鉆孔體應(yīng)變儀在地震前兆觀測中的理論和應(yīng)用研究綜述

孫藝玫， 查 楠， 任 雪， 張 麗， 毛佳寧

（遼寧省地震局， 遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震發(fā)生前后一般會出現(xiàn)各種異常現(xiàn)象，包括但不限于普通的地震波信號[1]； 通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)在一些地震的前后， 地震臺站會觀測到部分異常信號， 相比于普通的地震波， 這些異常信號有一定的特殊性， 比如發(fā)生概率偏小、 衰減周期較長、 振幅沒有明顯的規(guī)律等等， 對這些異常信號（也被稱為“前驅(qū)波”） 的研究對地震的預(yù)測有著重要意義[2]。

這些異常的、 不規(guī)律的信號， 在模擬觀測時期受制于儀器分辨率的約束， 難以被識別。但隨著地震研究引入了現(xiàn)代數(shù)字化觀測技術(shù)，比如高精度GPS[3]、 寬頻地震計[4]以及高分辨應(yīng)變儀等[5]， 研究人員可以觀測并記錄到這些前驅(qū)波的特征， 并運用統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)理論， 來對這種特殊的觀測信號進(jìn)行研究， 期望達(dá)到預(yù)測地震的現(xiàn)實意義[6]。

鉆孔應(yīng)變觀測是研究地殼應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)規(guī)律的主要手段， 在地震前兆觀測與研究中不可或缺[7]； 一般情況下， 儀器探頭被安裝于地下數(shù)十米甚至數(shù)百米深的土層或者巖層中， 不間斷的記錄地殼內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)， 由此描繪出的曲線可以用來分析地震前、 中、 后等各個重要節(jié)點的地殼應(yīng)力應(yīng)變的變化。

1 鉆孔體應(yīng)變儀的原理及優(yōu)勢

在觀測地震前兆的手段中， GPS 和鉆孔應(yīng)變儀各有所長， 可以相互補充， 在短臨前兆觀測中應(yīng)變儀器的效用更勝一籌[8]。 鉆孔應(yīng)變觀測可以觀測區(qū)域應(yīng)力場作用下的地殼變形[9]， 與其他觀測手段不同的是， 鉆孔應(yīng)變儀觀測的優(yōu)勢在于觀測的是一個張量， 專注于某個點的應(yīng)變變化數(shù)據(jù)， 可以將地殼變動的數(shù)值以秒或者分鐘的形式， 連續(xù)記錄下來形成一套曲線數(shù)據(jù)。

從圖1 可以看出， 鉆孔應(yīng)變觀測的范圍更為廣泛， 幾乎覆蓋了整個觀測頻帶； 而傳統(tǒng)地震儀和GPS 的觀測范圍相對較窄， 傳統(tǒng)測震儀側(cè)重于高頻觀測頻帶、 GPS 側(cè)重觀測相對低頻的觀測頻帶[8]。

圖1 傳統(tǒng)測震儀、 GPS 與鉆孔應(yīng)變儀觀測頻帶對比Fig.1 Comparison of observation frequency bands of traditional seismometer， GPS and borehole strain gauge

這種鉆孔應(yīng)變觀測的的測量原理是根據(jù)安裝在鉆孔儀器中腔體的體積變化而獲得巖體體積的相對變化量， 是一種高精度地形變觀測儀器， 最適合揭示短期形變變化。 澳大利亞地球物理學(xué)家F.D.Satcey 指出“由于來自于大自然（如降雨） 而非儀器本身的強干擾， 短基線應(yīng)變和近地表設(shè)置的傾斜儀并不是很有用， 所以在短基線儀器中， 只有放置在地下水深處不排水鉆孔中的儀器才更有效率”[10]。

我國的鉆孔應(yīng)變觀測起步較早且設(shè)計理念達(dá)到世界領(lǐng)先水平[11]， 我國現(xiàn)在使用的體應(yīng)變儀有兩個系列： 一是上世紀(jì)八十年代中期從美國進(jìn)口的Sacks 體應(yīng)變儀[12]， 一是我國國內(nèi)自主研發(fā)的TJ 型體應(yīng)變儀[13]。

體積式鉆孔應(yīng)變觀測是鉆孔應(yīng)變觀測的重要組成部分， 在全球的應(yīng)變儀數(shù)量中占據(jù)最大的比重， 這得益于鉆孔體應(yīng)變儀的獨特優(yōu)勢：

