大地震前體應變臨震異?，F象1

吳利軍陳正位李函谷徐 磊安巴雅爾徐順強

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室，北京 100036

3）山東省地震局無棣大山地震臺，濱州無棣 251910

4）山東省威海市地震局，威海 264200

5）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

大地震前體應變臨震異常現象1

吳利軍1)陳正位1,2)李函谷1)徐 磊3)安巴雅爾4)徐順強5)

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室，北京 100036

3）山東省地震局無棣大山地震臺，濱州無棣 251910

4）山東省威海市地震局，威海 264200

5）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

本文對2011年1月至2014年4月間全球發生的80次MS≥7級地震前，二張營臺和天堂河臺Sacks體應變臨震異?，F象進行了研究，針對復雜震例提出了異常識別的前提條件。統計結果顯示，體應變觀測對震中距為8000km范圍內的MS≥7級地震映震和前兆異常反映較好。同時，對異?，F象進行了分類和描述，劃分了三種異常類型：即固體潮畸變型、突變型和慢地震型，并對各種類型作了統計分析，初步探討了力學性質。結果發現，體應變異常信息對未來大地震的發生具有一定的預示意義。

大地震 體應變 固體潮畸變 突變 慢地震 震例研究

吳利軍，陳正位，李函谷，徐磊，安巴雅爾，徐順強，2015.大地震前體應變臨震異常現象.震災防御技術，10（1）：151—162. doi：10.11899/zzfy20150116

引言

為加強和完善我國華北地震預報試驗場中短臨預報，1985年通過聯合國開發署資助項目，引進并安裝了9臺Sacks-Evertson井下體應變儀（現存6套）。該項目在北京及其東部平原、第四紀覆蓋很厚的地區，安裝了深井（300—400m）體積應變儀。該儀器可避免地表干擾，應變觀測精度可達到10-9，它填補了當時這個地區高精度形變前兆監測的空白，至今已運行近30年。該儀器的避雷設施、供電系統、數據采集、采集和處理軟件等部分經過國內專家多年完善，已經逐步適應了地震監測的需要。2007年結合國家“十五”前兆項目，對部分臺站的數據采集和通訊系統做了進一步的更新。

國內外多位學者利用Sacks體應變及其它類型應變儀的觀測結果，進行了儀器性能分析（Sacks等，1971；張國紅等，2010；田韜等，2014）、干擾分析（張凌空，2005；張凌空等，2012；陳冬柏等，2012a；2012b）和震例研究（高福旺等，2004；易志剛等，2006；唐磊等，2011a；2011b；2013；吳利軍等，2013），這對于利用Sacks體應變認識地震前兆微動態信息背景場的探索具有一定意義，也為開展震前短臨異常的識別和地震預報提供了必要基礎。本文用觀測數據質量和連續性較好的二張營臺和天堂河臺多年的觀測資料對臨震異?，F象進行探討，得到了一些有意義的地震前兆異常信息。

1 臺站概況

順義二張營臺，井孔位于懷柔-涿縣斷裂端部（圖1），井深370m，第四系厚15.2m，為亞粘土和中細砂巖互層，以下至159m為花崗巖，再往下是寒武紀頁巖、礫巖和灰巖（圖2）。大興天堂河臺，井孔位于南苑-通縣斷裂附近（圖1），井深340m，第四系厚280m，為沙礫和粘土互層，基巖為灰巖（圖2）。

兩臺站均使用美國華盛頓卡內基研究所生產的Sacks體應變探頭，探頭被膨脹水泥固結在井底基巖中，儀器靈敏度設置為10-9/mV，觀測精度分別為2.75%和0.94%，表明兩臺體應變觀測的可靠性較高。規定體應變觀側曲線上升表示探頭受壓，下降則為受張。2007年6月進行“十五”項目改造后，數采部分更換為地殼應力研究所生產的TJ-Ⅱ型體應變儀，采用無線傳輸方式接入地震預測研究所前兆臺網管理系統。

圖1 臺站地理位置與地質斷層分布Fig. 1 Distribution of faults and location of stations

2 臨震異常現象及類型

筆者在日常觀測時多次發現，當體應變日變形態出現畸變、突變1—2天后，全球某地就會發生7級以上地震。在汶川、玉樹、于田等幾次國內大震前幾個小時，也都存在這種異常，表明這并非偶然現象，它是否對地震預報具有一定的指示意義呢？這足以引起重視，為此，筆者統計了二張營臺和天堂河臺2011年1月1日至2014年4月30日期間，全球發生的80次MS≥7.0級地震前體應變臨震異常與大地震的對應關系。地震預報探索的歷史和地震震例的積累研究是緊密聯系的（鄭大林等，2000），通過震前異常識別對于利用體應變觀測探索地震預報實踐具有積極意義。

