祁連山地震構造帶沙層應力儀觀測記錄與地震活動初步分析*

程建武，郭雪蓮，董治平，鄭衛平

0 引言

2000年以來，中國大陸發生了多次7級以上大震，造成了重大的人員傷亡和財產損失，尤其是2008年汶川8.0級地震造成的損失極為慘重。面對嚴重的地震災害，公眾對地震預測預報提出了更高的要求，社會對地震研究的需求也越來越迫切。目前沙層應力儀作為監測地震前兆信息的觀測手段，已獲得了有一定參考價值的資料和數據。

沙層應力儀的深入研究和進一步改進，提高了儀器數據采集的自動化程度，對儀器測量信號和響應等進行了標定，戶外實驗探測到的信息與實際地震前兆信息十分相近 (Lu et al，2011);用沙層應力儀捕捉到實際臨震前兆信息，初步得到與地震發生相關聯的前兆信息 (王玉瑩等，2003;孫威，2007;孫威，孫曉明，2008;武安緒等，2009a)。陳健等 (2011)利用河北懷來臺和安徽合肥臺的沙層應力記錄特征進行了分析，認為因為儀器特征和顆粒特性，沙層應變觀測結果和一般的形變觀測存在較大的區別。沙層應力觀測不到固體潮，也沒有明確的日變規律，其記錄受溫度變化影響較大。但由于每個儀器臺站所處環境的特殊性，其記錄亦有個性特征。

祁連山地震構造帶位于青藏高原東北緣，其東段的海原斷裂與牛首山、香山—天景山、六盤山和隴縣—寶雞等活動斷裂帶共同組成青藏高原東北緣NE向的弧形斷裂系。該斷裂帶的大地構造位置屬于北祁連褶皺帶與河西走廊過渡帶的交接部位，自晚第四紀以來表現為整體活動性強，地震活動頻度高、強度大的特點 (劉百箎等，2008)，是一條強震活動帶，也是未來可能發生中強以上地震甚至大震的地區。本文分析了目前架設在該構造帶上的兩臺沙層應力記錄儀的沙層記錄的基本特征、并討論了觀測記錄與地震活動關系。

1 臺站和沙層應力資料的基本情況

2008年汶川8.0級地震后，中國地震局于2008年的8月和9月分別在蘭州觀象臺和嘉峪關中心臺各架設了一臺沙層應力記錄儀 (圖1)，目前已經積累了近3年的觀測資料。沙層應力記錄儀放置在人工開挖的沙坑中，儀器記錄的是土層圍壓對沙層作用后的結果，該儀器的發明初衷就是捕捉地震前的短臨信息。

1.1 臺站簡介

蘭州觀象臺位于蘭州市區北側，其附近有北西西向的金城關斷裂通過，該斷裂長約25 km，走向N50°～ 60°W，傾向 SW(何文貴等，2008)。王志林和李百祥 (2006)據重力場特征分析，推斷金城關斷裂在深部為向北傾的逆斷裂，根據蘭州市地震活斷層探測的最新結果，為中更新世晚期活動斷層 (袁道陽等，2008)。

嘉峪關臺位于嘉峪關市附近，其附近有北北西向的嘉峪關斷裂通過，嘉峪關斷層是河西走廊盆地內部的一條重要斷層，走向NNW向，晚第四紀以來新活動特征以擠壓逆沖為主兼具右旋走滑，斷層全新世有古地震活動，為一條晚更新世—全新世活動斷層 (何文貴等，2010)。

蘭州觀象臺和嘉峪關的沙層應力儀觀測資料共有5個測項，有NS、EW道，斷層道和地面振動測量道，表層測溫等輔助測項。

沙層應力儀記錄的是土層中的應力勢的變化，表現為記錄為電信號變化，單位為mV，根據已有的研究，該儀器的有效監測范圍經驗值:5級－100 km，6級 －200 km，7級 －500 km，8級－1 000 km，9級－3 500 km以上 (孫威，2007)。

1.2 沙層應力資料的基本特征

沙層應變觀測和傳統的形變觀測不同。目前已有的形變觀測是在巖石里，應力作用是建立在彈性力學基礎上的，而沙層應變觀測是在細沙里，是顆粒之間的相互作用，外界應力作用于沙層后，在沙層中產生的力鏈作用于記錄儀器的結果 (陸坤權等，2011)。這種作用也有別于水位觀測，顆粒狀態并不是完全流動的。整個顆粒系統是由力鏈支撐的，這種支撐一直處于非穩的狀態，因此沙層應變觀測在某種程度上是模擬地殼應力作用結果的非穩性。

