与地方中强震伴生的钻孔应变脉冲信号特征分析

张凌空，牛安福

(中国地震台网中心，北京 100045)

0 引言

地壳岩石应变可采用钻孔法进行相对连续测量，使用主流仪器分量式应变仪，一般安装在井下几十米至数百米深的基岩中。在国内，孔径一般采用130 mm，国外一般为178 mm，探头钢筒用膨胀水泥(或改性的普通水泥)与岩石耦合(焊接)，保证应力与位移在边界上连续。2003年美国开始实施板块边界观测计划(PBO)[1-3]，选用澳大利亚地震学家Gladwin新研制的四分量应变仪[4]，相继沿圣安德烈斯断层和阿拉斯加南部地区建立了85个钻孔应变台站，获得一批观测资料，并在PBO网站上与各国科学家共享(http://pboweb.unavco.org)。中国有三种自行研制的四分量应变仪，型号分别为YRY-4[5]、RZB-2(3)[6]和SKZ-1(2)(苏恺之指导，孔向阳研制)，其各分量元件均互成45°，呈米字型排列，2007年以后在地震重点监测区共建有60余个测点，全部实现数字化分钟值采样。

2008年5月12日四川龙门山断层上发生汶川MS8.0地震,姑咱台震中距仅为150 km，国内有关学者用该台钻孔应变资料对这次震例进行了研究[7-9]。他们采用高通滤波和小波分解法(或S变换)从原始分钟值中提取出震前高频异常信号，周期为几分钟到数小时不等。

云南省腾冲台位于腾冲-澜沧地震带,是地方震多发地区,同样能够应用钻孔应变资料进行地震预测研究。文章研究了该台2008-2015年观测数据，采取一种原始分析方法，即不经任何数学处理，在计算机上分别逐日观看应变固体潮分钟值曲线(每日24 h，共1 440个数据点)，重点检查其上是否记录到肉眼就可直接识别的短周期高频信号，并与气压、雷电和水位等资料进行比较，判断是否受到影响，同时查阅台站工作日志(http://qzweb.seis.ac.cn)，核对有无人为干扰，然后查看当天中强震目录(震级MS>3.0)，先是使用陈培善研究员在《地震学报》上每期发布的地震目录，再使用中国地震台网(CSN)地震目录和美国国家地震信息中心(NEIC)地震目录(www.csndmc.ac.cn)补漏，结果发现一种不明原因的脉冲信号(共38次)，周期大致为2～4 min，振幅一般为(4～30)×10-10。下面将对其形态特征加以研究，并与地方中强震(震中距<100 km，共61次)的震级逐年进行对比，分析是否具有相关性。继续搜集当地小震目录(MS=2.0～3.0)和微震目录(MS=0.1～1.9)比对，进一步探寻该信号的物理本质。

1 钻孔应变仪记录到脉冲信号

腾冲地震台位于腾冲县腾越镇尚家寨村后山断层的南东盘上，该断层在此处与上马厂断层交汇。腾冲是我国著名的火山区之一，也是中国西部著名的地震活动区。该台建有一口四分量钻孔应变观测井，井深45 m，基岩为安山玄武岩，仪器型号是YRY-4，为河南省鹤壁市地震局池顺良研究员研制。该井于2007年10月底开始观测，考虑到仪器安装初期需要稳定一段时间，故资料分析从2008年1月1日起算。2016年2月19日观测曲线突然变粗，直到12月29日调整了仪器接线头后才终止。结合笔者的工作经验，这属于供电系统常见故障，可惜发现太迟，该段资料不能正常使用，所以资料分析截至2015年底，前后共约8 a时间。分析方法前已述及，规定观测曲线向上表示探头膨胀，呈张性；反之，呈压性。

图1给出了腾冲台钻孔应变仪记录到的一组典型脉冲信号，可以看出他们分别叠加在固体潮半日波背景曲线上，4个分量同时记录到该信号(周期为3 min)，且幅度与张、压性不尽相同。查阅过中强地震目录(MS≥3.0)，这一时间没有地震记录，同井水位和气压曲线也无此脉冲干扰。需要说明的是，这类脉冲信号四个分量应变每次不一定都能同时记录到，为简化工作程序，文章只选取第3分量作为研究对象，图2给出了其他时段记录到的部分脉冲信号。

图1 2014年9月21日钻孔应变固体潮半日波分钟值观测曲线上记录到的脉冲信号Fig.1 Pulse signal recorded on the half-diurnal wave minute-observation curve of borehole strain tide on September 21, 2014

2 应变脉冲信号与地震波的比较

图3、图4给出了两组应变脉冲信号与地震波的比较实例(皆为第三分量,由分钟值观测数据得到)，可以看出两种信号波形和周期都很相近，但后者幅度明显偏大，该实例中分别相差5～9倍，具体与震级和震中距有关。

图2 钻孔应变脉冲信号部分实例Fig.2 Examples of borehole strain pulse signals

图3 应变脉冲信号与地震波的比较实例一Fig.3 Example 1 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

图4 应变脉冲信号与地震波的比较实例二Fig.4 Example 2 of comparison between strain pulse signals and seismic waves

