贵阳地震监测中心站钻孔应变观测长期变化分析

李 鹏，王 琳，方 相，李德友，陈国江

（1. 贵州省地震局，贵州 贵阳 550018；2. 营口地震台，辽宁 营口 115101）

0 引言

钻孔应变观测是获取构造活动异常变化信息，进行地球物理研究、地震预测预报的有效途径。2007 年贵阳地震监测中心站安装了钻孔应变观测设备。设备安装后，仪器运行稳定，观测数据连续、可靠，噪声水平低，内精度高。至今已积累10 多年的宝贵资料。分析贵阳地震监测中心站钻孔应变的长期变化情况及特征，探讨仅有的几个震例前是否存在异常，便于对贵阳地震监测中心站乃至于贵州省内其它地区开展地震地形变长期观测及震前异常现象分析研究提供借鉴，同时可用于对不同构造地震活动背景下区域形变观测对比分析提供有效的参考资料。

1 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测基本情况

贵阳地震监测中心站钻孔应变观测位于贵州省贵阳市北部，贵阳地震中心站院内，台基为第三纪白云质灰岩、白云岩，属三迭系地层，台址位于贵阳向斜的北东翼，其南面有一断层。因贵阳及周边区域历史地震活动相对较弱，有记载以来周边地区最大地震为1819 年9 月14 日发生在贵定县的M6.0地震，距离贵阳市约80公里。所以，贵阳地震监测中心站地球物理观测资料具有全国“背景场”的特殊地位。

贵阳地震监测中心站钻孔应变观测井始建于2007年，井深47 m，开口孔径150 mm，终孔孔径130 mm，钻孔岩芯为灰白色中风化白云岩，套管下到井下35 m 处，仪器探头安装在井下39 m 岩芯较完整处，仪器安装时井下最高水位距井口3 m，仪器为YRY-4 型分量式钻孔应变仪，于2007年11月4日正式开始观测记录。

YRY-4 型分量式钻孔应变仪是中国地震局地震研究所和鹤壁市防震技术研究所共同研制的张量式应变仪器，可同时测量体积和形状应变，能清楚观测到地壳的应变本底固体潮及应变地震波，可进行远程运行维护管理。仪器测量探头为长圆筒径向位移式仪器，由两两垂直、呈米字型四等分布置的四组径向测微传感器组成，测量输出“北—南”、“北东—西南”、“东—西”、“北西—东南”四方向四路数据，以及“气压”、“水位”两路辅助观测数据，共六路观测数据。其测值不但可以测定地应变量，还能通过两两相关关系进行可靠性自检。仪器规定传感器受压输出电信号向负方向变化，受张力则向正方向变化。

贵阳地震监测中心站钻孔应变仪自安装以来运行稳定，运行率保持在99%以上，测量精度高，相对噪声水平低，面应变较正后相关系数高达0.99（表1、表2），能有效观测记录地球应变固体潮、地震同震应变波和地应变变化情况。

表1 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测内精度一览表

表2 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据相对噪声一览表

2 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测长期变化情况

贵阳地震监测中心站钻孔应变观测在仪器安装首年即2008 年观测数据曲线呈缓慢张性趋势变化（以北南分量为例），仪器运行较不稳定，经过一年的仪器自适应和调整后，该套仪器（传感器）与站点地下岩层结构实现完全耦合，达到共生变化状态，2009—2018 年数据曲线转为缓慢下降趋势变化，数据曲线变化总体稳定（图1），变化幅度不大，但短时幅度和趋势在不同年份又有具体的不同特点，其中2012—2014 年度整体变化幅度较大，观测曲线年内多次出现起伏—转折—恢复的过程（图2）。贵阳站钻孔应变观测数据长期稳定变化，表明贵阳及周边区域地应力活动水平较弱，真实反映了区域地质构造应力应变活动的基本情况和地震活动水平，具备区域形变资料对比观测研究的背景场作用。

