汶川、魯甸、康定地震前應變數據由自洽到失洽的轉變與地震成核＊

池順良 張 晶 池 毅

1）中國科學院計算地球動力學重點實驗室，北京 100049 2）中國地震局地震預測研究所，北京 100036 3）河南省鶴壁市防震技術研究所，河南鶴壁 458000

引言

2007年底投入運行，38個YRY－4型分量鉆孔應變觀測臺經歷了汶川、玉樹、蘆山、魯甸、康定5次強震。圖1是5次強震及周圍地區分量鉆孔應變觀測臺的位置分布圖。

圖1所示圖幅面積約110萬平方千米，布有11個分量鉆孔應變觀測臺。這個網的密度低，捕捉到強震事件的概率較小，一次強震事件被幾個臺同步接收到的機會則幾乎沒有。

姑咱、玉樹、昭通3個臺距這4次強震較近，均單臺接收到了強震孕育過程中寶貴的孕震信息。

圖1 汶川、玉樹、蘆山、魯甸、康定地震及周圍地區YRY－4分量鉆孔應變觀測臺的位置關系

汶川、蘆山強震，分別距姑咱臺153km、72km，玉樹強震距玉樹臺51km，魯甸地震距昭通臺34km，康定地震距姑咱臺50km。汶川強震雖然離姑咱臺有153km，但震級大，姑咱臺仍記錄到了豐富的震前應變異常信息。已有多篇文章討論姑咱臺分量應變對汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震的前兆響應［1－6］。

本文介紹姑咱臺和昭通臺記錄到的，在汶川、魯甸地震發生前，應變數據由自洽到失洽的轉變，震后又逐漸恢復自洽的現象，及作者對這種現象產生原因的分析探討。

1 關于分量鉆孔應變數據自洽的理論根據

鉆孔法測量地層應變，要在地塊上鉆個垂直圓孔，地應變變化時，鉆孔形狀跟著發生變化，圓孔的直徑在有些方向上增大，另一些方向上變小。圖2是推導圓鉆孔θ方向徑向位移的帶孔平板模型。當遠處有均勻水平主應變ε1、ε2時，根據帶圓孔彈性平板理論解，鉆孔的θ方向孔徑變化為：這里，Sθ即實際觀測給出的數值。其中，φ是ε1的方位角，與A和B和探頭圓筒內徑、外徑、圍巖及圓筒材料的楊氏模量、泊松比有關［7－8］。

圖2 遠處有均勻水平主應變ε1、ε2時，推導平板中圓孔孔徑變化模型

四分量鉆孔應變儀圓筒形探頭中部，安裝有互成45°交角，在水平面上呈米字形布置的4個徑向測微傳感器，測量圓筒形探頭4個方向孔徑的相對變化。1路傳感器為θ方向，2路為θ＋45°方向，3路為θ＋90°方向，4路為θ＋135°方向。則有1路與3路、2路與4路分別相互垂直（圖3）。

圖3 YRY－4型分量鉆孔應變儀中4路測微傳感器在水平面上的布置

由公式（1）出發，可推得2組互相垂直方向的孔徑相對變化的測值之和：

鉆孔應變儀測量地層應變的基線長度僅0.1m，徑向測微傳感器的靈敏度比伸縮儀高3個數量級。如何保證測量數據的可靠性與真實性成為必須認真對待的問題。

設置冗余分量，利用4個分量測值滿足式（2）的自洽條件對數據進行自檢，成為檢查儀器觀測數據可靠性的有效手段。

“根據鉆孔應變觀測的理論模型，四個分量的觀測值S1、S3、S2、S4之間存在‘自洽方程’：S1＋S3＝S2＋S4，觀測數據滿足自洽方程就是可靠的，否則是不可靠的。……當四分量觀測數據不滿足自洽方程時，就會出現混亂，無法進行應變換算。這種觀測數據……不能用來解決科學問題。”［9］

自洽方程S1＋S3＝S2＋S4牽涉到4個精密測微傳感器的輸出。要求4組數據滿足自洽方程，要解決傳感器格值的準確性和穩定性、探頭與巖孔良好耦合等一系列問題。在2000年前，相關系數k少有超過0.8的，多年長期觀測數據的k值更低。