圖2 井孔柱狀圖Fig. 2 Diagram of borehole column

2.1 判定異常標準的前提條件

為保證異常標準判定的客觀性和一致性，首先需要確定異常識別的前提條件：①根據臨震預報標準，僅分析震前10天的觀測數據；②無映震反應不做前兆異常分析；③儀器故障和數據缺測期間發生的MS≥7級地震不在統計范圍內，儀器運行正常期間發生的地震為有效地震；④全球6級地震、全國5級地震、首都圈地區3級以上地震發生的時間與確定的異常時段不存在對應關系；⑤多次MS≥7級地震前10天內發生了1次甚至多次7級以上地震，則以前1次地震結束至第2次地震開始前的時段，作為后1次地震臨震異常的識別依據。如：2013年9月26日秘魯海岸遠海7.4級地震和2013年9月28日巴基斯坦7.3級地震，則將9月27日5時31分至28日13時55分之間的固體潮畸變，視為巴基斯坦7.3級地震發生的前兆異常；⑥同一地區附近的雙震或多震前出現的異常，視為雙震或多震的共有異常。如：2014年4月13日所羅門群島附近海域4時14分和20時36分分別發生的7.8級和7.7級地震，地震前的4月12日出現不同程度的畸變和突變，則視為2次地震前均有異常。

2.2 統計分析

表1為地震信息及臨震異常的統計結果，限于篇幅僅列舉了部分具有代表性的震例。二張營臺有效地震總數為78次，有映震反應的為63次占總地震數的80.8%，存在臨震異常的為51次占有效地震總數的65.4%；天堂河臺有效地震總數為76次，有映震反應的為63次占總地震數的82.9%，存在臨震異常的為48次占有效地震總數的63.2%。從統計結果來看，二張營臺和天堂河臺對全球大多數MS≥7級地震均有較好的映震反應，多半地震前均有明顯的前兆異常反映。

表1 地震信息及臨震異常部分統計結果Table1 Earthquakes and related impending earthquake anomalies

續表

圖3和圖4分別為二張營臺震例分析得出的地震震中分布、震級與震中距關系的統計結果。從圖中可以看出，震中距為8000km范圍內的映震和異常反映都很好，震級越大、震中距越近的映震和異常反應越明顯，反之，映震和異常相對較差。

圖3 2011年1月—2014年4月全球MS≥7級地震震中分布圖Fig. 3 Distribution of global MS≥7 earthquakes epicenters from January 2011 to April 2014

圖4 震級與震中距的統計關系Fig. 4 Statistical relationship between magnitude and epicentral distance

2.3 異常現象分類及描述

根據80次地震前異常統計結果（表2），臨震異?，F象可分為三種類型：固體潮畸變型（圖5）、突變型（包括突升突降、突降突升和階變，圖6）和慢地震型（圖7）。三種類型的異常會在地震前分別出現、交替出現、甚至同時出現，其中，多種類型同時出現多見于固體潮畸變過程中，出現張性、壓性突變或慢地震形態（圖6a和圖7b）。二張營臺三種異常類型分別占有效地震總數的57.7%、35.9%和6.4%，占異?？倲档?8.2%、54.9%和9.8%；天堂河臺三種異常類型分別占有效地震總數的55.3%、25%和5.3%，占異常總數的87.5%、39.6%和8.3%。

表2 地震異常信息統計Table 2 Statistical information of seismic anomaly

圖5 固體潮畸變型Fig. 5 The solid tide aberrance type

吳子泉等（1994）根據巖石力學及固體潮理論，建立了孕震期彈性物體應變固體潮的物理模式，從物理本質上討論了不同應力階段應變固體潮曲線的形態特征，同時還討論了震前不同異常時期，應變固體潮畸變的不同特點。還有學者也對震前固體潮畸變現象進行了詳細描述。王在華等（2011）對庫爾勒臺識別出的48次固體潮畸變現象進行了統計，分析認為觀測中記錄到的固體潮畸變現象是震前異常信號，但無法區分這是近震前的信號，還是強遠震前的信號。盧雙苓等（2008）對泰安地震臺應變資料震前固體潮畸變震例進行了分析，并對現象機理進行了初步探討。

