海原地震台钻孔应变震前短临异常特征研究

杨 顺, 程鹏图, 王晨曦, 马云举, 马治宁

(宁夏回族自治区地震局，银川 750001)

钻孔应变前兆观测是地震监测预报的主要手段之一，四分量钻孔应变仪观测探头一般安装于钻孔下数十米的基岩或土层中，观测位移空间导数随时间的变化，具有良好的高频特性与高灵敏度的兼顾性，可以发现和掌握地应变前兆的长中期-短期-临震以及震后调整的时空分布与发展变化规律，构成重要的地震前兆观测手段[1-3]。实际震例分析表明，钻孔应变观测具有良好的映震能力，于汶川8.0 地震、乌恰7.4、乌什6.4、昆仑山 8.1、彝良5.7 等地震前，均出现较为明显的短期异常[4-9]。蒋靖祥等[10]、朱航[11]依据钻孔应变台站异常数据，对新疆和静5.7、巴楚北4.2、云南盐津5.1等地震进行了较为准确的震前预测，为今后应用钻孔应变异常开展地震预测预报工作具有重要的参考价值。海原地震台YRY-4型四分量钻孔应变观测仪观测数据连续，可靠性较高，具备开展相关地震研究的条件，且于漳县岷县 6.6、景泰4.7、中宁3.9等震前出现明显的短临异常反应。从而对观测数据出现的异常变化原因进行准确的研究分析，总结其异常变化特征，是开展地震预报工作的前提，对区内开展防震减灾工作有着重要意义。

1 观测背景

1.1 构造背景

海原地震台钻孔应变观测点位于海原县小山村西南侧南华山内，地面距离1920年海原8.5级地震主断裂约450 m，地处青藏高原东北弧形构造带内(图1)。海原断裂带活动特征表现明显的压扭性，左旋迹象明显，由于断层活动强烈，断层地表形迹清晰可见，跨断层水系、沟谷左旋水平运动特征明显。1920年海原大地震形变遗迹散布整个断裂带，如五桥沟-小山一带见有水平扭动产生的鼓包和雁行形状张裂凹坑和断层陡坎等，五桥沟沟口跨断层处的沟谷阶地左旋分量较大，是断裂带多期活动的累积量[12]。小山形变台临近海原活动断裂带，为1920年海原8.5级特大地震的极震区。

图1 海原小山形变观测点地理位置Fig.1 The geographic location of Haiyuan Xiaoshan deformation observatory

1.2 仪器概况

图2 四分量钻孔应变内部结构图Fig.2 The internal structure diagram of four-component borehole strain

YRY-4型分量钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器，在圆筒中布置安装4个分量的径向测微传感器，每个受力元件依次相差45°，呈“米”字布设，安装时将圆筒探头放入地层钻孔，使用耦合介质将探头与地层合为一体，通过仪器测量系统即可获得平面内4方向钻孔孔壁径向位移，从而求取地应变量(图2)[13]。正方向变化为张性应变，负方向变化则为压性应变。

海原地震台于2007年9月安装架设YRY- 4型四分量钻孔应变观测仪(武汉地震科学仪器研究所研制)，灵敏度高(应变量级达10-10)。观测井孔深 60.37 m，水位距井口15m，套管下到32 m 深，探头安装在深36.5 m的完整段，基岩为奥陶纪灰岩。如图3所示，分量元件方位(相对磁南北)：第1分量：E21°S；第2分量：E66°S；第3分量：S21°W；第4分量：S66°W。

图3 海原地震台钻孔应变布极方位图Fig.3 The polar orientation map of borehole strain in Haiyuan Seismic Station

2 钻孔应变资料可靠性分析

四分量式具备自检功能，可以用来评价观测数据的可靠性。自检是依据在理论条件下，相互垂直的两分量应变观测之和相等，即自检关系可表示为

S1+S3=S2+S4

(1)

式(1)中：S1、S2、S3、S4分别表示1～4路应变观测分量。在分量钻孔应变仪中，1路和3路互相垂直，2路和4路互相垂直，1路+3路和2路+4路的结果越一致，则表示仪器探头与围岩耦合效果越好，记录的资料越可靠[13]。

