川滇地區鉆孔四分量應變儀記錄的同震應變階分析1

唐 磊 荊 燕

（中國地震局地殼應力研究所（地殼動力學重點實驗室），北京 100085）

引言

地震發生時，鉆孔應變儀會記錄到同震變化，震級越大，同震變化越明顯，且在觀測曲線上可能會產生一種明顯的階躍變化，此種階躍變化即為同震應變階。對于同震應變階的研究，國內外相對較少。邱澤華等（2004；2005；2006；2007）首先用體應變資料記錄的同震應變階，研究了昆侖山MS8.1級地震和蘇門答臘MS8.7級地震引起的同震應力觸發斷層活動；唐磊等（2011）利用中國鉆孔應變臺網中93個臺站的觀測數據記錄的同震應變階，試分析了中國大陸主要活動斷裂可能受到日本 MS9.0級地震的影響程度。以上研究僅對單個地震引起的某個區域的同震應變階進行了分析，缺乏對距離較近的2個或2個以上大地震的對比分析。

在中國大陸四川省境內的龍門山斷裂帶區域，2008年5月12日發生了汶川MS8.0級地震，2013年4月20日又發生了蘆山MS7.0級地震，汶川地震發生在龍門山斷裂帶的中北段，蘆山地震發生在南西段，2次地震主震區相距約87km。在該地區發生的距離較近的2次強烈地震，為對比分析同震應變階提供了例證。在中國鉆孔應變臺網中，川滇地區共有6個臺站安裝YRY-4型鉆孔分量應變儀，它們分別是：四川仁和臺、小廟臺、姑咱臺、金河臺和云南永勝臺、昭通臺，這些儀器自2008年1月開始運行，觀測連續、數據質量較好，且均記錄到了汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震變化。本文主要通過對比這2次地震6個臺站記錄的同震應變階，分析與理論上的差別，探討同震應變階的可靠性及影響因素，以及利用同震應變階進行地震研究時存在的問題。

1 觀測資料可靠性

分析鉆孔應變儀記錄的同震應變階，首先要保證資料真實、可靠。在中國鉆孔應變臺網中，YRY-4型鉆孔分量應變儀的觀測采樣率為每分鐘記錄1個數據，分辨率達到10-10。根據“鉆孔加襯模型”及 YRY-4型鉆孔分量應變儀器特性，4個觀測元件按順時針排列，依次間隔45°。這里，產出的數據序列依次記為s1、s2、s3、s4，其中s1和s3、s2及s4的元件方向互相垂直，理論上：

式中，s13、s24表示4個元件計算的兩組面應變。

對于觀測較好的臺站，兩組面應變的曲線形態近似，相關性較好，但不滿足公式（3）的相等性，一般應對四分量鉆孔應變觀測數據進行實地相對標定（邱澤華等，2004）。根據實地相對標定方法，每套儀器4個元件觀測數據的校正系數越接近1，表明觀測數據越滿足公式（3），說明該儀器的觀測數據越滿足四分量應變觀測的自檢關系，即觀測數據可靠性越高。表1為利用川滇地區6個臺站的鉆孔應變儀記錄的整點值數據，計算2008年1月1日—2013年3月31日的每月相應4個元件的相對校正系數，取均值得到的結果。從表1可看出，除金河臺第4分量、昭通臺第2和3分量偏離1相對較大外，其他的相對校正系數都非常接近1，說明6個臺站的鉆孔應變觀測數據滿足自檢，觀測數據可靠性較高。

表1 相對校正系數Table 1 The relative correction factor

以姑咱臺為例，圖1為姑咱臺2013年3月鉆孔應變觀測曲線，（a）為4個分量記錄的觀測曲線；（b）為面應變原始觀測曲線s13和s24；（c）為經過相對校正后的面應變觀測曲線S13和 S24（S13=k1×s1+k3×s3；S24=k2×s2+k4×s4）。從圖 1 可知，4 個分量的觀測曲線固體潮清晰，說明觀測質量較好；原始面應變觀測曲線s13和s24形態一致，相關性較好，但不滿足公式（3）的相等性；經過相對校正后的面應變S13和S24，不但趨勢變化一致，而且觀測曲線幾乎重合到一起，說明面應變S13和S24近似滿足公式（3）的相等性，達到理想效果。

