高台四分量钻孔应变对甘州5.0 级地震的响应变化分析

李 娜，冯建刚，武善艺

（甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000）

0 引言

钻孔应变观测在短临跟踪观测中可揭示中短期地壳连续变形[1]，而且在短期以及临震应变变化方面已体现出了相对测震和GPS 更大的优势，因此目前在国际上受到高度重视。“十五”期间中国钻孔应变观测台站增加了数十倍，钻孔应变观测网发展迅速[2]。2019 年9 月16 日张掖甘州发生了5.0 级地震，距离震中101km 处的高台钻孔应变在震前出现明显的短期异常变化，根据异常性质分析和判定以及震后高台钻孔应变的年变形态恢复情况进一步确定高台钻孔应变5 个月前出现的异常变化为震兆信息。

1 高台背景资料

1.1 台站地理、地质构造情况

高台钻孔应变观测点位于合黎山—龙首山褶皱带南缘与走廊断陷的分界处，河西系高台—榆木山隆起和祁吕西褶皱外缘与古北西向构造斜撞复合部位。区域地质构造以合黎山—龙首山北西西向隆起带为主，西起金塔，东至河西堡东，总体走向呈N50°～60°W，与高台—榆木山构带斜接复合[3]。台基为海西期花岗岩，位于祁连山地震带。该地区为走向北西西向逆冲断层，线壮褶皱非常发育，垂直差异运动强烈，是地应力易于积累的地区。1954 年山丹发生71/4级地震，2003 年民乐、山丹发生6.1 级和5.8 级地震。

高台位于河西走廊中部，黑河中游下段。北依合黎山与内蒙古阿拉善右旗相邻。台址周围地形地貌特征属花岗岩类构造低山，台基岩性为较坚硬完整的海西期花岗岩。地表为风化岩石，3m 以下较完整花岗岩，台站地理位置如图1 所示。

图1 高台台地理位置及附近构造分布Fig.1 Geographical location and structures distribution nearby the Gaotai Seismic Station

1.2 观测仪器简介

钻孔应变仪架设于2007 年6 月，为“十五”数字化观测项目，分量钻孔应变包括4 个应变分量和钻孔水位、气压辅助观测共六个测项。探头定向方位由探头内罗盘在地面指向磁南北方位的照片与钻孔内固定后的照片比较后再做确定。各元件方位角如下：1 路-65°，2路-20°，3 路25°，4 路70°，4 个分量元件工作稳定正常。高台钻孔应变孔深45 m，仪器探头安装于44m 处，底部垫入30cm 小石子，探头周遍均匀灌入水泥石英沙进行固定耦合。稳定水位距井口36m。安装仪器的位置为裸岩，钻孔在无裂隙，无破碎的整体基岩之上，无涌水和漏水现象，地面至40m 钻孔一律用136mm的标准钢套管保护，为防止地表或地下水进入井中，全部用水泥浆压力封井，将护井套管于岩壁紧密凝固。

2 高台钻孔应变异常形态性质分析

高台钻孔应变自观测以来，年变形态完整且稳定，从背景变化分析，高台钻孔应变四分量呈现“压缩—拉张—压缩”的年变规律，年变形态呈余弦曲线，NS、EW 分量每年1 月起加速下降，3 月底开始下降速率减缓，4 月转平达到极小值，5 月转折加速上升，7—8 月上升速率减缓，9 月转平达到极大值，10 月开始转折下降，下降速率与1 月初开始的速率基本一致。NE、NW 分量的年变幅度逐年有所减小，变化形态与NS、EW 分量基本一致，NS、EW分量每年4 月初和10 月初发生转折，而NE 和NW 分量两次转折时间均比NS、EW 分量滞后半个月（图2）。但是2019 年NE 和NW 分量首次压缩转拉张状态滞后至5 月中旬，极小值出现时间相较往年滞后近两个月，7 月两个分量出现转折上升趋势，8 月底逐渐恢复往年上升速率。为判断此次状态转变滞后是否是地震前兆，需从观测系统以及周边环境多方面检查排除干扰因素，从而科学判定破年变变化的异常性质，并分析高台钻孔应变NE、NW 分量破年变异常是否对祁连山中西段地震危险性具有指示意义。