对2013年1月1日—2016年12月31日事件段内海原台YRY-4型钻孔应变仪观测资料的进行仪器自洽检验，通过式(2)计算四分量钻孔应变观测的信度，在剔除掉5%的坏点后，计算所得海原小山四分量钻孔应变观测的信度为0.907，由此可得该仪器信度高，观测数据可靠(图4)。

(2)

式(2)中：N95为剔除掉5%坏点后的有效观测数据；C95为有效观测数据的检测信度。

图4 2013—2016年海原台分量钻孔应变自检曲线Fig.4 Self-test data curve of borehole strain at Haiyuan Seismic Station in 2013—2016

3 震例分析

海原地震台四分量钻孔应变自2008架设投入观测以来，于多次中强震前均出现短临的异常变化，在此期间发生的2013年7月22日漳岷MS6.6级地震、2014年11月15日景泰MS4.7级地震及2016年4月11日中宁MS3.9级地震震前，出现了明显的短临异常变化。

2013年7月22日，甘肃漳县岷县发生MS6.6级地震，海原小山钻孔应变于震前14 d前出现了明显的异常变化，震中距239 km。如图5所示。由图5 可知，S1、S4分量于2013年7月8日出现明显的加速压性下降变化，7月10日下降变化结束且加速上升恢复，变化形态呈“V”形，S1变化幅值792×10-10，S4变化幅值1 104×10-10；S2、S3分量于7月9日出现明显的加速压性下降变化，7月12日下降变化结束且缓慢上升恢复，变化形态呈“√”形，S2变化幅值为1 266×10-10，S3变化幅值为1 187×10-10。依据四分量对比分析可知，S2、S3分量较之S1、S4分量，变化幅度大、持续时间长、恢复速度慢。

图5 海原小山钻孔应变观测曲线(漳岷MS6.6级地震前)Fig.5 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Zhangming MS6.6)

2014年11月15日，甘肃景泰县发生MS4.7级地震，海原小山钻孔应变于震前60 d前出现了明显的异常变化，震中距174 km。景泰MS4.7级地震震中与海原小山形变观测点同处于海原断裂带构造变形带内，如图6所示。由图6可知，此次地震前海原钻孔应变S1、S4分量无明显变化，S2、S3分量出现了压性下降-张性上升的变化形态。S2、S3分量于2014年9月15日出现压性下降变化，9月26日下降变化结束且出现张性上升变化，10月9日上升变化结束且出现缓慢下降变化至10月28日开始转折缓慢恢复，变化形态呈“W”形，S2变化幅值为 1 113×10-10，S3变化幅值为1 086×10-10。

图6 海原小山钻孔应变观测曲线(景泰MS4.7级地震前)Fig.6 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Jingtai MS4.7)

2016年4月11日，宁夏中宁县发生MS3.9级地震，海原小山钻孔应变于震前10 d前出现了明显的异常变化，震中距78 km。如图7所示。由图7可知，S2、S3分量于3月31日出现明显的加速压性下降变化，4月4日下降变化结束且加速上升恢复，变化形态呈“V”形，S2变化幅值为2 501×10-10，S3变化幅值为 2 177×10-10；S4分量于3月31日出现加速张性上升变化，4月4日上升变化结束且缓慢下降恢复，S4变化幅值为1 321×10-10。

图7 海原小山钻孔应变观测曲线(中宁MS3.9级地震前)Fig.7 The value curve of the Haiyuan xiaoshan boredata strain (Before Zhongning MS3.9)

4 异常特征分析

分析总结海原地震台钻孔应变震前异常特征，对宁夏及邻区的地震预报工作有着积极地参考意义。通过分析典型震例，从空间、时间、构造关系、变化幅值等方面总结海原地震台钻孔应变震前异常特征。