中國科學院物理研究所對沙層應力傳感器進行了標定測試和室內外應用狀態下的模擬測試(Lu et al，2011)，證明傳感器對位移和振動敏感，直接位移靈敏度為納米級 (不加放大器)，有自組織能力，線性和非線性響應，能區分壓應力 (逆勢脈沖)和張應力 (順勢脈沖)，對電磁干擾和聲波干擾的影響不明顯 (陸坤權等，2011)。這些測試結果表明，儀器能真實反映微弱的地下活動，與物理機制關聯密切，可以直觀地顯示出地震前兆異常的線性過程、非穩狀態和地震發生前后的地殼應力狀態 (孫威，孫曉明，2008;武安緒等，2009b)。

沙層應變觀測是建立在沙層中觀測的，它具備力在顆粒介質中傳播的一些特性，有別于傳統意義的形變觀測，因此一般形變觀測的影響因素在沙層觀測上沒有體現。一般形變觀測能連續記錄一些因素的影響，而沙層應變更多的反應的是非穩變化，而本身的顆粒不緊密特性也決定了無法對氣壓、固體潮、降雨等做出響應。

圖1 青藏高原北部地區構造簡圖及臺站位置 (據劉百篪等 (2008);崔軍文等 (2006);袁道陽等 (2004)修編)Fig.1 Tectonic sketch of the northern Tibetan Plateau and the location of stations(modified by Liu et al(2008)，Cui et al(2006)，Yuan et al(2004))

2 沙層應力觀測記錄與強震關系分析

筆者分析了蘭州觀象臺和嘉峪關2個臺站的沙層應力觀測記錄特征，并討論沙層應力記錄與祁連山地震構造帶上中強地震及區域大震的活動關系。

2.1 近震記錄特征

圖2 蘭州觀象臺記錄的2009年青海海西6.4級 (a)、2012年甘肅肅南4.9級地震 (b)震前沙層應力變化特征Fig.2 Sand bed stress variation characteristic before Haixi MS6.4 earthquake，Qinghai in 2009(a)and Sunan MS4.9 earthquake，Gansu in 2012(b)recorded by Lanzhou Earth Observatory Station

在2008年8月蘭州觀象臺沙層應力臺建成后，在其西南部于2009年8月28日發生了青海海西6.4級地震，從圖2a可以看出，蘭州觀象臺的沙層應力在8月18～23日有明顯日畸變，其中EW道日變幅度變小，在24日有明顯的突跳，可能與震前應力場不穩定有關，NW道沙層應力 (與構造線方向一致)也出現日變幅顯著變化，日變形態與背景日變形態有明顯的變化。而祁連山西段的嘉峪關臺記錄的沙層應力無明顯的變化，主要原因是嘉峪關臺本身有故障，出現“靠擺”現象，加上環境干擾等因素導致資料不可靠，因此沒有捕捉到異常信息。

2012年5月11日，在距蘭州臺230 km處發生了肅南4.9級地震，蘭州臺EW和NW(斷層方向)道記錄到了該地震震前臨震突跳，如圖2b所示。從圖中可以看出，肅南4.9級地震前EW道沙層應力日變形態基本完整，5月7日EW和NW道同時發生了突跳和日畸變，10日出現日變形態異常，11日發生了肅南4.9級地震。嘉峪關臺儀器故障，這段時間記錄不可信。

2.2 遠震記錄特征

2010年在青海玉樹發生了7.1級強震，該地震發生在甘孜—玉樹—風火山斷裂上，從構造背景上分析，玉樹地震發生在巴顏喀拉山塊體的南邊界。而嘉峪關臺在祁連山地震構造帶上，距玉樹地震震中770 km。從該臺的沙層應力記錄資料來看 (圖3a)，EW道沙層應力在玉樹地震前主要表現為日變幅度的變化，于4月8日開始變小，并逐漸消失，在14日地震后沙層應力日變幅度增大，形態逐漸恢復。而NS道在玉樹地震前未見明顯的異常記錄。蘭州觀象臺在4月由于施工的影響沒有記錄到玉樹地震的異常變化，主要原因是臺站旁邊道路硬化造成了大幅度影響，如圖5中所示，高頻干擾可能淹沒了玉樹地震異常。

嘉峪關臺EW道沙層應力在2010年2月20～22日出現了日畸變，同時可見轉折變化在2月16日，16后有趨勢性上升，在上升過程中發生了智利8.8級地震 (圖3b)。蘭州觀象臺在智利地震前，EW道日變形態從2月19日開始略微有變化，這可能與臺站構造部位的差異和記錄狀態有關，也就是說隨著震源與臺站相對位置的變化，記錄亦有變化。這表明臺站并非每次都能夠記錄到地震的前兆異常。

圖3 嘉峪關臺記錄2010年青海玉樹7.1級 (a)、智利8.8級地震 (b)震前沙層應力變化特征Fig.3 Sand bed stress variation characteristic before the Yushu MS7.1，Qinghai(a)and Chile MS8.8(b)earthquakes in 2010 recorded by Jianyuguan Station