图2 高台钻孔应变NE、NW 分量年较图（2012—2019 年）Fig.2 The NE and NW borehole strain of annual variation curves at Gaotai Seismic Station（2012—2019）

2.1 观测系统干扰因素排查

高台于2019 年6 月4 日对供电电源进行改造升级。利用太阳能板对供电电池进行充电，室内安装三个太阳能充电控制器，对高台钻孔应变供电系统进行了检查，测量电瓶电压为13.7V，与太阳能充电控制器显示电压相同，太阳能控制器自身电压0.89V。利用电瓶为观测仪器供电，可保证数据不受市压稳定性影响，避免市电干扰，利用太阳能充电板对电瓶充电，可保证不间断供电，一般电瓶充满情况下可正常工作一周，太阳能板在有光照的情况下随时可对电瓶进行充电，避免了停电导致的数据停测缺数。自供电设备更换以来，电压平稳无异常，NE 和NW 分量异常开始时间为4 月中旬，与更换太阳能板时间不符，因此排除了供电电源影响。

高台钻孔应变自正式观测以来变化稳定，未更换过格值。其中：第一分量格值—21.6021×10-10/mV，第二分量格值—22.7104×10-10/mV，第三分量格值—20.6476×10-10/mV，第四分量格值—26.9295×10-10/mV。

观测井上有结实的水泥盖板，打开盖板，对井孔进行详细检查后，并未发现破损，井盖完好，套管完整无裂缝，线缆也无破损现象。井周无塌陷、倒塌，观测井孔正常使用。

2.2 观测环境干扰源分析

高台钻孔应变观测点距县城6km，距最近乡村公路20m，观测井周边有四个采石场，分别距观测井910m、980m、1210m 和1880m。2017 年异常核实已对四个采石场进行现场核实，核实认为采石场已工作多年，而高台钻孔应变架设以来仪器工作稳定，采石场爆破对钻孔应变井的数据无影响。

距观测井520m 处存在一新建再生水处理塔中转站，于5 月底开始运行，其运行时间较钻孔应变分量异常出现时间晚。中转站占地面积不大，处理污水并排出用于农业灌溉但排水量有限，对地下水位变化无影响，因此对钻孔应变四分量影响不大。再生水出水管道方向不远处有一积水潭，水潭面积不大，水较浅，降雨积水形成，但2019 年4 月起降雨水平较2018 年同期较少，因此认为降雨导致的积水潭积水不足以引起NE、NW 分量钻孔应变年变形态发生变化。

高台县为农业县，用水均为农业用水，通过水渠供水。近几年县城用水量未发生显著变化，而且每日灌溉前后钻孔应变数据也并无明显变化，因此排除灌溉对钻孔应变的影响。

高台钻孔应变配备水位、气压辅助测项，2009 年至2018 年，高台钻孔水位共上升了约130 毫米（高台县浅层地表水距地面仅6m）。水位上升与高台县大力治理湿地保护以及距离黑河较近有关。水位有明显的年变，呈夏低冬高的正弓形态。除2012 年9 月因钻孔水位探头故障，更换了新的水位探头，2014 年、2015年、2017 年多次数采等仪器故障，网络不通等原因导致观测数据变化出现异常变化（图3）外，钻孔水位和钻孔气压无其他异常变化，气象三要素也未显示明显异常变化（图4）。综上所述，高台钻孔应变观测系统工作正常，测区环境未发生显著变化。NE、NW 分量的破年变变化与降雨、水位、气温和气压等因素无关，真实反映了地下应力的变化。

图3 高台钻孔水位、钻孔气压观测曲线图（2008—2019）Fig.3 The water level and pressure observation curve of the Gaotai borehole（2008—2019）

图4 高台气象三要素观测曲线（2008—2019）Fig.4 The observation curves of three elements meteorology at Gaotai Seismic Station（2008—2019）

