（2009）选取乌什地震台石英倾斜仪观测资料，通过震例研究表明，周围地区6级以上地震前，可能记录到由局部地壳形变异常而引起的潮汐参量异常变化。2006—2007年青海省在格尔木、德令哈、门源、湟源、乐都和玉树地震台架设6套YRY-4分量钻孔应变仪，监测地壳应变变化。自钻孔应变仪投入观测以来，观测稳定、数据连续、真实可靠。文中利用非潮汐和潮汐分析方法，对青海地区钻孔应变仪观测数据进行系统分析，研究资料异常与地震的对应关系。

1 资料可靠性分析

YRY-4分量钻孔应变仪是21世纪初中国自主研发的仪器，具有灵敏度高、频带宽、抗干扰能力强、功耗低等特点。该设备属长圆筒径向位移式仪器，4个电容式径向位移传感器互成45°夹角，呈米字型布置。从径向测微传感器输出信号中，可获得完整的平面应变三分量（面应变、差应变、主应力方向），并有一个冗余分量，具有检验观测数据真实性的自检功能，自检条件为：S1+S3≌S2+S（4S表示分量值）。该性能对地震分析预报工作具有重要意义（池顺良等，2009；李玉丽等，2014）。

选取格尔木、德令哈、湟源、乐都、玉树地震台分量钻孔应变仪（门源地震台钻孔应变仪一个分量出现问题，无法自检）2007年7月至2014年12月整点值数据，计算相关系数，并与2011年整点值数据的相关系数做对比，结果见表1。由表1可见，德令哈地震台相关系数略低，其余台站相关系数均在0.9以上，说明S1+S3和S2+S4数据相关性显著且相似性较高，表明5个地震台的钻孔应变资料满足自检条件，数据真实可靠。因此，其差应变数据应能准确反映所在地块的受力状态（李滔等，2010）。

表1 各台S1+S3和S2+S4相关系数rTable 1 The correlation coeeffcient betweenS1+S3andS2+S4of each station

2 非潮汐分析

非潮汐分析是利用原始曲线过滤潮汐和线性漂移部分，对剩余残差进行分析的方法。可以采用均值、别尔采夫滤波和组合滤波等分析方法，对钻孔式应变仪记录的应变固体潮整点值数据进行非潮汐变化分析。

分量钻孔应变仪观测数据可以分解为面应变和差应变。面应变来自两路互相垂直的径向位移之和，剪应变来自两路垂直的径向位移之差。差应变数据可以做到不受测长基准杆自身长度变化造成的漂移和探头处地层温度变化引起的漂移影响（池顺良等，2009），可以更好地反映地壳应力场变化，有利于地震前兆异常分析。在此以格尔木和德令哈地震台2007—2014年观测数据为例，分析地震异常变化。

2.1 格尔木钻孔应变差应变分析

格尔木钻孔应变仪2006年9月架设，仪器架设在格尔木市西南约25 km的南山口戈壁滩，台基为花岗岩，测点紧邻昆仑山，基本无人为干扰，除气象因素干扰外，无明显环境干扰。图1为格尔木钻孔应变差应变曲线日均值曲线，由图可知：①2008年四川汶川8.0级地震前1—7个月，即2007年11月至2008年5月，差应变具有快速异常变化，且在快速变化过程中发震，震后曲线持续快速变化，表现为中短期前兆异常；②2008年青海海西6.3级地震前存在显著中短期前兆异常，震前1—12个月，即2007年11月至2008年11月，差应变快速变化，2008年9月至发震，变化速率减缓，但仍在持续变化，震后异常持续；③2009年青海海西6.4级地震（与2008年海西地震震中较近）前存在显著中期前兆异常，震前1—23个月，即2007年11月至2009年9月，差应变逐渐快速变化，异常持续23个月，在曲线快速变化过程中发震，震后异常结束，曲线平稳；④2010年青海玉树7.1级地震、2013年四川芦山7.0级地震前无明显异常。

