武都分量鉆孔應變在汶川MS8.0級地震前的異常變化分析1

蒲小武1) 陳 征2) 高 原1) 李 濤2)蘇永剛1) 劉 瓔1) 許可娟1)

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武都分量鉆孔應變在汶川8.0級地震前的異常變化分析

蒲小武陳 征高 原李 濤蘇永剛劉 瓔許可娟

1）甘肅省地震局隴南中心臺，隴南746000 2）中國地震局地殼應力研究所，北京100085

通過對武都應變臺多年應變資料的處理分析后發現，在汶川8.0級地震發生前，武都臺應變有顯著的前兆異常變化，它與昆侖山口西8.1級地震前出現的異常有很高的相似度。昆侖山口西地震和汶川地震前都有“a-b-g”形變階段，在不同的前兆異常階段，異常形態有明顯的差異，而且各具特點。尤其在b階段，EW道、面應變、差應變的異常變化（中期異常）都出現在震前2—3年，持續時間約1年多，而且異常都非常顯著。本文詳細分析了武都臺應變在各個階段的前兆異常變化特征，并就其原因進行了初步分析。

鉆孔應變 面應變 差應變 應變主方向 前兆異常

引言

當今的地震成因理論認為：地震是地應力、應變積累到一定程度，使斷層失穩滑動而發生的。據此理論，如果能直接測得孕震區應力、應變的震前變化信息，那么無論地震能否成功預報，這對地震預報實踐而言都具有極其重要的現實意義。由于鉆孔應力-應變方法是通過測量鉆孔孔徑變化，來直接或間接地測量地殼應力-應變狀態的相對變化，因而在理論上位于孕震區的應力（應變）觀測儀器可以觀測到與地震的孕育、發生直接相關的應力-應變信息。由于所測信息與地震的孕育、發生直接相關，這就使得鉆孔應力-應變方法在地震監測預報中有著非常獨特的優勢。而近年來，在美國啟動的“板塊邊界觀測（PB0）”項目中，鉆孔應力-應變測量與測震、GPS和InSAR并列，受到了前所未有的重視（邱澤華等，2004）。我國是最早開始進行鉆孔應力-應變觀測的國家之一，1966年在李四光先生的倡導下，使用鉆孔應力-應變觀測資料進行了地震預報嘗試。經過近50年的發展，鉆孔應力-應變觀測在理論和技術上日臻完善。在地震預報方面，使用鉆孔應力-應變方法預報地震積累了豐富的經驗，使這一觀測手段成為有效進行地震預報的方法之一（蘇愷之，1982；1985；王啟民等，1983；歐陽祖熙等，1988；池順良，1993；邱澤華等，2002）。

2008年汶川大地震是新中國成立以來國內破壞性最強、波及范圍最廣、總傷亡人數最多的地震之一。汶川地震發生后，對于地震有無前兆以及能否預報的問題再一次引起了整個社會的普遍關注，也引起了地震學界的深刻反思和總結。據有關地震形變專家的總結，在汶川震中一帶沒有鉆孔應力（應變）觀測點，在毗鄰震源區的姑咱形變臺（距震中約130km），鉆孔應變分鐘值資料在震前1年多開始出現逐漸增強的短周期（數分鐘到數小時）異常變化，變化雖然細微，但是很清晰（邱澤華等，2009）。武都應變臺距離汶川震中約300km，毗鄰川西高原龍門山斷裂帶以西的主要變形區（張培震等，2009），汶川地震前分量式壓容應變儀出現了明顯的異常變化，有顯著的階段性異常變化特征。

1 武都應變臺所處構造及基本情況

武都應變臺坐落于甘肅省隴南市武都區兩水鎮前村，處在與華南、巴顏喀拉、柴達木、鄂爾多斯等地塊相毗鄰的甘青地塊上（張培震等，2003）（見圖1）。臺站所處區域內分布有武都弧形構造帶，東西向構造帶，北北東向及北西向構造帶，位于多組構造交匯、復合部位，易于應力集中，是一個應力敏感點。