第一， 鉆孔應(yīng)變觀測可以精細(xì)、 準(zhǔn)確地刻畫地應(yīng)力在時間和空間上的變化圖像； 第二，鉆孔應(yīng)變觀測可以在保持高靈敏度的同時， 在時間維度上有較大的持續(xù)性； 第三， 鉆孔體應(yīng)變儀安裝到地下， 受地表的干擾較小， 甚至可以規(guī)避近地表水位的影響； 第四， 該觀測方法占地面積小， 便于定位和布置， 可以有效進(jìn)行對比； 第五， 鉆孔應(yīng)變觀測可以全方位觀測應(yīng)變、 地磁等多種地球物理參數(shù)， 一孔多用， 極大地提升了鉆孔利用率和觀測效率[9]。

鉆孔體應(yīng)變儀因其觀測精度高、 穩(wěn)定性好，在鉆孔應(yīng)變觀測中占據(jù)著重要地位和影響， 它能記錄到地震發(fā)生時的應(yīng)變變化[14]， 在一系列的爆炸試驗、 微地震試驗、 礦山監(jiān)測等領(lǐng)域得到實證[15]。

比如， Sacks 等運用鉆孔體應(yīng)變儀曾觀測到上世紀(jì)八十年代日本伊豆半島7 級地震的前驅(qū)波信號[16]； 甚至， 有人還根據(jù)體應(yīng)變儀觀測到的前驅(qū)波信號， 成功預(yù)報了2000 年2 月26 日的火山噴發(fā)； 從這里可以看出， 鉆孔體應(yīng)變儀的應(yīng)用在地震預(yù)測、 火山研究等方面有重要的理論和實際意義。

2 鉆孔體應(yīng)變儀的種類和發(fā)展

20 世紀(jì)60 年代末， 美國卡內(nèi)基研究院和德克薩斯大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了一臺線性膨脹地震計，被公認(rèn)為世界上第一臺鉆孔體積應(yīng)測儀器。 隨著技術(shù)迅速發(fā)展， 觀測技術(shù)不斷完善， 種類也越來越多， 國內(nèi)的歐陽祖熙等[17]研制了RZB 電容式四分量式鉆孔應(yīng)變儀， 澳大利亞有研究人員開發(fā)了三分量張量應(yīng)變儀， 日本則在Sacks體應(yīng)變儀的基礎(chǔ)上研制了Sacks-Evertson-Sakada三分量體應(yīng)變儀[18-19]。

日本石井紘等人開發(fā)了體積更小的三分量應(yīng)變儀， 可以將探頭的直徑放大至40 倍， 安裝簡便體積偏小， 可以全方位觀測多種地球物理參數(shù)， 允許研究人員根據(jù)自己的需要靈活地使用； 澳大利亞Michael T Gladwin 研制的張量鉆孔應(yīng)變監(jiān)測裝置在水平應(yīng)變監(jiān)測中得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[20]。

目前我國在這個領(lǐng)域的觀測技術(shù)發(fā)展很快，除了單點觀測技術(shù)（體應(yīng)變、 分量應(yīng)變、 鉆孔傾斜等） 外， 我國的深孔應(yīng)變觀測和多參數(shù)觀測的綜合性鉆孔觀測也有長足的發(fā)展： 2010年， 多個地震臺站成功安裝了由地質(zhì)力學(xué)研究所主導(dǎo)研發(fā)的深井地球物理綜合監(jiān)測系統(tǒng)， 并通過該系統(tǒng)獲取了大量的高價值地球物理觀測資料[21]； 北京白山和福建譚州成功安裝了兩套深井地殼形變綜合觀測實驗系統(tǒng)， 這是由歐陽祖熙等人研制的新型深井寬帶綜合觀測系統(tǒng)， 這些研究成果表明， 我國鉆孔應(yīng)變觀測已進(jìn)入一個新階段[22]。

3 鉆孔體應(yīng)變觀測的國內(nèi)外應(yīng)用研究現(xiàn)狀

目前， 國內(nèi)外研究人員已經(jīng)將鉆孔體應(yīng)變儀觀測到的高價值數(shù)據(jù)應(yīng)用到多個領(lǐng)域， 并取得了重要進(jìn)展。

3.1 同震階躍現(xiàn)象方面

同震階躍現(xiàn)象即是地震發(fā)生時儀器記錄到的同震應(yīng)變階。 通過鉆孔體應(yīng)變儀可以觀測到這種現(xiàn)象， 其具有重要的價值。