图1 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据北南分量日均值曲线图（2008—2018年）Fig.1 Daily mean value curve of borehole strain observation datafromGuiyangEarthquakeMonitoringCenter（2008—2018）

图2 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据北南分量日均值曲线图（分年度绘图）Fig.2 Daily mean value curve of borehole strain observation data from Guiyang Geoseismic Monitoring Central Station（plotted by year）

3 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测异常分析

3.1 去线性趋势分析

将贵阳地震监测中心站钻孔应变原始观测数据曲线进行线性拟合，整体上可拟合为一条下降的直线（图3 虚线），其线性速率平稳，改变不大。

图3 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据北南分量拟合直线和去趋势曲线图Fig.3 Fitting lines and detrending curves of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

该数据经过去线性趋势处理后，展示出来剩余的非线性动态信息速率发生过4 次转折变化，具体表现为张性—平稳—张性—压性—压性形态，其趋势在第3 次速率改变时发生转折。分析期内贵州省内共发生M4.7 以上破坏性地震3 次（表3），第1 次威宁M4.7 地震发生在速率转折时间点附近，后面两次云贵交界云南彝良M5.7和剑河M5.5地震均发生在趋势转折变化后1.5年内（图3）。说明贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据曲线的趋势转折变化对区域中强以上地震的孕育发生具有一定的指示意义。

表3 贵州省中强地震目录（2008—2018年）

3.2 差分分析

通过对贵阳地震监测中心站钻孔应变北南分量数据进行差分分析，如图4 所示，差分分析结果图的主轴表现为一条近似水平线，说明该数据呈线性平稳变化，如果以数据的2 倍均方差为阈值，数据出现4 次明显超阈值突跳（尖峰）。结合贵州区域的震例分析，除第4 次外，这一时期内贵州3 次M4.7 以上地震均发生在尖峰突跳后12 个月内。说明贵阳站钻孔应变观测数据日变化差分值出现较大幅度变化后，贵州区域有发生4 级以上地震的可能。由于震例较少，震前效应不突出，并不是所有数据突跳或尖峰后都有中强以上地震发生。

图4 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据北南分量原始曲线和差分数据图Fig.4 Original curves and difference data of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

3.3 潮汐因子分析

通过潮汐因子变化分析可以有效的提取钻孔观测资料的有效地震异常信息。贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据M2波潮汐因子变化以曲线首段波动为基准（图5），其变化趋势大致呈现压性—张性—压性3个时段。第1时段出现超2 倍均方差尖峰1 个，第2 时段无尖峰，第3 时段尖峰超过10 个，对应现有震例，分析这一时期内贵州区域3 次M4.7 以上地震均发生在尖峰出现后12 个月内，当然并非所有尖峰结束后都有中强以上地震发生。

图5 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据北南分量M2波和01波潮汐因子变化图Fig.5 Tidal factor variation of M2 wave and 01 wave in the borehole strain observation data of Guiyang Seismic Monitoring Central Station

应变01 波潮汐因子变化图仍以首段波动为基准，趋势变化大致为压性—张性—压性—张性的趋势过程。其中第1段出现超2倍均方差尖峰2 个，第2 段3 个，第3 段1 个，第4 段2 个。研究期内贵州中强地震均发生在尖峰附近，其中前2 次地震均发生在尖峰出现12 个月内，第3次地震则发生在尖峰出现前的3个月内，也并非全部尖峰附近都有中强以上地震发生。

通过分析贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据潮汐因子变化曲线，结果表明：M2波和01 波图形尖峰及转折变化有各自的特点，贵州省内中强地震与尖峰出现有一定的关系，显著尖峰后有发生地震的可能。由于历史震例较少，未能明确尖峰的数量、幅度及转折变化与地震时间及地震大小之间的关系。

3.4 年频段和其他频段归一化平均幅度分析

贵阳地震监测中心站年频段归一化平均幅度曲线经历了压性—张性—压性—张性四段变化过程（图6），同期贵州省内3 次中强地震均位于0 值幅度水平线和年频段归一化平均幅度曲线的交点附近，即每一个趋势段的中部或转折点附近。