武都應變臺井孔巖性為灰巖，巖石堅硬完整，孔內有裂隙水，水位年變幅度2—3m。1992年武都應變臺安裝了RZB-II型高精度壓容應變儀，精度達10。探頭放置在距離地面86m的深井中，應變探頭元件分別安置在EW、N45°E、NS、N45°W等4個水平方位上（圖2）。壓容應變儀自觀測以來，至今已記錄到多次震前異常，并根據資料出現的異常變化（高原等，1999；2003）較成功地預報了1999年2月寧夏同心4.7級地震、1999年4月甘肅文縣梨坪4.7級地震和1999年9月青海河南5.1級地震。

2 干擾因素分析及水位干擾的剔除方法

鉆孔應變干擾因素主要有氣溫、氣壓、水位等（鄭江蓉等，2011）。由于武都應變臺鉆孔應變探頭都處于80m以下的深部，在恒溫層以下，氣溫變化對探頭所處位置巖體的溫度影響很小，巖體熱脹冷縮引起的應變變化可以忽略。同時由于武都應變臺臺基巖性為堅硬完整的灰巖，對于堅硬完整的巖體，氣壓變化雖然對應變測值有影響，但引起的應變變化比較小。

武都應變臺處于白龍江河谷地帶，年水位變化達2—3m，因此水位變化是最主要的干擾因素。根據蒲小武等（2013）的方法，應變測值中的水位干擾可有效剔除，其方法為：

由胡克定律及水中壓強公式聯立方程可得如下公式：

式中，稱之為應變響應靈敏度系數。

由式（2）可知，實測水位值和值可以對實測應變值進行校正：

根據式（3），首先對1999—2008年應變數據進行水位干擾剔除。

3 最大主應變方向的變化特征

當應變觀測分量不少于3個時，可根據以下公式求解測區水平相對應變場參數（葛麗明等，1991）：

式中，、、分別為EW、NE、NS道元件觀測值；為逆時針為序的第一號元件方位與正北方向的夾角。

在應變主方向計算式中，本文只用了2000—2008年的1、2、3號元件數據進行了計算。

根據武都應變臺鉆孔應變資料計算的2000—2008年最大應變主方向的變化形態，可劃分為以下3個階段（見圖3）。

第Ⅰ階段：自2000年起至2003年5月底，最大應變主方向逐漸由NWW-SEE方向往NW-SE方向偏轉。在該階段發生了昆侖山口西8.1級地震，震前應變主方向變化較快，震后變化趨緩。

第Ⅱ階段：自2003年6月初至2005年4月中旬，最大應變主方向相對第Ⅰ階段出現了轉折性變化，但總體變化幅度較小，基本保持在NW-SE方向。2004年12月26日印尼8.7級地震前50多天，應變主方向出現了持續約20天的起伏變化。

第Ⅲ階段：開始于印尼8.5級地震后約1個月，應變主方向偏轉了約20°，并持續由NW-SE方向往NWW-SEE方向偏轉，2006年10月底以前變化較快，隨后變化趨緩，汶川地震前一定時段內應變主方向保持穩定。

2000—2008年應變主方向在NW-SE方向至NWW-SEE方向變化（見圖3（a）、（b）、（c））。由胡克定律可知，在小形變條件下，最大應變主方向就代表了最大主應力場的方向，這表明武都測區最大主應力場的方向也在NW-SE方向至NWW-SEE方向變化。

4 昆侖山口西8.1級地震前武都應變前兆異常變化特征

4.1 關于面應變及差應變的概念介紹

當幾個受力元件受到巖石應力作用時，每個元件的應變測值S應符合如下關系式（蘇愷之等，1985）：

式中，A為第號元件對的靈敏系數；B為第號元件對的靈敏系數；為主應變之和，即面應變；為主應變之差（兩倍最大差應變）；為主應變方向與號元件之間的夾角。

====時，有：

+=+=2(+) （7）

-=2(-)cos2（8）

式（7）可以說明1號與3號應變測值之和等于2號與4號應變測值之和，其變化值只與面應變有關。式（8）則表明1號與3號應變測值之差（或者2號與4號應變測值之差）只與最大差應變有關。