國外方面， 有學(xué)者通過對比三套Sacks-Evertson 體應(yīng)變儀的觀測數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：距離震中相同的兩組應(yīng)變儀， 可以同時觀測到地震應(yīng)變階[14]； 這個發(fā)現(xiàn)得到了McGarrA 等人的認(rèn)可， 他們通過安裝在金礦中的應(yīng)變儀儀器觀測到大量的數(shù)據(jù)， 印證了應(yīng)變儀記錄到的階躍現(xiàn)象是同震應(yīng)變階的觀點[15]。 在國內(nèi)， 張敏等[23]發(fā)現(xiàn)， 鉆孔應(yīng)變與地震應(yīng)變階次和地震波在時間上是同步的， 應(yīng)變階躍與震源方位和震級在統(tǒng)計上具有相關(guān)性； 李鵬等[24]研究了2015 年4 月25 日尼泊爾8.1 級地震的鉆孔應(yīng)變觀測資料，同樣發(fā)現(xiàn)了這種相關(guān)性[28]。

3.2 慢地震方面

慢地震是一種非暴力性質(zhì)的斷層滑動事件，它需要經(jīng)過數(shù)小時或數(shù)天釋放它們擁有的強大能量， 雖然在此期間并沒有地震波輻射， 但其有可能是大地震的一種前兆， 因此研究慢地震有著十分重要的意義。 在這個時候， 運用鉆孔應(yīng)變儀觀測前驅(qū)波信號是一個非常必要的觀測手段： 1992 年12 月， LindeAT 等[25]在美國加州西部的San Andreas Fault 斷層通過鉆孔應(yīng)變儀記錄到持續(xù)時間長達(dá)一周的慢地震現(xiàn)象[29]；SacksIS 等[26]也通過三臺Sacks-Evertson 鉆孔應(yīng)變計記錄到了1978 年的伊豆地震之后的一系列慢地震現(xiàn)象。

3.3 地球自由振蕩方面

地球局部受到某種因素的激發(fā)時， 地球整體會產(chǎn)生的連續(xù)振動， 這種現(xiàn)象叫做地球自由震蕩， 這種振蕩的頻率很低， 振動周期一般為數(shù)十秒至數(shù)十分鐘， 通常振動亦很微弱， 不過大地震激發(fā)的地球長周期自由振蕩往往延續(xù)幾天甚至幾個星期才會逐漸消失。 研究地球自由振蕩對大地震的震源機制等有著重要的作用。高精度鉆孔應(yīng)變觀測儀在這方面同樣具備優(yōu)勢[27]。 比如2004 年的蘇門答臘地震引發(fā)的地球自由振蕩， 邱澤華等[28]在泰安地震臺率先用差應(yīng)變和體應(yīng)變兩種鉆孔應(yīng)變計觀測了這項數(shù)據(jù)，唐磊等[29]也通過國內(nèi)多個臺站的TJ 型鉆孔體應(yīng)變儀獲得了地球球面振蕩數(shù)據(jù)。

3.4 地震前兆異常信號方面

國內(nèi)學(xué)者在地震前兆異常信號的識別和提取方面， 做出來大量的研究成果。 1976 年中國唐山發(fā)生7.8 級大地震， 在此之前陡河和趙各莊的應(yīng)力監(jiān)測站觀測到了明顯的垂直于斷裂帶的地應(yīng)力拉伸脈沖異常， 邱澤華等[30]認(rèn)為這個異常的信號是與地震有關(guān)的地殼運動。 池順良等[31]基于鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)自洽理論， 對四川和云南兩地的監(jiān)測臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)在汶川8.0級地震前出現(xiàn)了數(shù)據(jù)自洽性遭到破壞的現(xiàn)象，這種異常也被認(rèn)為與地殼活動有關(guān)。

邱澤華等[31]提取了四川姑咱臺鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)的短周期信號， 通過利用高通濾波將周期性信號剔除， 發(fā)現(xiàn)了與汶川地震相關(guān)的前兆信號異常反應(yīng)， 與唐山地震發(fā)現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)相似。劉琦等[33]也在姑咱臺鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了汶川地震前出現(xiàn)的大量異常數(shù)據(jù)， 而且這些異常信號還有一個特點， 即異常信號在震前逐漸增多、 震后逐漸消失。 對于汶川地震的前兆異常信號， 文勇等[34]也在后續(xù)對青海地區(qū)的臺站數(shù)據(jù)的研究中發(fā)現(xiàn)， 這說明大地震前的前兆異常數(shù)據(jù)不是個例或者偶發(fā)現(xiàn)象， 帶有一定的普遍性。

對于其他地震來說， 邱澤華等[35]在姑咱臺鉆孔應(yīng)變儀記錄數(shù)據(jù)中， 找到了與2013 年蘆山7.0 級地震相關(guān)的顯著異常變化； 史小平等[36]針對2013 年岷縣6.6 級地震分析了臨夏臺鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)， 發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在主應(yīng)力和主方向上顯示出來的變化與地震有很強的相關(guān)性； 劉琦、 張晶等[37]對2013 年蘆山7.0 級地震前姑咱臺鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)兩個異常， 一是始于2012 年10 月并持續(xù)了約4 個月； 另一個是始于蘆山地震前數(shù)天， 這兩組異常目前尚無法確定來源，但并不排除與地震相關(guān)。