2.3 面应变分析

四分量钻孔应变仪可以利用相互垂直方向上的应变之和为不变量的特点对不同元件的应变观测进行互检[4-6]。在判断仪器状态、评定资料质量以及核实资料异常时，校核条件（S1+S3=S2+S4） 起到了非常重要的作用。高台钻孔应变面应变曲线如图5 所示，根据四分量自检原理对高台钻孔应变面应变进行分析，S1+S3分量和S2+S4 分量结果重合性较高，显示S1+S3 和S2+S4 相关性逐渐增强。据四分量钻孔应变自检原理，年高台钻孔应变面应变相关性达0.999853，观测数据可靠性高，能够真实反映该区应力应变场变化[7]。由此看来高台钻孔应变四分量观测仪器合格，观测数据可靠性强，稳定性高，资料质量好。

图5 高台钻孔应变面应变曲线Fig.5 The plain strain curve of Gaotai borehole strain

2.4 主应变和主应力分析

四分量钻孔应变最大主应变和最小主应变曲线整体呈压性变化，长年以均匀的速度变化，最大主应力与最小主应力的变化同步，数值相等。图6 为四分量最大主应变的应力方向，最小主应变的应力方向与主应变方向垂直。自2008 年开始观测起，数据主应力变化幅度逐渐减小，方向逐渐向E50°S 偏移，目前主应力方向有向东偏移的趋势（图7）。

图6 高台钻孔应变主应变曲线Fig.6 The principal strain curve of Gaotai borehole strain

图7 高台钻孔应变主应力曲线Fig.7 The principal stress curve of Gaotai borehole strain

2.5 异常性质判定

从四分量钻孔应变主应力方向来看，自2008 年起，主应力方向变化幅度逐渐减小并趋于稳定于一个变化方向，2014 年起逐渐偏向E50°S 并趋于稳定，2019 年主应力方向稍向东偏转。高台钻孔应变四分量基本在4 月左右达到低值，而10 月左右达到每年最高值，且从年变图（图2） 可以看出年变形态常年保持稳定。NE 分量、NW 分量自2019 年4 月中旬开始出现的拉张状态滞后现象，NE 分量受压缩幅度更大，数据截至2019 年7 月11 日仍未出现转折拉张变化。经核实认为此次破年变异常是前兆异常。

2.6 破年变异常R 值检验

采用利用破年变法中的不同计算方法对高台钻孔应变NE、NW 分量2013—2019 年8 月的观测数据进行异常分析及效能检验，由于破年变异常开始时间为2019 年5 月1 日，观测曲线恢复往年变化速率时间为2019 年8 月31 日，因此分别对截至异常开始前数据、截至异常结束后数据进行效能检验，如表1 所示。截至高台钻孔应变NE、NW 分量出现破年变，通过对祁连山西段历史震例及高台钻孔应变干扰因素的统计分析显示，异常分量均未通过R 值检验，这可能与祁连山地震带西段历史地震个数以及干扰因素统计表的完善程度有关，但从预测优势时间来看，发震优势时间为异常出现后的1.5～3 个月；分析数据延长至破年变变化恢复以往变化形态时，分析结果仍未通过R 值检验，但发震优势时间为异常结束后的1～3 个月。甘州5.0 级地震发生在异常出现后的第3 个月，异常结束后的1 个月，滑动傅里叶计算结果与实际发震时间更为接近，图8 为滑动傅里叶分析结果。虽然效能检验结果不理想，但从预测时间和发震时间对应结果来说，高台钻孔应变NE、NW 分量破年变异常确实与甘州5.0 级地震有关。

图8 高台钻孔应变NE、NW 分量R 值效能检验（破年变法-滑动傅里叶，2013—2019.08）Fig 8. Effectiveness test of R value of strain NE and NW components of Gaotai borehole（Broken annual variation-Sliding Fourier，2013—2019.08）

表1 破年变法对高台钻孔应变NE、NW 分量异常效能检验

3 高台钻孔应变响应地震分析

2019 年9 月16 日在张掖甘州区（38.52°N、100.27°E） 发生5.0 级地震，震中位置距高台钻孔应变仅101km，认为此次地震对应了高台钻孔应变的破年变异常。根据邱泽华[4]提出判断异常变化是否与地震有关，除了判断“是否有正常背景”与“是否为非干扰影响”外，还要同时分析震前、震时和震后观测数据的变化。