圖4 蘭州觀象臺記錄到2011年日本9.0級和緬甸7.2級地震的發震過程Fig.4 Earthquake preparation process of Japan M9.0 and Myanmar MS7.2 earthquakes in 2011 recorded by Lanzhou Earth Observatory Station

2011年3月11日日本發生了9.0級地震，該地震發生在太平洋與歐亞板塊的俯沖帶上，是影響全球的一次巨震，蘭州觀象臺基本完整記錄了這次地震前短期的變化過程 (圖4)，從2月8日開始，蘭州觀象臺就記錄到了應力勢的擾動過程，表現為日變幅度變小，日變形態異常，在3月初開始恢復，但日變形態并不完整，3月5日基本恢復，一周內就發生了日本9.0級地震，5～11日的記錄是應力從場區向震源區收縮的一個過程，地震后基本恢復。而從13日開始，日變幅度又開始減小，甚至消失，出現了日變不正常，上升的加速趨勢一直持續到了23日，24日發生了緬甸7.2級地震。

從上面的幾個震例研究來分析，沙層應力記錄在地震發生前出現了一些異常變化，主要表現為日變形態的改變，沙層應力突跳增加，出現整體趨勢的變化等。同時也清楚地看到該資料記錄不到同震效應，對月相調制記錄也不明顯。這些資料形態的變化可能與地震的孕育發生存在一定的因果關系，下面通過對沙層應力觀測資料干擾的分析進一步明確沙層記錄與地震活動的關系。

3 觀測記錄的干擾分析

地震前兆資料的研究中最主要的一點就是排除非地震因素的異常。儀器記錄在觀測環境、觀測電路、采集軟件等環節存在不同程度的干擾異常，從而影響了地震前兆的可信度。

沙層應力觀測記錄主要來自沙層中應力變化的信息，其靈敏度較高，主要干擾來自人的作息活動、施工和電源變化。由于人的作息活動影響，臺站附近施工等操作導致觀測記錄受到干擾，如2010年4月在觀象臺旁邊硬化道路造成的干擾，記錄主要表現為高頻振蕩變化，與施工時間嚴格一致 (圖5)。圖6顯示了由于電源變化停電、電壓波動的干擾，嘉峪關臺5月19日和26日沙層應力記錄出現高頻振蕩變化。

圖5 蘭州觀象臺沙層應力觀測記錄受周圍施工影響Fig.5 Sand bed stress observational curve influenced by construction around Lanzhou Earth Observatory Station

圖6 嘉峪關臺沙層應力觀測記錄由電源變化引起的干擾Fig.6 Sand bed stress observational curve recorded by Jiayuguan Station interfered by power supply variations

以上列舉的這幾種干擾，相對比較明確。但從長時間的觀測記錄來看，資料中出現的突跳、階變和不明原因的升降等隨機變化，其影響因素比較難于判別。因此在異常判定中區分地震前兆異常和干擾因素也是沙層應力預報預測的難點。

4 沙層應力記錄與地震孕育的關系

(1)從沙層應力記錄本身分析，沙層應力記錄儀安裝在沙層裝置中，記錄土層應力勢的變化，儀器靈敏度高，從祁連山地震構造帶兩個臺的記錄資料來看，沙層應力儀能夠記錄到土層中的一些應變信息，即沙層應力記錄能反映日變規律等，在地震前也捕捉到了與孕震有關的一些信息，這說明儀器客觀的記錄到了與地震活動有關的變化，資料可靠可信。

(2)在沙層記錄與地震活動研究方面，武安緒等 (2009)利用北京市地震局的昌平和通州2臺沙層應力儀，研究了在汶川大地震前后記錄到的完整的沙層應變動態演化過程。通過比較分析，初步認為僅昌平臺沙層應力儀記錄到獨特的應變變化過程，這一變化過程基本符合儀器發明人孫威 (2007)提出的孕震物理模型概念。從這一過程中不難看出包括快速加載 (應力增強，也包涵一定的擾動)、平衡相持 (基本穩定變化)、快速卸載 (具有擾動和快速下降特性)、短臨變化 (應變擾動變化、震前平靜和幅度收縮)和臨震信號(出現單邊脈沖現象)5個明顯不同特征的變化階段，其動態演化過程具有完整性和連續性，顯著性和階段差異性特征，特別在后3個階段信息含量比較豐富。該過程表現可以初步認為是一類較典型的地震趨勢前兆，通過比較初步認定該過程基本再現了沙層應力儀在國內外多次觀測到的地震前兆沙層應變異常圖像所表達的強震孕震過程。

但是祁連山地震帶上的2個臺站，從目前的累積資料來看，與武安緒等 (2009)研究的地震孕育發生的幾個階段有較大的區別，基本上沒有明顯的幾個孕震過程，主要表現為臨震信息，主要異常出現在震前半個月之內。

