钻孔体应变仪在地震前兆观测中的理论和应用研究综述

孙艺玫， 查 楠， 任 雪， 张 丽， 毛佳宁

（辽宁省地震局， 辽宁 沈阳 110034）

0 引言

地震发生前后一般会出现各种异常现象，包括但不限于普通的地震波信号[1]； 通过统计发现在一些地震的前后， 地震台站会观测到部分异常信号， 相比于普通的地震波， 这些异常信号有一定的特殊性， 比如发生概率偏小、 衰减周期较长、 振幅没有明显的规律等等， 对这些异常信号（也被称为“前驱波”） 的研究对地震的预测有着重要意义[2]。

这些异常的、 不规律的信号， 在模拟观测时期受制于仪器分辨率的约束， 难以被识别。但随着地震研究引入了现代数字化观测技术，比如高精度GPS[3]、 宽频地震计[4]以及高分辨应变仪等[5]， 研究人员可以观测并记录到这些前驱波的特征， 并运用统计学的相关理论， 来对这种特殊的观测信号进行研究， 期望达到预测地震的现实意义[6]。

钻孔应变观测是研究地壳应力应变状态规律的主要手段， 在地震前兆观测与研究中不可或缺[7]； 一般情况下， 仪器探头被安装于地下数十米甚至数百米深的土层或者岩层中， 不间断的记录地壳内部应力应变状态， 由此描绘出的曲线可以用来分析地震前、 中、 后等各个重要节点的地壳应力应变的变化。

1 钻孔体应变仪的原理及优势

在观测地震前兆的手段中， GPS 和钻孔应变仪各有所长， 可以相互补充， 在短临前兆观测中应变仪器的效用更胜一筹[8]。 钻孔应变观测可以观测区域应力场作用下的地壳变形[9]， 与其他观测手段不同的是， 钻孔应变仪观测的优势在于观测的是一个张量， 专注于某个点的应变变化数据， 可以将地壳变动的数值以秒或者分钟的形式， 连续记录下来形成一套曲线数据。

从图1 可以看出， 钻孔应变观测的范围更为广泛， 几乎覆盖了整个观测频带； 而传统地震仪和GPS 的观测范围相对较窄， 传统测震仪侧重于高频观测频带、 GPS 侧重观测相对低频的观测频带[8]。

图1 传统测震仪、 GPS 与钻孔应变仪观测频带对比Fig.1 Comparison of observation frequency bands of traditional seismometer， GPS and borehole strain gauge

这种钻孔应变观测的的测量原理是根据安装在钻孔仪器中腔体的体积变化而获得岩体体积的相对变化量， 是一种高精度地形变观测仪器， 最适合揭示短期形变变化。 澳大利亚地球物理学家F.D.Satcey 指出“由于来自于大自然（如降雨） 而非仪器本身的强干扰， 短基线应变和近地表设置的倾斜仪并不是很有用， 所以在短基线仪器中， 只有放置在地下水深处不排水钻孔中的仪器才更有效率”[10]。

我国的钻孔应变观测起步较早且设计理念达到世界领先水平[11]， 我国现在使用的体应变仪有两个系列： 一是上世纪八十年代中期从美国进口的Sacks 体应变仪[12]， 一是我国国内自主研发的TJ 型体应变仪[13]。

体积式钻孔应变观测是钻孔应变观测的重要组成部分， 在全球的应变仪数量中占据最大的比重， 这得益于钻孔体应变仪的独特优势：

第一， 钻孔应变观测可以精细、 准确地刻画地应力在时间和空间上的变化图像； 第二，钻孔应变观测可以在保持高灵敏度的同时， 在时间维度上有较大的持续性； 第三， 钻孔体应变仪安装到地下， 受地表的干扰较小， 甚至可以规避近地表水位的影响； 第四， 该观测方法占地面积小， 便于定位和布置， 可以有效进行对比； 第五， 钻孔应变观测可以全方位观测应变、 地磁等多种地球物理参数， 一孔多用， 极大地提升了钻孔利用率和观测效率[9]。

钻孔体应变仪因其观测精度高、 稳定性好，在钻孔应变观测中占据着重要地位和影响， 它能记录到地震发生时的应变变化[14]， 在一系列的爆炸试验、 微地震试验、 矿山监测等领域得到实证[15]。

比如， Sacks 等运用钻孔体应变仪曾观测到上世纪八十年代日本伊豆半岛7 级地震的前驱波信号[16]； 甚至， 有人还根据体应变仪观测到的前驱波信号， 成功预报了2000 年2 月26 日的火山喷发； 从这里可以看出， 钻孔体应变仪的应用在地震预测、 火山研究等方面有重要的理论和实际意义。