“十五”期間建設的“數字地震觀測網絡工程”四分量鉆孔應變觀測系統中已有一批臺站的k值，無論是幾天的短期數據，還是6年以上的長期數據，k值都超過了0.99。

圖4是四川姑咱臺2007年2月1～3日，（1＋3）和（2＋4）面應變曲線數據，兩組數據的相關系數k＝0.999 66。

圖4 四川姑咱臺2007年2月1～3日，（1＋3）和（2＋4）面應變數據圖形

圖5是姑咱臺2006年11月1日～2014年8月31日長達7年半的整點值觀測數據。姑咱臺面應變數據主要由以下幾部分組成：儀器安裝初期，因溫度平衡、水泥膨脹等因素沿對數曲線快速向受壓方向的漂移；接著以1.7×10－6／a速率向受壓方向長達7年的線性漂移；幅度大致為1.1×10－6的年變化；幅度為1～4×10－8的應變固體潮以及幅度更小的氣壓擾動應變。

年變化主要來自離姑咱臺僅300m的南北流向的大渡河水位影響，每年6～9月的應變變化與大渡河水位變化負相關，表明應變年變化主要由大渡河水位對岸壁的壓力變化引起［10］。

兩組面應變7年半數據的相關系數k＝0.999 61。

圖5 姑咱臺2006年11月1日～2014年8月31日七年半的整點值觀測數據

公式（1）是鉆孔應變觀測的理論根據，在李四光力推鉆孔應力應變觀測年代，由力學家潘立宙根據彈性力學中無窮大彈性薄板中圓孔變形的模型導出。可由3個以上不同方向孔徑變化計算地塊應變變化，奠定了我國地應力地應變觀測的理論基礎（潘曾任上海應用數學和力學研究所副所長，所長是錢偉長）［11］。

半個多世紀來，無論是初期的壓磁應力儀還是新型的電容式應變儀，都要依靠潘氏公式處理觀測數據。

在潘立宙的理論推導中隱含了一個前提：無窮大彈性薄板是均勻、連續的。均勻、連續假定是實際地層狀況的一種近似。

我國分量鉆孔應變前兆臺網建成后，一批在地震活動平靜期多年觀測的臺站數據表明，無論是幾天的短期數據還是多年的長期數據，k值都能超過0.99，說明均勻、連續性假定是足夠精確的。

但強震孕育地區卻不會始終滿足“均勻、連續”假定。強震孕育必定在“存在裂隙、裂隙系統甚至在不斷擴展”的區域中發生。

接近強震區的鉆孔應變觀測，已經記錄到實際觀測數據與 “均勻、連續介質”模型產生的數據間的差異。

姑咱臺在汶川8.0級地震的孕震過程中，記錄下了應變數據從自洽到向失洽的轉變，5年后又逐漸恢復自洽的過程，而按“均勻、連續介質”模型，應變數據是不應出現失洽的。

2 汶川地震前應變數據由自洽向失洽的轉變及震后自洽性的逐漸恢復

姑咱臺距汶川地震震中153km，是38個YRY－4型分量鉆孔應變臺中距震中最近的臺站。儀器探頭2006年10月28日固化在40m深鉆孔底部。

圖4是四川姑咱臺2007年2月1日至3日，（1＋3）和（2＋4）面應變數據，兩組數據的相關系數k＝0.999 66。這是在汶川8.0級地震發生前一年零三個月。仔細觀察圖4，會發現圖4中A、B處各有壓性小臺階，圖6是圖4中A、B處壓性小臺階的放大圖。放大圖中，前后有兩個臺階。截取圖4中橫坐標3 660到3 750兩路面應變91組數據，計算它們的相關系數k＝0.999 77。由兩者高度相關，可以確定這些壓性小臺階是地層中出現的真實的應變活動。圖6中，階躍A的下降時間6min，幅度2.7×10－9，階躍B的下降時間2min，幅度0.9×10－9。這種時間尺度數百秒的應變階躍，與強震震波到達時應變階躍的性質不同，震時應變階的時間尺度約數秒鐘。