(3)沙層應力記錄資料在近震與遠震的反映并不相同，從目前這兩個臺的資料來分析，遠震、大震在地震前沙層資料記錄主要表現為日變幅度的縮小和消失，沙層應力整體擾動增大，日變形態發生畸變，主震主要發生在沙層應力剛開始恢復和恢復后一周之內。近震的主要表現為日變規律異常，資料擾動大，出現臨時突跳信息。

從本文的震例分析可以看出，沙層應力記錄到了地震孕育圖像和一些短臨異常的信息，其異常變化趨勢與正常的非加卸載應變變化過程具有很大的本質區別，地震異常的趨勢明顯，小尺度細節變化也與正常的日變化背景明顯不同，說明沙層應變記錄基本上可以捕捉到在一些大地震發生的過程中區域應力應變的演化過程，這可能對今后的地震預測研究具有一定的指示意義，也說明該儀器有別于以前常規的應變觀測儀器，在地震預測的研究方面具有一定的獨特性。

5 結論與討論

(1)對祁連山地震帶上安裝的2臺沙層應力記錄儀器近4年多的觀測記錄的研究表明，在地震前，沙層儀器觀測記錄捕捉到了一些短臨異常信息，可以為地震的預測預報提供一定的參考。

(2)從震例分析可以看出，沙層應力資料對于記錄區域應力場變化有一定的指示意義，但目前對資料的研究也停留在觀測數據變化與地震發生之間的簡單對比分析之上，地震的孕育和發生等問題一直是尚未解決的科學難題，對沙層應力資料如何記錄地震的孕育和發生過程等問題的研究不夠深入，加上由于資料的累積長度和臺站數量的限制，該記錄資料與地震孕育的關系尚待進一步研究和明確。

(3)對于沙層應力目前已有的臺站來看，主要問題是臺站地址和構造部位的不同而導致沙層記錄曲線存在一定差異，主要表現在曲線的形態和對地震孕育發生的記錄不同，導致臺站有個性特征，為地震短臨前兆的捕捉和分析帶來了一定的困難。同時從實際觀測來看，觀測數據存在很多不明的噪聲變化。有些變化判斷為儀器的問題，因為有許多大幅突跳很難找到合理的解釋，這些顯然對于地震前兆的甄別造成一定困難。

本研究得到沙層應力儀器發明者孫威老師的指導和幫助，在此深表感謝!

陳健，田 滔，劉江斌，等.2011.沙層應變觀測特征的初步研究［J］．防災科技學院學報，13(4):1－7.

崔軍文，張曉衛，唐哲民.2006.青藏高原的構造分區及其邊界的變形構造特征［J］．中國地質，33(2):256－267.

何文貴，袁道陽，葛偉鵬，等.2008.蘭州市金城關斷層的活動特征［J］．中國地震，24(3):247 －252.

何文貴，袁道陽，王愛國，等.2010.嘉峪關斷層中段的新活動特征［J］．中國地震，26(3):296 －303.

劉百篪，曹娟娟，袁道陽，等.2008.青藏高原北部活動地塊內部的活斷層定量資料［J］．地震地質，33(1):161 －175.

陸坤權，厚美瑛，王強，等.2011.顆粒介質中探測地震前兆和前兆應力—應變傳播模型［J］．科學通報，56(6):383－390.

孫威，孫曉明.2008.印度洋8.7級與8.5級地震的物理前兆［J］．中國工程學報，30(1):14－25.

孫威.2007.破壞性地震是可以預測的—孕震物理模型及臨震信號［J］．中國工程科學，9(7):7－17.

王玉瑩，佟曉輝，孫威.2003.1999年岫巖MS5.4地震前震、主震、余震應變異常特征的研究［J］．地學前緣，10(2):501－502.

王志林，李百祥.2006.應用物探推斷蘭州金城關斷裂及其傾角［J］．甘肅地質，15(1):72－75.

武安緒，刑成起，催博文，等.2009b.從昌平臺沙層應變記錄看汶川大地震孕震過程［J］．國際地震動態，(4):17.

武安緒，邢成起，林向東，等.2009a.沙層應變觀測記錄與變化特征分析［J］．國際地震動態，(4):53.

袁道陽，王蘭民，何文貴，等.2008.蘭州市地震活斷層探測新進展［J］．地震地質，30(1):236 －249.

袁道陽，張培震，劉百褫，等.2004.青藏高原東北緣晚第四紀活動構造的幾何圖像與構造轉換［J］．地質學報，78(2):270－278.

Lu K.Q.，Hou M.Y.，Wang Q.，et al.2011.The earthquake precursor detected in a granular medium and a proposed model for the propagation of precursive stress－ strain signal［J］．Chinese Sci.Bull.，56(11):1 071－1 079，doi:10.1007/s11434－011－4417－z.