图1 格尔木钻孔应变差应变曲线(a)S1—S3差应变； (b)S2—S4差应变Fig.1 The differential strain curve of borehole strain at Golumd Seismic Station

2.2 德令哈钻孔应变差应变拟合残差

选取2007—2014年德令哈钻孔应变观测资料，进行差应变拟合残差分析。德令哈钻孔应变观测点距离2008年海西6.3级、2009年海西6.4级地震震中约135 km，距离大柴旦—宗务隆山断裂不足20 km，对钻孔应变数据进行长趋势变化分析，发现震后存在明显趋势转折现象。

利用一般多项式分段曲线，拟合该时段德令哈钻孔应变差应变变化趋势，去除趋势后得到差应变与拟合曲线的残差曲线，见图2。以2倍标准差作为控制线，发现：①2008年汶川8.0级地震前1—8个月，S1—S3和S2—S4的残差均有超2倍标准差异常，在数据无超差时发震，震后数据超差；②2008年青海海西6.3级地震前3—6个月，S1—S3和S2—S4的残差均有超2倍标准差异常，震时、震后无超差数据；③2009年青海海西6.4级地震前3—8个月，S1—S3和S2—S4的残差均有超2倍标准差异常，震时、震后无超差数据；④2010年玉树7.1级地震前1个月，S1—S3的残差有超2倍标准差异常，发震时数据超差，S2—S4的残差无超差异常；⑤2013年芦山7.0级地震前，S1—S3和S2—S4的残差无超差异常。

图2 德令哈钻孔应变差应变残差曲线(a)S1—S3差应变残差； (b)S2—S4差应变残差Fig.2 The residual strain curve of borehole strain at Delingha Seismic Station

3 潮汐分析

Nakai拟合检验方法是潮汐分析中经常使用的、有效的预处理和资料检验方法，直接反映观测值日变的准确性（赵小贺等，2014）。应用Nakai拟合模型，对钻孔式应变仪记录的线应变固体潮分量整点值进行拟合检验，求取线应变固体潮观测的振幅因子、时间滞后等参数。固体潮潮汐因子是表征观测场地的介质弹性参数，反映地壳机制的物性变化。潮汐因子分析方法的物理意义清晰，异常容易识别，是当前地震预报形变领域重要方法（韩胜等，2012）。在此以乐都地震台2007—2014年钻孔应变观测数据为例，采用Nakai拟合检验方法，分析固体潮观测数据振幅因子及潮汐因子曲线，揭示地震与异常的对应关系。

3.1 振幅因子

Nakai拟合振幅因子变化曲线的异常形态为突跳型（上升突跳和下降突跳），异常持续时间较短，一般为几天到十几天（乔子云等，2001）。

以3倍标准差为控制线，消除缺数影响后，乐都钻孔应变振幅因子变化曲线见图3。由图3可见：①2008年汶川8.0级地震：NS分量于震前5天至8个月，即2007年9月28日、10月26日产生下降突跳异常、2008年5月9日发生上升突跳异常变化，3次异常均持续1天；EW分量于2007年9月6日产生下降突跳异常，异常持续1天，震时无明显异常，震后5月29日有上升突跳异常；②2008年海西6.3级地震： NS分量震前无无突跳异常，EW分量在震前6个月，2008年5月29日发生上升突跳异常变化，持续1天；③2009年海西地震： NS分量于震前4个月，4月15日产生上升突跳异常； EW分量于震前2个月，2009年6月1日产生上升突跳异常，持续1天；④2010年玉树7.1级地震： NS分量于震前8天至6个月，2009年10月28日产生下降突跳异常、2010年2月21日及4月6日产生上升突跳异常； EW分量于震前3个月，2009年12月30日产生下降突跳异常，持续1天；⑤2013年芦山7.0级地震： NS分量于震前1个多月，2013年3月27日、28日产生上升突跳异常； EW分量于震前3个月，2013年1月5日产生下降突跳异常、3月25日产生上升突跳异常，各持续1天。