4.2 昆侖山口地震應變前兆異常變化特征

自然界存在著形變（應變）逐漸積累→突然釋放（地震）→逐漸積累→突然釋放（地震）…的過程，地震學稱之為“地震循回”，對應的形變稱之為“形變循回”。地震科學家將地震地形變隨時間的演化過程歸納為“a-b-g-d-a”諸階段?！癮”表示“震間形變”；“b”、“b”、“g”表示“震前形變”；“g”表示“同震形變”；“d”表示“震后形變”（中國地震局監測預報司，2008）。

（1）震間應變階段（a）：該階段屬于無震變化時段，也即正常形變階段。該階段EW道、NW道、面應變、差應變既沒有趨勢型上升、下降型變化，也沒有波動型變化，測值穩定。

（2）中期異常階段（b）：震前約2.5年，EW道、NW道、面應變、差應變出現了同步快速下降變化（見圖4（a）），約持續1.3年，表明壓應力持續增強，最大、最小主壓應力差也逐漸增大。

（3）中短期異常階段（b）：EW道呈小幅起伏波動變化，沒有趨勢變化形態。NW道、面應變由b階段大幅度下降（受壓）發生了轉折變化，出現緩慢上升變化（受張），總體變幅較小。

（4）臨震異常階段（g）：NW道在震前40多天出現了快速上升變化（受張），變化幅度達到了270×10應變量。

根據武都應變臺資料的異常變化，在昆侖山地震發生的前一周，高原等（2003）作出了短臨預報。

5 汶川8.0級地震前武都臺應變前兆異常變化特征

5.1 震間應變階段（a）特征（2004年1月—2005年3月）

EW道、NW道、面應變、差應變沒有趨勢性變化，測值比較穩定。最大主應力場方向為NW-SE方向附近，沒有較大變化。2004年12月26日印尼8.7級地震發生的前2月，EW道“快速下降—急劇上升”呈明顯的“V”字形變化，變化幅度達310×10應變量，變化顯著。面應變和差應變也出現了與EW道同步的“V”字形變化。在印尼8.5級地震發生后的約1個月時間內，6天內EW道、NW道、面應變、差應變出現了同步大幅度急劇下降變化，也即壓應力急劇增加，其中EW道、NW道變幅分別為305×10和120×10（見圖4（b））。在這一階段，雖受印尼2次地震影響，測值有起伏，但總體變化平穩。

5.2 中期異常階段（b）特征（2005年4月—2006年10月）

印尼8.5級地震發生后的1個月，EW道、面應變、差應變出現了連續大幅度的下降變化，EW道變幅分別達到2075×10。這表明在此時段壓應力急速增強，應變能快速積累。應變主方向在印尼8.5級地震發生后，由NW-SE向快速跳轉至NWW-SEE向，并持續快速地向EW向偏轉，角度偏轉了約20°。

該階段前兆異常發生在汶川地震前的3年內，持續時間約1.5年，以EW道、面應變、差應變的顯著增加為主要特點，這表明在該階段區域應力場有了顯著增強，主壓應力快速增加。

5.3 中短期異常階段（b）特征（2006年10月—2008年4月）

EW道、面應變、差應變在該階段出現非常相似的張—壓交替變化形態，與b階段的變化相比有明顯的不同（圖5）。NW道在該階段出現連續大幅度下降變化，變化幅度達1210×10，這表明在NW方向壓應力持續增強。應變主方向在2006年10月底至2007年4月初變化不顯著，自2007年4月初至9月中下旬，應變主方向自NWW-SEE向EW方向快速偏轉，變化幅度達到7°。