4.1 空间

通过分析三次典型震例与海原小山形变观测点的空间位置关系，如图8所示，震前异常变化对应的最大震中距为漳县岷县MS6.6级地震的239 km。由此可知，海原地震台钻孔应变对领区300 km内中强震的震前异常变化较为明显，超过300 km则无明显异常变化，如九寨沟MS7.0级地震、芦山MS7.0地震及玉树MS7.0级地震等。

4.2 时间

通过对这三次典型震例总结分析可知，异常变化出现最早的地震为景泰MS4.7级地震，于震前60 d出现，持续时长43 d。漳县岷县MS6.6级地震与中宁MS3.9级地震均于震前15 d之内出现异常变化，持续时长也均在5 d之内。景泰地震与漳县岷县地震、中宁地震时间尺度上的差距，究其原因系为景泰地震震中与海原小山形变点同处一个构造变形带内，因此造成其在震前出现持续时间较长的“W”形异常变化。由此可知，海原地震台钻孔应变震前异常特征在时间尺度上具体表现为，同处海原断裂构造变形带内的震前异常出现时间早、持续时间长，而处于其他构造变形带内的震前异常出现时间晚、持续时间短。

4.3 构造关系

由图8可以看出，海原地震台小山形变点所处断裂构造走向与对应震例发震构造走向均沿NW-SE向展布延伸，此类走向的断裂均受来自NE、SW向的挤压应力作用。由此可知，海原地震台钻孔应变异常变化所对应的震例，均与其有着较为一致的构造应力环境及相似的地震构造背景。

图8 震例空间分布Fig.8 The distribution of seismic space

4.4 变化幅值

通过典型震例分析可知，海原地震台钻孔应变震前异常变化幅值与震中距、震级大小有着直接的关系。如表1所示，中宁地震震级小于其他两个典型震例，但由于其震中距最小，从而使得其S2、S3分量的变化幅值为其他震例S2、S3分量的两倍；漳县岷县地震震级虽大于景泰地震，但因其震中距大于景泰地震，因此两者S2、S3分量的变化幅值相差不大。由此可知，变化幅值受震中距的影响要大于震级的影响，也由此可发现海原地震台钻孔应变对地方中强震的映震能力更为显著。

4.5 分量变化

由表1可知，海原地震台钻孔应变S2、S3分量于震前表现的异常变化较之S1、S4分量更为显著。究其原因与钻孔应变四分量布极方位有关，由图5所示，钻孔应变S2、S3分量布极方位与震例发震构造所受的应力方向较为一致，从而使S2、S3分量于震前表现得更为灵敏。

表1 震例震级、震中距、变化幅值统计表Table 1 The statistical table of seismic space magnitude、epicentral distance and change amplitude

5 结论

利用2013—2016年海原地震台钻孔应变可靠性高的观测资料，对在此期间所对应的三次典型震例进行分析研究，得出海原钻孔应变震前异常变化特征如下。

(1)海原钻孔应变对领区300 km内中强震的震前异常变化较为明显，超过300 km则无明显异常变化。

(2)海原钻孔应变震前异常特征在时间尺度上具体表现为，同处海原断裂构造变形带内的震前异常出现时间早、持续时间长，而处于其他构造变形带内的震前异常出现时间晚、持续时间短。

(3)海原钻孔应变异常变化所对应的震例，均与其有着较为一致的构造应力环境及相似的地震构造背景。

(4)异常变化幅值受震中距的影响要大于震级的影响，也由此可发现海原地震台钻孔应变对地方中强震的映震能力更为显著。

(5)钻孔应变各分量异常变化的差异性，与其布极方位和震例发震构造的应力环境有关，钻孔应变S2、S3分量布极方位与震例发震构造所受的应力方向较为一致，从而使S2、S3分量于震前表现得更为灵敏。

前兆观测资料分析是地震预报工作的重要组成部分，通过分析典型震例总结了海原钻孔应变的临震异常变化特征，在排除其他因素干扰的情况下，可对今后观测资料出现的短临异常变化在此研究基础上进行尝试性的震前短临预报，以期为该区今后的防震减灾工作提供参考依据。