圖6 圖4中A、B處壓性小臺階的放大圖

根據近年研究，這種時間尺度數百秒的應變事件，大多與慢地震活動有關［12－16］。

2007年2月之后，姑咱臺記錄到的應變擾動幅度變大，事件越來越多。且隨發震日接近，兩組面應變曲線的相似性越來越差，相關系數k值逐漸減小。

圖7～10展示不同時段（1＋3）和（2＋4）面應變曲線數據及它們的相關系數k值。

圖7是2007年8月2日的異常應變，幅度比2007年2月3日（圖4）的大了很多。從2007年2月到8月，異常應變曲線兩組面應變相關系數k值均大于0.999。

圖7 四川姑咱臺2007年8月2日的異常應變幅度比2月3日（圖4）大了很多。從2007年2月到8月，兩組面應變異常數據相關系數均有k＞0.999

圖8 四川姑咱臺2007年10月25日的（1＋3）和（2＋4）面應變數據曲線，兩路面應變曲線上已出現能察覺出的差異，k值已降到0.992

2007年10月25日的異常應變，兩路面應變曲線上已出現能察覺出的差異，k值降低到0.992（圖8）。

隨著5·12發震時間臨近，兩組面應變曲線出現明顯的差別，相關系數k值繼續減小（圖9）。

圖9 四川姑咱臺2008年2月18日的（1＋3）和（2＋4）面應變數據曲線，兩路面應變曲線上已出現明顯的差別，k值已降到0.974

到2008年4月24日，（1＋3）和（2＋4）兩路面應變數據曲線差別更為明顯，k值已降到0.88（圖10）。

圖10 2008年4月24日的（1＋3）和（2＋4）面應變數據曲線，兩路面應變曲線差別很明顯，k值降到0.88

18天后，汶川大地震爆發。

姑咱臺接收到的應變信號中包含了來自不同應變源的成分，強震到來前自洽性下降的是那些“脈沖和階躍”異常應變部分，當觀測數據中不含有這些成分時，自洽性并不下降。

圖11是2008年5月4日兩路面應變數據曲線。5月4日，離強震發生還有8天，是沒有出現脈沖、階躍等異常應變罕見的一天。兩路面應變的相關系數k＝0.999 78。說明造成應變數據失洽的是脈沖、階躍等異常應變部分。

圖11 2008年5月4日兩路面應變數據曲線，未出現脈沖、階躍應變異常，k值達0.999 78

大地震后，應變異常脈沖繼續出現，圖12是2008年7月23日的兩路面應變數據曲線。強震發生后，脈沖、階躍等異常應變并未消失，脈沖、階躍異常應變數據仍未恢復自洽。

圖12 2008年7月23日的兩路面應變數據曲線

隨著時間的推移，脈沖、階躍異常應變出現的頻率和幅度逐漸衰減，數量越來越少，自洽性也在逐漸恢復。

汶川地震4年后，姑咱臺記錄曲線上的脈沖型異常應變活動基本消失，已能找到連續4天不出現異常應變的記錄，固體潮基本恢復連續、光滑形態，兩路面應變曲線的相關系數k恢復到大于0.99（圖13）。

圖13 2012年7月16～19日的（1＋3）和（2＋4）面應變數據曲線，記錄的固體潮已基本恢復連續、光滑的形態，兩路面應變曲線的k值又升到0.99以上

圖14是2013年12月26日的兩路面應變數據曲線。強震發生5年半后，偶爾出現的脈沖、階躍異常應變數據的自洽性逐漸恢復，k值升到0.99以上。

圖14 2013年11月26日，出現應變階躍和張性脈沖的面應變曲線，相關系數已大于0.99

汶川大地震前姑咱臺觀測數據中的脈沖、階躍異常應變部分，從自洽到失洽的轉變，確與汶川強震的發生密切相關。

那么，汶川強震與姑咱臺應變數據失洽之間又是如何相關聯的？

3 應變數據失洽與地震成核

通常認為，四分量鉆孔應變觀測數據的自洽主要受鉆孔附近巖石完整與否影響，“失洽”說明鉆孔周圍或附近巖石的完整性受到了破壞。

從儀器安裝以來，并沒有出現可以導致當地巖層破碎的自然或人為事件。2008年5月4日（圖11）及2008年7月16～19日（圖13）沒有出現脈沖、階躍異常應變的應變數據k值達到0.995以上，說明儀器鉆孔周圍或附近地層在汶川8.0級地震發生前、后一直是完整的。

就是說，姑咱臺的應變記錄數據中，只有疊加在固體潮應變及水位變化應變上不明來源的應變脈沖和階躍數據隨著8.0級地震的臨近，出現了數據失洽現象。

鉆孔周圍或附近巖石完整僅是觀測數據能夠自洽的條件之一。正如推導平板中圓孔孔徑變化模型（圖2）所示，公式（1）的導出不僅要求圓孔周圍，還要求圓孔和應變源ε1、ε2之間的介質也是均勻、連續的。

因此，導出自洽方程的條件除了安裝鉆孔應變儀鉆孔周圍或附近巖石完整的要求，還有所觀測的應變源與觀測儀器間介質的連續性要求。

這些應變脈沖和階躍數據隨著8.0級地震的臨近，失洽度越來越大，是因為在脈沖和階躍應變源與儀器鉆孔之間，存在介質連續性隨著強震臨近受到越來越大破壞的區域。

地震學研究指出，要發生大地震，必須存在成為地震“種子”的破裂過程。破裂首先在斷層面的“脆弱區域”發生，隨著區域構造應力增大，通過震前斷層蠕動、靜地震與慢地震活動等方式，脆弱區范圍逐步擴大直到邊界應力集中，微裂隙區域不斷擴展，達到巖石強度時，地震發生［17－19］。