圖1 姑咱臺記錄的2013年3月觀測曲線Fig. 1 The observed data in March 2013 at Guza station

2 同震應變階

一般而言，鉆孔應變儀記錄的同震變化主要表現為兩種方式：一是應變階明顯，如圖 2（a）所示，L表示同震應變階，對于像圖2（a）一樣階躍變化明顯的曲線，可以直接讀出變化量，對分析精度的影響不大；二是應變階不明顯，如圖2（b）所示，地震前后曲線趨勢沒有明顯變化，這里應變階計為零，此種觀測現象可能是地震對臺站及周圍的應變場變化影響不大，也可能因為臺站周圍構造運動不活躍，無法觸發周圍的構造活動。對于YRY-4型分量應變儀，當L>0時，表示為張性變化；當L<0時，表示為壓性變化。另外，上述提到根據分量鉆孔應變的觀測原理，理論上s13=s24，那么大地震產生的應變階是否會滿足此條件？下面將以川滇地區鉆孔應變觀測記錄的應變階結果為例進行探討分析。

圖2 同震變化曲線Fig. 2 The Coseismic variation curve

川滇地區的6個鉆孔分量應變臺站，均記錄到了汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震變化，除仁和臺未記錄到蘆山地震的應變階外，其他均記錄到了同震應邊階。表1為統計的 2次地震6個臺站各分量記錄的同震應變階（d1、d2、d3、d4）、面應變的應變階（d13=d1+d3、d24=d2+d4）及經過相對校正后的面應變的應變階（D13=k1×d1+k3×d3；D24=k2×d2+k4×d4）。為了減小校正系數多年變化的誤差，表2中的相對校正系數分別為2次地震前12個月的校正系數的均值，所以略有差別。圖3—圖6為小廟臺分量應變儀記錄的汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震觀測曲線，兩組面應變的原始觀測曲線和經過相對校正后的面應變觀測曲線。綜合表2、圖3—圖6可以得到如下結論：

（1）6個臺站4個分量的同震應變階大小變化及張壓性變化無明顯規律。

（2）對于無震時的觀測時間序列，s13和 s24形態近似，張壓性變化一致，且校正后滿足S13=S24（圖1）；但對于兩組面應變的同震應變階，經過相對校正后仍不滿足D13=D24（圖4、圖6），說明實地相對標定不適用于同震應變變化。

（3）6個臺站記錄的汶川MS8.0級地震面應變的同震應變階，其中3個張壓性變化一致，3個不一致；蘆山MS7.0級地震的5個張壓性變化一致，1個差別較小；此種現象可能和地震震級有關，說明地震震級越大，兩組面應變的同震應變階差別越大，此時鉆孔分量應變觀測可能已不符合“鉆孔加襯模型”。另外，也有可能和儀器自身的特性、臺站所處斷層環境、臺站與震中的距離、元件的方位角等有關。

表2 汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震引起的同震應變階Table 2 Coseismic strain steps caused by Wenchuan MS8.0 and Lushan MS7.0

續表

圖3 小廟臺鉆孔應變記錄的汶川MS8.0級地震的同震變化Fig. 3 Coseismic changes observed in Wenchuan MS8.0 by borehole strain at Xiaomiao station

圖4 小廟臺鉆孔應變記錄的汶川MS8.0級地震面應變同震變化曲線Fig. 4 Coseismic variation curve of plane strain caused by Wenchuan MS8.0

圖5 小廟臺鉆孔應變記錄的蘆山MS7.0級地震的同震變化曲線Fig. 5 Coseismic changes observed in Lushan MS7.0 by borehole strain at Xiaomiao station

圖6 小廟臺鉆孔應變記錄的蘆山MS7.0級地震面應變同震變化Fig. 6 Coseismic variation curve of plane strain caused by Lushan MS7.0

3 結論與討論

（1）川滇地區6個鉆孔應變儀記錄的汶川MS8.0級地震和蘆山MS7.0級地震的同震應變階不滿足四分量鉆孔應變觀測的自檢特性，同震應變階數據的可靠性還需進一步分析驗證。

（2）在這2次地震中，兩組面應變同震應變階張壓性的不同變化，可能和地震震級有關，震級越大，兩組面應變的同震應變階差別越大，此時鉆孔分量應變觀測可能已不符合“鉆孔加襯模型”；也有可能和儀器自身的特性、臺站所處斷層環境、臺站與震中的距離、元件的方位角等有關。

（3）上述分析表明，利用鉆孔分量應變儀觀測的同震應變階進行地震、同震應力觸發斷層活動等相關研究，還需對數據的可靠性做深入分析，否則可能會產生錯誤結果。

邱澤華，石耀霖，2004. 觀測應變階在地震應力觸發研究中的應用. 地震學報，26（5）：481—488.

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