5.4 臨震異常階段（g）及同震變化（g）特征（2008年4月—發震）

EW道于2008年4月5日14時起出現快速上升變化，至4月10日14時累積增加了142×10應變量，其后測值出現小幅下降—回升的波動型變化。汶川地震發生后，測值同步下降了105×10應變量，回跳到了4月5日前的水平。NE道2008年5月1日起出現了2次臺階式上升變化，測值累積達98×10應變量，汶川地震發生后的1小時，測值出現70×10應變量的同震階降，之后測值又回歸到了5月1日前的水平。NS道2008年4月9日5時至4月10日18時，出現了52×10應變量的連續升高型變化，此后測值波動下降后又快速回升，汶川地震的發生造成了76×10應變量的同震階升變化。NW道2008年4月24日、5月1日出現2次大幅度下降型突跳變化，分別達到了103×10和146×10應變量。

6 結論與討論

判斷一個地震臺站應變資料出現的異常變化是否是地震前兆異常，需要判斷這些異常是否滿足地震前兆的3個必要判據：①有正常背景；②非干擾影響；③與地震相關（邱澤華，2010）。武都應變臺的最大干擾因素為水位，在本文中水位干擾因素已經基本被剔除，在汶川地震發生前出現的異常變化可以排除各種干擾因素的影響。汶川地震發生前有震間應變階段（a），也即正常背景變化狀態；同時震前有b、g階段的前兆異常變化，滿足地震前兆的3個必要判據，地震前兆異常是可信的。

由實測應變資料計算的應變主方向在NW-SE向和NWW-SEE向間變化，揭示了最大主應力場方向在此方向變化，最接近此方向的EW道、NW道應變測值，在昆侖山口西地震和汶川地震前變化最為顯著。

在昆侖山口西地震和汶川地震前都有“a-b-g”形變階段，數據曲線形態有一定的相似性。尤其在b階段，EW道、面應變、差應變的異常變化（中期異常）都出現在震前2—3年，同時也都持續了約1年多，異常都非常顯著。

武都應變臺距離汶川地震震中約300km，為何會出現如此明顯的震前異常？根據汶川地震前的形變觀測，整個龍門山斷裂帶的應變速率很低，變形主要發生在龍門山斷裂帶以西的川西高原（高原等，2003），而武都應變臺毗鄰川西高原，因而應變異常顯著。根據武都應變臺所測應變資料計算的應變主方向，2000—2008年基本在NWW-SEE方向和NW-SE方向之間變化，這與GPS測量結果基本一致（楊國華等，2012）。

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Component Borehole Strain Changes at Wudu Station Before the Wenchuan 8.0 Earthquake Analysis

Pu Xiaowu, Chen Zheng, Gao Yuan, Li Tao, Su Yonggang, Liu Yingand Xu Kejuan

1) Wudu Seismic Station, Earthquake Administration of Gansu Province, Longnan 746000, China 2) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration，Beijing 100085, China

Through analyzing strain monitoring data from Wudu station, the significant anomaly was found before the Wenchuan 8.0 earthquake, and such anomaly is very similar with the phenomena before the Kunlun mountain 8.1 earthquake. There existed a "α-β-γ" pattern of deformation stages before both Kunlun earthquake and Wenchuan earthquake. At the different stages of precursory anomalies, abnormal shape is significantly different, especially in thebstage, during which the EW channel, plane strain, differential strain changes (interim) before 2 to 3 years, lasting for about 1 year. At different stages, precursory anomalies have remarkable difference. In this article we analyzed the monitoring data from Wudu station to characterize the strain precursory anomaly for each stage, and discussed the possible causes and mechanism between the anomalies and occurrence of the earthquakes.

Borehole strain; Plane strain; Differential strain; The strain of main direction; Anomalies

1基金項目“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAK19B03）和中央級公益性科研院所基本科研業務專項基金資助項目（ZDJ 2011-03，ZDJ 2013-06，ZDJ 2013-07）及地震行業專項（201408006）聯合資助

2013-08-28

蒲小武，男，生于1976年。高級工程師。主要從事地形變及地下流體觀測工作。E-mail: wdpuxw@163.com

蒲小武，陳征，高原，李濤，蘇永剛，劉瓔，許可娟，2014．武都分量鉆孔應變在汶川8.0級地震前的異常變化分析. 震災防御技術，9（1）：133—141.