4 體應(yīng)變儀在“前驅(qū)波” 等領(lǐng)域的觀測實例

“前驅(qū)波” 的定義是1974 年Kanamori 等[38]最先提出的， 用來解釋1960 年智利MS8.3 地震前十五分鐘出現(xiàn)的周期性的異常現(xiàn)象。 馮德益等[39]通過對深井水位計、 海洋驗潮儀的一些短臨前兆記錄研究發(fā)現(xiàn)， 其與“長周期形變波” 的理論相符合。 楊又陵等[40]研究發(fā)現(xiàn)新疆地震臺網(wǎng)曾有多臺數(shù)字地震儀同步記錄到了2001 年昆侖山口西的MS8.1 地震“前驅(qū)波”。 趙根模等[41]對60 年代以來的地震案例進(jìn)行了不完全統(tǒng)計， 歸納出來多種地震監(jiān)測儀器測出了“前驅(qū)波”記錄。

在定量分析層面， 王慶良等[42]曾經(jīng)總結(jié)過“前驅(qū)波” 的幾個特征： 5 級以上地震前均可觀測到前驅(qū)波信號； 前驅(qū)波的特征為脈動加粗、震相是低頻S 波； 出現(xiàn)的時間范圍是震前數(shù)小時至7 天左右； 傳播距離很遠(yuǎn)。

天津市寶坻臺Sacks 體應(yīng)變儀曾記錄到2008 年汶川8.0 級大地震的體應(yīng)變地震波[43]；甘肅省山丹地應(yīng)力臺站也發(fā)現(xiàn)明顯的應(yīng)變前兆異常， 應(yīng)變波如圖2 所示[44]。

圖2 汶川8.0 級地震前應(yīng)變前兆異常分布圖Fig.2 Distribution of strain precursor anomalies before the Wenchuan MS8.0 Earthquake（2008.5.10--5.14）

通過對華北地區(qū)的臺站數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)， 氣壓是影響鉆孔體應(yīng)變觀測的關(guān)鍵因素之一[13，45]，但氣壓的具體影響原理及途徑， 學(xué)術(shù)界存在一定的爭議： 張凌空等[46]研究了天津?qū)氎妗?北京東三旗和河北張家口三個臺站于2003 至2006年的數(shù)據(jù)， 結(jié)果顯示3 個臺站體應(yīng)變隨短周期氣壓增加皆壓性增強， 且基本同步； 但年周期氣壓波層面的影響則沒有一致性規(guī)律， 沒有得出統(tǒng)一的結(jié)論。

2009 年， 周龍壽等[47]利用多個臺站TJ 式鉆孔體應(yīng)變儀觀測資料， 分析2004 年澳大利亞麥闊里和印尼蘇門答臘大震前的應(yīng)變變化， 認(rèn)為大震前15 天之內(nèi)不能普遍檢測到“前驅(qū)波”。

2013 年， 趙楠等[48]通過用前驅(qū)波識別法，對六安臺BBVS 測震與TJ-2 應(yīng)變記錄震波進(jìn)行比較， 對比分析了2011 年3 月11 日記錄到遠(yuǎn)場日本東海岸9.0 級大地震起始情況和2011 年1 月19 日記錄近場（距150km） 安慶4.8 級強有感地震起始情況， 發(fā)現(xiàn)兩個系統(tǒng)在地震發(fā)生前記錄的曲線無前驅(qū)波特征， 與預(yù)設(shè)條件不一致。

5 結(jié)語

從研究實例上可以看出來， 盡管一些地震前均觀測到了前驅(qū)波， 但是， 當(dāng)前的鉆孔應(yīng)變觀測結(jié)果和實際的地震發(fā)生狀況也存在一定的不確定性， 原因有可能是距離、 觀測設(shè)備的硬件條件等等， 這些都是未來體應(yīng)變觀測儀的改進(jìn)方向： 首先， 應(yīng)盡可能提高數(shù)據(jù)采樣效率，這有利于對異常信號的快速捕捉處理； 其次，在山洞形變觀測臺站建設(shè)更寬的頻帶測震觀測[49]。同時， 在潛在中強震以上風(fēng)險地區(qū)建設(shè)觀測儀器系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)（同型號儀器可以保持一致性），對前驅(qū)波和對區(qū)域震情、 孕震過程、 發(fā)震時間開展初步研判。

致謝： 感謝“郯廬斷裂帶北延段（遼寧段） 強震孕育的動力學(xué)模型研究” 項目組的支持。