地震發生前的這一過程稱為“地震成核”。

地震成核是地震孕育過程中的一個至關重要的階段，也是地震失穩破裂的一個必要條件。一些作者認為，“脆弱區域”的發生和擴大的尺度可以達到強震破裂帶長度的十分之一。按此估算，汶川大地震前，破裂脆弱區域的尺度可以達到30km。

汶川地震的成核過程中伴隨大量斷層蠕動、靜地震與慢地震活動的應變擾動要傳遞到姑咱臺，就要通過微裂隙不斷擴展的介質連續性開始遭到破壞的區域。

正是汶川地震成核區不斷生長擴大，破壞了介于震源和姑咱臺之間介質的連續性條件，導致了姑咱臺觀測到的應變脈沖和階躍數據從自洽向失洽轉變。

如果我們在汶川周圍有多個鉆孔應變觀測臺，同步記錄到這些應變擾動，就有可能定出這些慢地震的位置，如果它們確實位于孕震成核區，上述認識就能落實。可惜，附近沒有別的應變臺，可是仍有一些證明汶川地震前震源區存在激烈形變活動的旁證。

汶川地震前在成都郫縣有一臺JCZ－1型超寬頻帶地震計，離汶川僅70km。其BB通道數據較完整，BB通道通頻帶50Hz～360s，周期大于360s信號每倍頻程下降6 dB，更長周期數據也可觀測到。2008年4月30日開始，記錄中出現超過噪聲背景的脈沖。從5月11日3時起，地震計記錄到一系列周期約200～500s的脈沖，脈沖出現的次數隨地震事件臨近明顯增加，且脈沖強度增加，直至強震發生［20］。

距汶川震中僅65km的四川德陽，有一臺地殼應力研究所的BSQ型數字傾斜儀，在4月28日至5月1日的4天中，傾斜突變幅度4.54″，日均變化速率達1.14″，是2007年平均日變化量的200多倍。5月5日，曲線升至最高值后發生轉折，7天后發震［21］。

應變源到鉆孔儀器之間存在‘微裂隙不斷生長的不連續區域’時，會如何影響鉆孔應變數據自洽性？目前的均勻、連續理論模型不能給出解答。只有針對性的有限元數值實驗或實地觀測能回答這個問題。

姑咱臺7年半連續觀測數據記錄了這些應變擾動信號自洽性受到破壞及逐漸恢復自洽的過程。

4 魯甸6.5級、康定6.3級地震前昭通臺和姑咱臺應變數據自洽性的變化

應變數據“自洽—失洽—自洽”的轉變過程，在云南魯甸6.5級地震前后、康定6.3級前再次出現。

2014年8月3日，云南魯甸發生6.5級地震。昭通臺距震中34km，震前也出現了應變數據失洽的異常現象。

圖15是昭通臺2007年12月1日至2014年10月16日的分量應變觀測數據。

圖15 昭通臺2007年12月1日～2014年10月16日的分量應變觀測數據，彝良雙震前后兩組面應變的相關系數從0.99降低到0.25，魯甸地震后又恢復到0.99

2012年9月7日，云南彝良發生5.7、5.6級雙震，可能正是這次雙震“催動”了魯甸地震。

昭通臺兩組面應變數據的相關系數在彝良雙震前后發生了很大變化，從彝良地震后到魯甸地震之間時段，兩組面應變數據的相關系數k值竟從0.99降低到了0.25的低值，魯甸地震后k值又恢復到0.99。

2014年11月22日，姑咱臺西50km的康定發生6.3級地震。這次地震姑咱臺的反映與昭通臺對魯甸6.5級地震的反映類似。從震前43天開始，兩路面應變曲線開始分叉，k值從之前的0.999下降到0.956，應變數據從自洽向失洽轉變。因為距離較遠、震級較小，失洽的時間長度和程度也較小。

圖16是姑咱臺2014年3月1日～11月21日的應變整點值數據。

圖16 姑咱臺2014年3月1日～11月21日的應變整點值數據。康定6.3級地震前43天開始，兩路面應變開始分岔，相關系數從之前的0.999降低到0.956，地震后數據失洽是否恢復待觀測