筆者總結了二張營臺和天堂河臺固體潮畸變的幾種形態，如圖5所示。其中，圖5（a）是2013年7月15日南桑德韋奇群島地區發生7.2級地震前，2013年7月15日二張營臺出現的巨大壓性畸變，幅度達2895×10-9；圖5（b）是2014年2月12日新疆于田發生7.3級地震前6小時，二張營臺出現的壓性固體潮畸變，異常幅度為204×10-9，震前出現如此清晰的畸變異?？赡芘c發震構造及動力學背景有關（任俊杰等，2014）；圖5（c）是2013年4月16日伊朗南部發生7.7級地震前2天，天堂河臺出現的固體潮日變畸變現象。

臨震前出現壓性或張性突變型異?，F象是普遍存在的（李志民等，1992；陳啟林等，2002；尹亮等，2002；王一寬，2003；王在華等，2011）。圖6（a）是二張營臺記錄到的2011年6月24日安德烈亞諾夫群島發生7.3級地震前，固體潮畸變過程中出現的張性突變，異常幅度達198×10-9；圖6（b）是二張營臺記錄到的2012年3月14日本州東海岸遠海發生7.2級地震前，出現的2次張性突變，異常幅度分別為42×10-9和53×10-9；圖6（c）是二張營臺記錄到的2012年4月11日北蘇門答臘西海岸遠海發生8.6和8.2級雙震前出現的張性突變，異常幅度為58×10-9。突變型異常又以張性突變為主，在二張營臺和天堂河臺它們分別占78.6%和60.5%。少數地震前，張性、壓性突變會交替出現。

圖6 突變型Fig. 6 The mutation type

許昭永等（2003）通過巖石高溫高壓破裂實驗的研究結果發現，除長趨勢變化外，臨近主破裂（大地震）前多點應變出現突變（突升或突降）。但在1998年張北6.2級地震發生前，多個Sacks體應變臺站的觀測結果并未顯示出這種變化。這里也起到了相互驗證的作用。

在發生大地震前，對慢地震現象已有記載和研究（Costello等，1999；Katsumata等，2003；Kawasaki，2004；Shelly等，2006）。同時，國內多位學者利用應變觀測資料對慢地震現象也進行了分析和討論。劉鴻斌等（2012）在對高臺臺站分量式應變觀測資料進行分析時發現，在部分大震發生前有形態各異的前驅波存在，并結合部分震例對其成因進行了初步討論。張淑亮等（2009）利用山西多個臺站的洞體應變觀測資料，對汶川MS8.0級地震發生前慢地震現象進行了譜分析，結果顯示波動周期在46—65分鐘之間。

圖7（a）是二張營臺在2011年3月24日緬甸發生7.6級地震前，記錄到的2次慢地震；圖7（b）是二張營臺在2013年11月25日南大西洋7.2級地震發生前1小時，記錄到的慢地震。慢地震是地震斷裂過程的一個組成部分，在地震成核作用中可能起著重要的作用，慢地震還有可能揭示更多板塊邊界的運動形式（閆偉等，2011）。

筆者的統計結果顯示，在大震發生前二張營臺和天堂河臺出現慢地震分別為5次和4次，占地震總數的6.4%和5.3%，占異?？倲档?.8%和8.3%?？梢姶笳鸢l生前，慢地震現象的出現只占很小的一部分，這與周龍壽等（2009）得出的大震發生前15天之內，不能普遍檢測到“前驅波”結論吻合。

圖7 慢地震型Fig. 7 The slow earthquake type

2.4 兩臺站對同一地震的異常響應特征

根據筆者的統計結果，對于同一次地震發生前，并非2個臺站均有異常，即使都有異常，異常的起止時間、類型和幅度也存在明顯差異。在時間上，異常出現的時間有先有后，即使是同一天出現異常的時刻也基本不一致，持續時間更是不盡相同；在類型上，種類有多有少，類型也多有不同，如一個臺站出現突變型，而另一個臺站則表現為慢地震型，但多以固體潮畸變型為主；在幅度上，有大有小，甚至最大相差兩個數量級。

圖8為2014年4月2日智利北部沿岸近海發生8.1級地震前，二張營臺和天堂河臺的記錄結果。圖8（a）為二張營臺4月1日14h23min開始出現的固體潮畸變，幅度為62×10-9，4月2日6h02min又出現了張性突變；圖8（b）為天堂河臺4月1日19h16min開始出現的固體潮畸變，幅度為29×10-9。特別是2011年12月27日中俄7.1級地震發生前，2個臺站在同一時刻出現了突變，但二張營臺表現為壓性，而天堂河臺則表現為張性。再結合表1和圖8就更能驗證上述的結論。由此可見，不同臺站對同一地震的異常響應特征是紛繁復雜的，李本友等（2012）和牛安福等（2013）在對形變觀測進行研究時，均發現了這一現象的存在，這里僅從現象進行探討，對于機理的認識還有待進一步深入研究。