图6 贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据北南分量年频段和其他频段归一化平均幅度图Fig.6 Normalized average amplitude of annual frequency band and other frequency band of borehole strain observation data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

其他频段归一化平均幅度曲线则区别较大，在2012 年、2013 年、2014 年的5 月份前后均出现超2倍均方差阀值显著突跳，同期贵州区域3次中强以上地震均发生在向上突跳结束后的三个月内，2 次M5.0 以上地震则发生在显著超阀值突跳后，此异常变化对地震的指示意义非常明显。

相比较而言，贵阳地震监测中心站钻孔应变其他频段归一化平均幅度曲线更利于异常的判断和提取。当然，我们也必须清醒地认识到，不是所有的曲线突跳变化后都有地震对应。

3.5 矢量变化分析

图7 是贵阳地震监测中心站钻孔应变北南—东西和北南—北东分量从2008 至2018 年11 年间的矢量变化情况。北南—东西向矢量图2008 年1 月从起点向北东方向变化，2009 年1月起发生约180度转折，矢量向东南持续了7个月之后，8 月23 日转为朝南西方向加速变化，一个月后发生2009 年威宁M4.7 地震。此后至2018 年均大体保持同方向变化，其间穿插几次幅度不大的转折—恢复过程。在2012 年滇黔交界M5.9 地震前矢量图再次发生小幅度转折，2015年剑河M5.5地震发生前后矢量图上均出现明显转折，之后恢复正常趋势变化，至2018 年除2 次非常小幅度转折变化外，未见其它明显异常情况。从北南—北东向矢量图可以看出，2009 年威宁M4.7 地震、2012 年滇黔交界M5.9地震、2015年剑河M5.5地震三次地震前的矢量图中均出现转折变化，转折幅度有明显差异，其中剑河地震前最为明显，震前出现明显180度转折，转折后发生M5.5 地震。矢量图表明研究期内贵州3 次中强以上地震活动均发生在矢量图转折后，但不是每次转折发生后均有地震对应，且矢量图曲线转折幅度与地震大小、震中距，应变矢量方向与台站和震中位置无法建立对应关系。

图7 贵阳地震监测中心站钻孔应变数据北南—东西和北南—北东向矢量图Fig.7 NS-EW and NS-NE vector diagrams of borehole strain data from Guiyang Earthquake Monitoring Central Station

4 结论

（1）贵阳地震监测中心站钻孔应变观测已连续观测十余年，仪器运行稳定，观测数据内精度高。观测曲线呈逐年下降平稳趋势变化，变化幅度不大，表明贵阳及周边区域地应力活动水平一般，强度不高，与区域地震活动水平相呼应。

（2）2008—2018年贵州省内共发生M3.0以上地震43 次，其中M4.7 以上地震3 次，地震活动整体呈现西部强，中部较弱，东部弱的特点。但2015年贵州剑河M5.5地震发生在非历史地震活跃区或者说该地震震级突破该地区历史记录。

（3）通过对贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据去趋势、差分、潮汐因子等分析结果显示，2008—2018 年11 年间贵州省内M4.7 以上中强地震活动前数月内，贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据均出现曲线转折、尖峰突跳等异常现象。其中，曲线趋势转折、差分尖峰等变化对地震预报分析具有一定的指示意义。同时，需要注意的是并非所有异常现象之后都有中强以上地震活动对应。

（4）应持续跟踪关注贵阳地震监测中心站钻孔应变观测数据曲线变化、异常情况，争取长期稳定连续观测，获取可靠观测数据，利用更多可能震例开展异常跟踪研究。

（5）在条件允许情况下，应对贵州省内重点区域，断裂带附近，布设更多形变观测站点形成条带，加强贵州地球物理观测网络建设，获取更多有价值地震研究资料。