由图3可知，NS、EW分量在同一地震前异常形式不尽相同，主要表现为：2009年海西地震、2013年芦山地震前两分量振幅因子曲线异常类型相同，2008年海西地震、2010年玉树地震前异常类型不同；多数地震前半年内，乐都钻孔应变振幅因子的变化曲线表现为突跳型异常，地震多发生在异常结束后振幅因子不超差时段内，多数地震震时无突跳异常现象。

图3 乐都钻孔应变振幅因子曲线(a) NS分量振幅因子； (b) EW分量振幅因子Fig.3 The amplitude factor curve of borehole strain at Ledu Seismic Station

3.2 潮汐因子

应变（M2波）潮汐因子变化曲线的异常形态为上升—恢复型和下降—恢复型，异常持续时间较短，一般为一个月到几个月（乔子云等，2001）。消除数据缺记影响后乐都钻孔应变M2波潮汐因子变化曲线见图4。由图4可见：NS、EW分量2008年汶川8.0级地震、海西6.4级地震、2009年海西6.3级地震和2010年玉树7.1级地震前半年内均表现为下降—恢复型异常，异常大多持续1个月，地震多发生在异常结束后潮汐因子平稳阶段；2009年海西6.3级地震同震下降比较明显，2008年汶川8.0级和2010年玉树7.1级地震有明显震后响应，潮汐因子震后下降；2013年芦山7.0级地震前无明显异常，但有明显同震反应。

图4 乐都钻孔应变M2波潮汐因子变化曲线Fig.4 The M2wave tidal factor curve of borehole strain at Ledu Seismic Station

4 结论

综上所述，得出以下结论：①对于格尔木钻孔应变差应变曲线，2008年青海海西6.3级地震前存在显著中短期前兆异常，2007年11月至2008年9月呈快速变化状态；德令哈钻孔应变长趋势资料在震后存在明显趋势转折现象；②对于德令哈钻孔应变差应变残差曲线，汶川、海西地震前，S1—S3和S2—S4的残差曲线均有超2倍标准差异常，而玉树地震前，S1—S3的残差曲线有超2倍标准差异常，S2—S4的残差曲线无异常；③对于乐都钻孔应变NS、EW分量振幅因子曲线，几次强震前均有异常，两分量同一地震前异常形式不尽相同，其中2009年海西地震、2013年芦山地震前均有上升突跳异常，2008年海西地震、2010年玉树地震前异常形式不同；④对于乐都钻孔应变NS、EW分量M2波潮汐因子变化曲线，2次海西地震和2010年玉树地震震前半年内均有下降—恢复型异常，2009年海西地震同震下降，2008年汶川和2010年玉树地震震后下降。

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Analysis on the anomalous characters of the borehole strain before strong earthquake in Qinghai Province

Li Yuli，Li Qilei，Sun Chunling，Yang Qingchun and Yang Xiaoxia
(Earthquake Administration of Qingai Province,Xining810001,China)

The observation data recorded by the six sets of YRY-4 component borehole strainmeter in Qinghai Province were selected since 2007.Non tidal and tidal analysis method was used to analyze the data.The results showed that:① There were medium term rate anomaly in shear stain curve of the borehole strain meter at Golumd; The shear strain curve of the borehole strain at Delingha showed anomalies that more than 2 times of the standard deviation.② There were breakaway anomalies on amplitude factor curve of the borehole strain meter at Ledu Seismic Station, in very short period, and there were downward-recovery type anomalies in tide factor curve of the borehole strain meter at Ledu Seismic Station.

borehole strain meter，shear strain，amplitude factor，tidal factor

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.014

李玉丽（1981—），女，山东临邑人，工程师，主要从事前兆观测与资料分析工作。E-mail：282000724@qq.com

中国地震局监测、预测、科研三结合课题（编号：152903）

简介：李启雷（1981—），男，山东嘉祥人，工程师，主要从事地震监测与资料分析工作

本文收到日期：2015-09-26