圖8 智利8.1級地震發生前2個臺站記錄的特征Fig. 8 Records from two stations before Chile MS8.1 earthquake

3 結論與討論

二張營臺和天堂河臺對全球MS≥7級地震有映震反應，占地震總數的80%以上，而且觀測儀器的精度較高，固體潮日變清晰，觀測質量和連續率較好，前兆異常信息可信度高。從統計結果來看，震前異常信息量與地震大小和震中距呈正相關，震前異?，F象以固體潮畸變型異常為主，突變型異常次之，慢地震型異常很少甚至不到異?？倲档?0%。固體潮畸變型異常多出現在震前10天內，甚至更長時間；突變型、慢地震型異常一般在震前3天內出現。

震前出現的固體潮畸變現象是震源區區域應力場失衡的直接表現。張性或壓性突變是震源區區域應力場失衡過程中，巖石由蠕變到塑變階段表現在遠場體應變觀測值上的顯著異常反映。慢地震是一種無震斷層活動與脆性破裂之間的地震現象，運動的時間尺度比“正?！钡卣鹨L，可以輻射長周期彈性波或長周期成分異常大的地震，這與許多觀測結果相一致（Linde等，2002）。二張營臺和天堂河臺相距僅71km，對于同一地震異常響應的起止時間、類型和幅度差異較大，這可能與臺站井孔條件、地質條件與某一地震的觸發機制有關。

筆者建議以全球7級以上地震震例研究為出發點，對我國歷史中強地震使用更長時間尺度、更多樣本進行統計分析，并對異常持續時間、幅度和震源機制等特征信息進行深入研究，這樣才能充分發揮體應變觀測在地震短臨預報中的實踐和應用。

陳冬柏，李媛媛，羅詞建等，2012a.石砭峪水庫蓄放水對西安臺數字化鉆孔應變觀測的影響研究.國際地震動態，（6）：206—206.

陳冬柏，羅詞建，李媛嬡等，2012b.西安基準地震臺鉆孔體應變觀測干擾分析. 高原地震，24（2）：50—54.

陳啟林，王皓，毛華鋒等，2002.體應變數字記錄特征與中強震關系初探. 華南地震，22（1）：76—79.

高福旺，李麗，牛安福等，2004.對體應變干擾因素的識別及排除. 地震，24（增刊）：90—97.

李本有，蔣昌才，文曉勤等，2012.安徽省安慶MS4.8震前鉆孔體應變數據變化分析.地震地磁觀測與研究，33（5/6）：217—220.

李志民，紀遠剛，1992.幾次地震前峰峰地震臺記錄的體應變異常及其特征.西北地震學報，14（3）：84—87.

劉鴻斌，尹亮，李東生等，2012.甘肅高臺分量式應變前驅波的特征分析.西北地震學報，34（3）：299—307.

盧雙苓，李峰，王強等，2008.泰安地震臺鉆孔應變固體潮畸變的分析探討.華北地震科學，26（2）：49—52.

牛安福，張凌空，李媛等，2013.蘆山MS7.0級地震前的形變空區特征研究.震災防御技術，8（4）：341—350.

任俊杰，王信國，程佳，2014.2014年于田7.3級地震的發震構造及動力學背景的初步分析.震災防御技術，9（1）：74—82.

唐磊，荊燕，2013.川滇地區鉆孔四分量應變儀記錄的同震應變階分析. 震災防御技術，8（4）：370—376.

唐磊，邱澤華，2011a.鉆孔四分量應變儀觀測的汶川地震的同震應變階. 地殼構造與地殼應力文集，（23）：114—124.

唐磊，邱澤華，郭燕平等，2011b.日本9.0級地震引起的應變階分析.地震地磁觀測與研究，32（6）：13—16.

田韜，王俊菲，王維等，2014.鉆孔耦合對體應變觀測的影響分析.地震地磁觀測與研究，35（3/4）：165—173.

王一寬，2003.二次地方震前的體應變短臨異常. 華南地震，23（2）：96—100.

王在華，徐長銀，李尚偉等，2011. 庫爾勒鐵門關鉆孔應變震前固體潮畸變現象分析.內陸地震，25（3）：229—238.

吳利軍，周立明，張中五等，2013. 東三旗臺Sacks體應變干擾分析與震例研究. 防災科技學院學報，15（3）：41—44.