2 钻孔体应变仪的种类和发展

20 世纪60 年代末， 美国卡内基研究院和德克萨斯大学联合研发了一台线性膨胀地震计，被公认为世界上第一台钻孔体积应测仪器。 随着技术迅速发展， 观测技术不断完善， 种类也越来越多， 国内的欧阳祖熙等[17]研制了RZB 电容式四分量式钻孔应变仪， 澳大利亚有研究人员开发了三分量张量应变仪， 日本则在Sacks体应变仪的基础上研制了Sacks-Evertson-Sakada三分量体应变仪[18-19]。

日本石井紘等人开发了体积更小的三分量应变仪， 可以将探头的直径放大至40 倍， 安装简便体积偏小， 可以全方位观测多种地球物理参数， 允许研究人员根据自己的需要灵活地使用； 澳大利亚Michael T Gladwin 研制的张量钻孔应变监测装置在水平应变监测中得到了广泛的认可和应用[20]。

目前我国在这个领域的观测技术发展很快，除了单点观测技术（体应变、 分量应变、 钻孔倾斜等） 外， 我国的深孔应变观测和多参数观测的综合性钻孔观测也有长足的发展： 2010年， 多个地震台站成功安装了由地质力学研究所主导研发的深井地球物理综合监测系统， 并通过该系统获取了大量的高价值地球物理观测资料[21]； 北京白山和福建谭州成功安装了两套深井地壳形变综合观测实验系统， 这是由欧阳祖熙等人研制的新型深井宽带综合观测系统， 这些研究成果表明， 我国钻孔应变观测已进入一个新阶段[22]。

3 钻孔体应变观测的国内外应用研究现状

目前， 国内外研究人员已经将钻孔体应变仪观测到的高价值数据应用到多个领域， 并取得了重要进展。

3.1 同震阶跃现象方面

同震阶跃现象即是地震发生时仪器记录到的同震应变阶。 通过钻孔体应变仪可以观测到这种现象， 其具有重要的价值。

国外方面， 有学者通过对比三套Sacks-Evertson 体应变仪的观测数据， 发现一个现象：距离震中相同的两组应变仪， 可以同时观测到地震应变阶[14]； 这个发现得到了McGarrA 等人的认可， 他们通过安装在金矿中的应变仪仪器观测到大量的数据， 印证了应变仪记录到的阶跃现象是同震应变阶的观点[15]。 在国内， 张敏等[23]发现， 钻孔应变与地震应变阶次和地震波在时间上是同步的， 应变阶跃与震源方位和震级在统计上具有相关性； 李鹏等[24]研究了2015 年4 月25 日尼泊尔8.1 级地震的钻孔应变观测资料，同样发现了这种相关性[28]。

3.2 慢地震方面

慢地震是一种非暴力性质的断层滑动事件，它需要经过数小时或数天释放它们拥有的强大能量， 虽然在此期间并没有地震波辐射， 但其有可能是大地震的一种前兆， 因此研究慢地震有着十分重要的意义。 在这个时候， 运用钻孔应变仪观测前驱波信号是一个非常必要的观测手段： 1992 年12 月， LindeAT 等[25]在美国加州西部的San Andreas Fault 断层通过钻孔应变仪记录到持续时间长达一周的慢地震现象[29]；SacksIS 等[26]也通过三台Sacks-Evertson 钻孔应变计记录到了1978 年的伊豆地震之后的一系列慢地震现象。

3.3 地球自由振荡方面

地球局部受到某种因素的激发时， 地球整体会产生的连续振动， 这种现象叫做地球自由震荡， 这种振荡的频率很低， 振动周期一般为数十秒至数十分钟， 通常振动亦很微弱， 不过大地震激发的地球长周期自由振荡往往延续几天甚至几个星期才会逐渐消失。 研究地球自由振荡对大地震的震源机制等有着重要的作用。高精度钻孔应变观测仪在这方面同样具备优势[27]。 比如2004 年的苏门答腊地震引发的地球自由振荡， 邱泽华等[28]在泰安地震台率先用差应变和体应变两种钻孔应变计观测了这项数据，唐磊等[29]也通过国内多个台站的TJ 型钻孔体应变仪获得了地球球面振荡数据。

3.4 地震前兆异常信号方面

国内学者在地震前兆异常信号的识别和提取方面， 做出来大量的研究成果。 1976 年中国唐山发生7.8 级大地震， 在此之前陡河和赵各庄的应力监测站观测到了明显的垂直于断裂带的地应力拉伸脉冲异常， 邱泽华等[30]认为这个异常的信号是与地震有关的地壳运动。 池顺良等[31]基于钻孔应变数据自洽理论， 对四川和云南两地的监测台站数据进行分析， 发现在汶川8.0级地震前出现了数据自洽性遭到破坏的现象，这种异常也被认为与地壳活动有关。