3 应变脉冲信号与地方中强震的统计结果

图5显示2008年8、9月间地方中强震频发(18次)，最大震级达到MS5.9，之后应变仪记录到的脉冲信号开始增多，达到8次。

2009年地方中强震发生了11次，最大震级为MS4.4，应变脉冲信号仅出现了3次(见图6)。

2010年发生15次地方中强震，最大震级为MS4.8。前已述及，3月份以后距台站600～800 m远处有重型机械挖湖施工，每日大约在8：00～22：00，其振动相当于人工地震，应变仪记录到持续的脉冲干扰信号，已无法与待研究的异常脉冲信号相区分，因此该年资料作废。

2011年全年都有施工干扰，其中2-4月较重，故图7给出的脉冲统计数字可能不够完整，其中有2次近震，分别为MS5.3(震中距17 km)和MS5.2(震中距18 km)，与之对应的脉冲信号也主要集中在这一时段。

2012年3、4、11月份施工干扰明显，其他时段较轻，全年仅发生2次地方中强震，最大为9月11日MS4.9，震中距为78 km，5月2日和15日、6月10日、8月11日和21日各记录到1次脉冲信号。

2013年全年施工干扰较轻，台站100 km以内仅发生4次3级多地震，6月8日和8月14日各记录到1次脉冲信号。

2014年全年施工干扰较轻，统计结果显示应变脉冲信号出现的时段与地方震发生的时段大致吻合(见图8)，其中较大的两次地震为5月24日和30日盈江MS5.9及MS6.1，相距70 km和73 km，震前记录到数次脉冲信号。9月16日23时33分腾冲发生MS4.2地震，震源深度9 km，震中距仅为5.4 km，台站几乎就在震中区，地震前后出现数次脉冲信号，由分钟值观测数据得到(见第39页图9)，其中最大振幅达到42.8×10-10，地震波振幅为2 740×10-10，相差64倍。

2015年施工干扰较轻，但观测曲线变粗，估计应变仪电路系统受到了某种电信号的干扰，不过仍可区分脉冲信号，其间发生7次地方震，最大为10月30日MS5.0，震中距93 km，11月27日记录到1次脉冲信号。

4 应变脉冲信号与当地小震和微震的关系

骆鸣津研究员[10]曾指出：“地震预报的创新只能放在更真实可靠寻找与地震破裂、孕育相联系的物理信息上。”基于这一思路，应进一步探寻该信号的物理本质。继续搜集当地小震目录(MS=2.0～3.0)，发现有19次脉冲信号原来是应变小震波(震中距一般<70 km)。再将剩下的19次信号与当地微震目录(MS=0.1～1.9)比对，又发现有9次是应变微震波，还有10次信号没有与地震对应，推测地震目录可能记录不全，该信号依然由近震引起，即，由钻孔附近岩石的微破裂所致，与区域性地震活动存在一定关联。

图5 2008年钻孔应变脉冲信号与地方中强震震级的比较Fig.5 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2008

图6 2009年钻孔应变脉冲信号与地方中强震震级的比较Fig.6 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2009

图7 2011年钻孔应变脉冲信号与地方中强震震级的比较Fig.7 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2011

图8 2014年钻孔应变脉冲信号与地方中强震震级的比较Fig.8 Comparison of borehole strain pulse signals with local moderate-strong earthquake magnitudes in 2014

现已查明,图1给出的脉冲信号是由一次MS2.7小震引起，震中距仅为3.1 km；图2给出的一组脉冲信号没有找到相应的地震，估计是目录漏掉了；图9腾冲MS4.2地震前后记录到的几次脉冲信号皆为当地小震和微震(震中距5 km以内)引发。

图9 2014年9月16日-17日应变脉冲信号与腾冲MS4.2地震对比分析Fig.9 Comparative analysis of strain pulse signals and Tengchong MS 4.2 earthquake (16-17 September 2014)

5 结论与讨论

(1) 腾冲台钻孔应变原始分钟值观测曲线上记录到的脉冲信号是真实、客观存在的，但四个分量应变不一定都能同时记录到脉冲信号，并且该信号与气压、水位、中强震和人为干扰无关。信号有时呈压性，有时呈张性，周期大致为2～4 min，振幅一般为(4～30)×10-10，个别的可以达到(40～60)×10-10，波形与地震波相似，现已查明绝大多数脉冲信号都是由台站附近小震(震中距一般<70 km)或微震(震中距一般<16 km)所致。

(2) 将脉冲信号出现的时间和振幅与地方中强震(震中距<100 km)的震级做逐年对比分析，表明二者之间存在一定的伴生现象。

(3) 地震是一个大规模岩体受压发生破坏的力学过程，是遍布于岩体中各类裂纹扩展并相互贯通的结果。岩石力学实验表明，石块的破坏主要是裂纹尖端形成应力集中引起的。新裂纹的产生、裂纹扩展及裂纹尖端应力场的动态变化，会在岩石中产生应力波[11]。地震在孕育过程中区域应力场会增强，如果台站离震中较近，钻孔附近岩石就可能产生微裂隙，从而形成应力扰动，这一过程导致小震和微震发生。腾冲台观测到的应变脉冲信号之所以与区域性地震活动有一定的关联，与此有关。

(4) 台站选址如何远离人类活动的干扰，是一个急需解决的问题。和腾冲台一样，最近几年玉树、昭通和门源台钻孔应变也都积累了宝贵的震例，这是可遇不可求的，但在进行资料分析时都面临着棘手的干扰问题。