吳子泉，張昭棟，1994.震前應變固體潮畸變的物理模式.高原地震，6（1）：7—14.

許昭永，楊潤海，胡毅力等，2003.慢地震慢前兆的機制研究.地震，23（2）：12—20.

閆偉，彭漢書，2011.靜/慢地震研究現狀及意義. 大地測量與地球動力學，31（增刊）：51—56.

易志剛，邱澤華，宋茉，2006.首都圈地區數字化鉆孔應變觀測資料分析.大地測量與地球動力學，26（3）：53—58.

尹亮，李興堅，陳蘭新等，2002.昆侖山口西8.1級地震前高臺鉆孔應變異常特征.高原地震，14（1）：83—86.

張國紅，王勇，楊選輝等，2010.鉆孔應變資料的可靠性分析.大地測量與地球動力學，30（增刊（Ⅰ））：62—73.

張凌空，2005.昌平臺Sacks體應變儀觀測曲線年變現象成因研究.中國地震，21（2）：254—259.

張凌空，吳利軍，楊穎，2012.雷暴產生的氣壓突變對體應變與同井水位干擾的對比研究.中國地震，28（1）：69—77.

張淑亮，劉瑞春，寧亞玲等，2009.汶川MS8.0地震前山西前兆低頻前驅波特征分析.大地測量與地球動力學，29（6）：35—39.

鄭大林，張肇誠，2000.地震震例的研究.地震，20（增刊）：227—232.

周龍壽，邱澤華，唐磊等，2009.用中國鉆孔應變臺網資料檢驗大震“前驅波”.地震，29（3）：67—78.

Costello S.W. and Tullis T.E.，1999.Can free oscillations trigger foreshocks that allow earthquake prediction? Geophysical Research Letters，26（7）：891—894.

Katsumata K.，Wada N. and Kasahara M.，2003. Newly imaged shape of the deep seismic zone within the subducting Pacific plate beneath the Hokkaido corner，Japan-Kurile arc-arc junction. J. Geophys. Res.，108：2565. doi：10.1029/2002JB002175.

Kawasaki，2004. Silent earthquakes occurring in a stable-unstable transition zone and implication for earthquake prediction. Earth Planets Space，56：813—821.

Linde A.T. and Sacks I.S.，2002. Slow earthquakes and great earthquakes along the Nankai trough. Earth and Planetary Science Letters，203（1）：265—275.

Sacks I.S.，Evertson D.W.，1971. Sensitive borehole strain- rate meters. Carnegie Institution，Washington Yearbook，68：448—453.

Shelly D.R.，Beroza G.C.，Ide S. et al.，2006. Low-frequency earthquakes in Shikoku，Japan，and their relationship to episodic tremor and slip. Nature，442：Doi：10.1038/nature04931.

Abnormal Phenomena of Body Strain before Large Earthquakes

Wu Lijun1)，Chen Zhengwei1,2)，Li Hangu1)，Xu Lei3)，An Bayaer4)and Xu Shunqiang5)
1) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
2) Key Laboratory of Earthquake Prediction，Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China
3) Earthquake Administration of Shandong Province Wudi Dashan seismic station, Binzhou Wudi 251910, China
4) Seismological Bureau of Weihai City, Weihai 264200, China
5) Geophysical Exploration Center of CEA, Zhengzhou 450002, China

In this paper we analyzed 80 impending earthquake anomalies of the Sacks volume strain from Erzhangying station and Tiantanghe station where abnormal phenomena took place from January 2011 to April 2014 all over the world, and their magnitudes are all no less than 7. Then, preconditions for anomaly identification are put forward in allusion to complex earthquake cases. Statistical results show that volume strain observation has a better earthquake reflecting ability for earthquakes of that magnitudes are no less than 7 and epicentral distances within 8000 km. Our results suggest that the volume strain observation can reflect precursory anomalies of such earthquakes in a better way. Based on categorization and description of those anomalies, we divided abnormal phenomena into three types, i.e., distortion of earth tide, abrupt change type and slow earthquake. According to our results, volume strain anomaly can play a role in indicating future strong earthquake of the whole world.

Large earthquakes；Body strain；The solid tide distortion；Mutation；Slow earthquakes；The earthquake case study

中國地震局監測、預測、科研三結合課題“Sacks體應變臨震異常的震例統計研究（154201）”和地震預測研究所基本科研業務專項（2012IES010202）資助

2014-06-27

吳利軍，男，生于1984年。大學本科，工程師。主要研究方向：地震監測與前兆研究。E-mail：wulj@cea-ies.ac.cn