昭通臺應變數據在魯甸6.5級地震前后，從自洽到失洽又回復自洽現象及姑咱臺數據在康定6.3級地震前出現的數據失洽現象，是強震前分量應變觀測數據失洽的又一種類型，導致該型數據失洽的機制，還待進一步研究。

5 結語

早在1963年，傅承義就明確指出了實現地震預測的3大類方法，即地震地質方法、地震統計方法、地震前兆方法，近年又有學者提出地震數值預報方法。目標都是盡可能準確地確定未來強震發生的地點、震級和時間。

歷史地震記載及半個多世紀地震預報實踐已經證明強震是有前兆的。但地震前兆常因地而異，甚至同一地區的不同地震發生前，地震前兆現象也有很多差異。地震學家渴望探索、尋找到“一種確定性的地震前兆——可以在所有大地震前必被無一例外地觀測到，并且一旦出現這種異常現象，必無一例外地發生大地震。”［22］

盡管對是否存在“確定性地震前兆”懷疑眾多，但也有支持存在的理由——大地震發生前必定存在“地震成核”過程，除非這里的地層介質像玻璃板那樣均質。因此，只要有靈敏儀器能探測到大地震孕育中地震成核的信號，并確定這些信號的位置分布和演變特性，就能以相當的準確度確定未來強震的地點和震級。此時已臨近強震發生，地點、震級和時間3要素將被相當準確地確定。

姑咱臺觀測到汶川強震前大量壓性脈沖、應變躍變信號（圖17），及這些應變數據從自洽到失洽的轉變及震后自洽性逐漸恢復過程。按前述分析，我們可能已經捕捉到了強震成核過程的信號。

圖17 2008年2月21日～2月29日，姑咱臺9天的應變數據，沒有一天的固體潮曲線是光滑連續的

圖17中，2月27日的應變階躍，壓性階躍幅度達到5.7×10－8應變，汶川周圍若有多臺分量應變儀應該都能記錄到，就能定出慢地震的位置。1992年日本江剌觀測臺伸縮儀記錄到相距200km三陸遠海慢地震的應變階躍的幅度為2.2×10－8應變［15］。

在一個密度足夠（如站間距小于150～200km）的應變觀測網中，會有多個臺同步觀測到這些信號，我們就能對強震孕育過程記錄到更詳細而豐富的數據，對強震孕育過程就能有更全面的認識。

目前強震預報之所以仍然困難重重，原因在于：地震前兆只能由觀測獲取，而目前的觀測仍嚴重不足。稀疏的觀測網好不容易捕捉到一次強震，卻不會被多個臺同步觀測到，形不成對強震孕育過程可相互驗證、更為全面的認識。

汶川8.0級地震發生已過去6年零5個月。圖18是2014年9月21日～10月15日共計25天連續應變數據，沒有出現階躍與脈沖異常應變，而在汶川地震臨震前夕，找不到連續幾天光滑的固體潮記錄（圖17）。

圖18 2014年9月21日～10月15日，姑咱臺25天的應變數據，固體潮已恢復連續、光滑的形態，k值恢復到0.99以上

異常應變的平靜，有可能預示該地區已進入一個較長時期地震平靜期，也有可能是又一次強震發生前的平靜。已有多篇文章指出，汶川、蘆山地震后，龍門山斷裂帶的西南段仍未打通，雅安、瀘定、邛崍地區有發生7級強震的危險［23－25］。其中，文獻［23］指出：“目前龍門山斷裂帶西南段整體上仍存在發生MW7.2～7.3地震的潛在危險性；蘆山地震東北長約30km的一段斷層存在發生MW6.8地震的潛在危險性，而其西南長約70km的一段斷層存在發生大到MW7.2地震的潛在危險性，亟待加強監測與研究。”

11月22日、25日康定先后發生MS6.3和MS5.8地震，說明北西向的鮮水河斷裂帶在北東向龍門山斷裂發生強烈活動后已開始蘇醒。姑咱臺位于龍門山、鮮水河、安寧河三條大斷裂交接處，龍門山斷裂活動會牽動鮮水河、安寧河斷裂。這一大片區域的防震減災監測任務十分艱巨，必須加緊工作，提前準備。

汶川、蘆山地震前，姑咱臺均記錄到了脈沖、階躍應變異常。加強對3個斷裂帶地區的應變監測與研究，對龍門山斷裂帶西南段地區、鮮水河、安寧河地震區的防震減災無疑具有重要意義。

加密網點、加強觀測、捕捉更多地震前兆現象，從中發現并掌握規律，實現我們找到準確預測強震的方法的目標就有希望。

作者衷心感謝審稿專家提出的修改建議。

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（作者電子信箱，池順良：chisl＠263.net）