邱泽华等[31]提取了四川姑咱台钻孔应变数据的短周期信号， 通过利用高通滤波将周期性信号剔除， 发现了与汶川地震相关的前兆信号异常反应， 与唐山地震发现的异常数据相似。刘琦等[33]也在姑咱台钻孔应变数据中发现了汶川地震前出现的大量异常数据， 而且这些异常信号还有一个特点， 即异常信号在震前逐渐增多、 震后逐渐消失。 对于汶川地震的前兆异常信号， 文勇等[34]也在后续对青海地区的台站数据的研究中发现， 这说明大地震前的前兆异常数据不是个例或者偶发现象， 带有一定的普遍性。

对于其他地震来说， 邱泽华等[35]在姑咱台钻孔应变仪记录数据中， 找到了与2013 年芦山7.0 级地震相关的显著异常变化； 史小平等[36]针对2013 年岷县6.6 级地震分析了临夏台钻孔应变数据， 发现数据在主应力和主方向上显示出来的变化与地震有很强的相关性； 刘琦、 张晶等[37]对2013 年芦山7.0 级地震前姑咱台钻孔应变数据的分析发现两个异常， 一是始于2012 年10 月并持续了约4 个月； 另一个是始于芦山地震前数天， 这两组异常目前尚无法确定来源，但并不排除与地震相关。

4 体应变仪在“前驱波” 等领域的观测实例

“前驱波” 的定义是1974 年Kanamori 等[38]最先提出的， 用来解释1960 年智利MS8.3 地震前十五分钟出现的周期性的异常现象。 冯德益等[39]通过对深井水位计、 海洋验潮仪的一些短临前兆记录研究发现， 其与“长周期形变波” 的理论相符合。 杨又陵等[40]研究发现新疆地震台网曾有多台数字地震仪同步记录到了2001 年昆仑山口西的MS8.1 地震“前驱波”。 赵根模等[41]对60 年代以来的地震案例进行了不完全统计， 归纳出来多种地震监测仪器测出了“前驱波”记录。

在定量分析层面， 王庆良等[42]曾经总结过“前驱波” 的几个特征： 5 级以上地震前均可观测到前驱波信号； 前驱波的特征为脉动加粗、震相是低频S 波； 出现的时间范围是震前数小时至7 天左右； 传播距离很远。

天津市宝坻台Sacks 体应变仪曾记录到2008 年汶川8.0 级大地震的体应变地震波[43]；甘肃省山丹地应力台站也发现明显的应变前兆异常， 应变波如图2 所示[44]。

图2 汶川8.0 级地震前应变前兆异常分布图Fig.2 Distribution of strain precursor anomalies before the Wenchuan MS8.0 Earthquake（2008.5.10--5.14）

通过对华北地区的台站数据研究发现， 气压是影响钻孔体应变观测的关键因素之一[13，45]，但气压的具体影响原理及途径， 学术界存在一定的争议： 张凌空等[46]研究了天津宝坻、 北京东三旗和河北张家口三个台站于2003 至2006年的数据， 结果显示3 个台站体应变随短周期气压增加皆压性增强， 且基本同步； 但年周期气压波层面的影响则没有一致性规律， 没有得出统一的结论。

2009 年， 周龙寿等[47]利用多个台站TJ 式钻孔体应变仪观测资料， 分析2004 年澳大利亚麦阔里和印尼苏门答腊大震前的应变变化， 认为大震前15 天之内不能普遍检测到“前驱波”。

2013 年， 赵楠等[48]通过用前驱波识别法，对六安台BBVS 测震与TJ-2 应变记录震波进行比较， 对比分析了2011 年3 月11 日记录到远场日本东海岸9.0 级大地震起始情况和2011 年1 月19 日记录近场（距150km） 安庆4.8 级强有感地震起始情况， 发现两个系统在地震发生前记录的曲线无前驱波特征， 与预设条件不一致。

5 结语

从研究实例上可以看出来， 尽管一些地震前均观测到了前驱波， 但是， 当前的钻孔应变观测结果和实际的地震发生状况也存在一定的不确定性， 原因有可能是距离、 观测设备的硬件条件等等， 这些都是未来体应变观测仪的改进方向： 首先， 应尽可能提高数据采样效率，这有利于对异常信号的快速捕捉处理； 其次，在山洞形变观测台站建设更宽的频带测震观测[49]。同时， 在潜在中强震以上风险地区建设观测仪器系统监测网（同型号仪器可以保持一致性），对前驱波和对区域震情、 孕震过程、 发震时间开展初步研判。

致谢： 感谢“郯庐断裂带北延段（辽宁段） 强震孕育的动力学模型研究” 项目组的支持。