5.0 级地震震前高台钻孔应变变化显示，2019 年5 月高台钻孔应变NE、NW 分量相较往年，压缩状态转拉张状态时间点滞后1.7 个月，且NE 分量拉张速率明显较快，9 月初开始减缓，9 月16 日发生甘州5.0 级地震（图2）。

震时高台钻孔应变变化显示，记录到了同震效应，9 月16 日当天晚上20 时48 分，四分量钻孔应变同步出现阶变，突跳持续5 分钟结束，地震发生时间为20 时48 分，如图9 所示，出现阶变的起始时间和地震波的到达时间一致，同青海地区钻孔应变的同震响应变化相似[8]。根据张才剑等[9]的研究成果认为同震响应持续时间与震中距、震级大小有关，高台钻孔应变以往记录同震响应存在震中距越远，震级越大，持续时间越长的特点，甘州5.0 级地震距离高台钻孔应变观测点101km，因为距离较近，因此记录同震初始时间与发震时间一致，而持续时间短。

图9 甘州5.0 级地震时高台钻孔应变同震效应（2019年9 月16 日）Fig.9 Coseismic effects of Gaotai borehole strain in the magnitude 5.0 of Ganzhou earthquake

震后高台钻孔应变变化显示，地震发生后于9 月底NE、NW 分量与其它两个NS、EW 分量同步出现上升速率转平，随后转折下降的变化，与往年年变形态相同，且下降速率一致。由此认为地震后，高台钻孔应变已基本恢复年变形态，但由于震前破年变变化导致2019 年极值偏低，从2013 至2019 年的极值差对比来看，尽管2019 年极值偏低，但最大值和最小值的差值与往年变化水平基本一致，2020 年1 月数据变化与往年相同，因此认为震后钻孔应变变化速率和形变已恢复，而5 月出现的破年变异常确实是甘州5.0 级地震的前兆异常。

对震前、震时及震后面应变相关性变化进行分析，池顺良[10]在一些研究中发现有些观测点的钻孔应变的面应变相关系数在震前、震时和震后会有逐渐下降再恢复的现象。孔向阳等[11]发现在鲁甸6.4 级地震前邻近的3 个地震台出现自洽性相关系数异常现象[11]。因此对高台钻孔应变四分量在地震不同阶段中面应变相关系数进行计算分析（表2），发现在甘州5.0 级地震前高台钻孔应变四分量自洽性相关系数为0.999853，临震相关系数为0.999199，震时相关系数为0.980306，震后至2020 年1 月31 日，高台钻孔应变面应变相关系数变为0.999799，确实存在震前相关系数逐渐下降，震后逐渐恢复的现象，进一步证明高台钻孔应变的破年变异常是甘州5.0 级地震的前兆异常。

表2 高台钻孔应变四分量的自洽性相关系数在地震过程中的变化

4 结论

高台钻孔应变NE、NW 分量自观测以来首次出现部分分量破年变的异常变化，通过现场核实、R 值检验、面应变相关系数分析进一步论证此次异常与甘州5.0 级地震之间的响应关系，并得到以下结论：

（1）通过现场对观测系统检查，认为高台钻孔应变仪器工作正常，周边农业灌溉用水、采石场等对观测数据并无明显干扰，由此排除降雨、水位、气温和气压等因素对四分量钻孔应变的影响；

（2）高台钻孔应变NE、NW 分量异常开始前及地震发生前的数据虽未通过R 值效能校验，未通过检验可能与台站干扰因素统计、预测范围选择、震例统计以及数据分析时段有关，但通过不同计算方法预测的优势发震时间与甘州5.0 级地震发震时间较为接近；

（3）甘州5.0 级地震震中位置位于高台钻孔应变观测点的NE 方向，发生异常的NE 分量以及主应力发生偏转方向都与发生地震震中方向基本一致；

（4）高台钻孔应变自震前到震时，四分量面应变相关系数逐渐下降，震时达最低，震后四分量面应变相关系数逐渐恢复至震前水平。

致谢：感谢江苏省地震局王维老师提供的“定点形变破年变异常自动识别”程序。感谢甘肃省地震局嘉峪关中心站闫勋提供高台钻孔应力应变曲线图件。