武都分量钻孔应变在汶川MS8.0级地震前的异常变化分析1

蒲小武1) 陈 征2) 高 原1) 李 涛2)苏永刚1) 刘 璎1) 许可娟1)



武都分量钻孔应变在汶川8.0级地震前的异常变化分析

蒲小武陈 征高 原李 涛苏永刚刘 璎许可娟

1）甘肃省地震局陇南中心台，陇南746000 2）中国地震局地壳应力研究所，北京100085

通过对武都应变台多年应变资料的处理分析后发现，在汶川8.0级地震发生前，武都台应变有显著的前兆异常变化，它与昆仑山口西8.1级地震前出现的异常有很高的相似度。昆仑山口西地震和汶川地震前都有“a-b-g”形变阶段，在不同的前兆异常阶段，异常形态有明显的差异，而且各具特点。尤其在b阶段，EW道、面应变、差应变的异常变化（中期异常）都出现在震前2—3年，持续时间约1年多，而且异常都非常显著。本文详细分析了武都台应变在各个阶段的前兆异常变化特征，并就其原因进行了初步分析。

钻孔应变 面应变 差应变 应变主方向 前兆异常

引言

当今的地震成因理论认为：地震是地应力、应变积累到一定程度，使断层失稳滑动而发生的。据此理论，如果能直接测得孕震区应力、应变的震前变化信息，那么无论地震能否成功预报，这对地震预报实践而言都具有极其重要的现实意义。由于钻孔应力-应变方法是通过测量钻孔孔径变化，来直接或间接地测量地壳应力-应变状态的相对变化，因而在理论上位于孕震区的应力（应变）观测仪器可以观测到与地震的孕育、发生直接相关的应力-应变信息。由于所测信息与地震的孕育、发生直接相关，这就使得钻孔应力-应变方法在地震监测预报中有着非常独特的优势。而近年来，在美国启动的“板块边界观测（PB0）”项目中，钻孔应力-应变测量与测震、GPS和InSAR并列，受到了前所未有的重视（邱泽华等，2004）。我国是最早开始进行钻孔应力-应变观测的国家之一，1966年在李四光先生的倡导下，使用钻孔应力-应变观测资料进行了地震预报尝试。经过近50年的发展，钻孔应力-应变观测在理论和技术上日臻完善。在地震预报方面，使用钻孔应力-应变方法预报地震积累了丰富的经验，使这一观测手段成为有效进行地震预报的方法之一（苏恺之，1982；1985；王启民等，1983；欧阳祖熙等，1988；池顺良，1993；邱泽华等，2002）。

2008年汶川大地震是新中国成立以来国内破坏性最强、波及范围最广、总伤亡人数最多的地震之一。汶川地震发生后，对于地震有无前兆以及能否预报的问题再一次引起了整个社会的普遍关注，也引起了地震学界的深刻反思和总结。据有关地震形变专家的总结，在汶川震中一带没有钻孔应力（应变）观测点，在毗邻震源区的姑咱形变台（距震中约130km），钻孔应变分钟值资料在震前1年多开始出现逐渐增强的短周期（数分钟到数小时）异常变化，变化虽然细微，但是很清晰（邱泽华等，2009）。武都应变台距离汶川震中约300km，毗邻川西高原龙门山断裂带以西的主要变形区（张培震等，2009），汶川地震前分量式压容应变仪出现了明显的异常变化，有显著的阶段性异常变化特征。

1 武都应变台所处构造及基本情况

武都应变台坐落于甘肃省陇南市武都区两水镇前村，处在与华南、巴颜喀拉、柴达木、鄂尔多斯等地块相毗邻的甘青地块上（张培震等，2003）（见图1）。台站所处区域内分布有武都弧形构造带，东西向构造带，北北东向及北西向构造带，位于多组构造交汇、复合部位，易于应力集中，是一个应力敏感点。

武都应变台井孔岩性为灰岩，岩石坚硬完整，孔内有裂隙水，水位年变幅度2—3m。1992年武都应变台安装了RZB-II型高精度压容应变仪，精度达10。探头放置在距离地面86m的深井中，应变探头元件分别安置在EW、N45°E、NS、N45°W等4个水平方位上（图2）。压容应变仪自观测以来，至今已记录到多次震前异常，并根据资料出现的异常变化（高原等，1999；2003）较成功地预报了1999年2月宁夏同心4.7级地震、1999年4月甘肃文县梨坪4.7级地震和1999年9月青海河南5.1级地震。

2 干扰因素分析及水位干扰的剔除方法

钻孔应变干扰因素主要有气温、气压、水位等（郑江蓉等，2011）。由于武都应变台钻孔应变探头都处于80m以下的深部，在恒温层以下，气温变化对探头所处位置岩体的温度影响很小，岩体热胀冷缩引起的应变变化可以忽略。同时由于武都应变台台基岩性为坚硬完整的灰岩，对于坚硬完整的岩体，气压变化虽然对应变测值有影响，但引起的应变变化比较小。

武都应变台处于白龙江河谷地带，年水位变化达2—3m，因此水位变化是最主要的干扰因素。根据蒲小武等（2013）的方法，应变测值中的水位干扰可有效剔除，其方法为：

由胡克定律及水中压强公式联立方程可得如下公式：

式中，称之为应变响应灵敏度系数。

由式（2）可知，实测水位值和值可以对实测应变值进行校正：

根据式（3），首先对1999—2008年应变数据进行水位干扰剔除。

3 最大主应变方向的变化特征

当应变观测分量不少于3个时，可根据以下公式求解测区水平相对应变场参数（葛丽明等，1991）：

式中，、、分别为EW、NE、NS道元件观测值；为逆时针为序的第一号元件方位与正北方向的夹角。

在应变主方向计算式中，本文只用了2000—2008年的1、2、3号元件数据进行了计算。

根据武都应变台钻孔应变资料计算的2000—2008年最大应变主方向的变化形态，可划分为以下3个阶段（见图3）。

第Ⅰ阶段：自2000年起至2003年5月底，最大应变主方向逐渐由NWW-SEE方向往NW-SE方向偏转。在该阶段发生了昆仑山口西8.1级地震，震前应变主方向变化较快，震后变化趋缓。

第Ⅱ阶段：自2003年6月初至2005年4月中旬，最大应变主方向相对第Ⅰ阶段出现了转折性变化，但总体变化幅度较小，基本保持在NW-SE方向。2004年12月26日印尼8.7级地震前50多天，应变主方向出现了持续约20天的起伏变化。

第Ⅲ阶段：开始于印尼8.5级地震后约1个月，应变主方向偏转了约20°，并持续由NW-SE方向往NWW-SEE方向偏转，2006年10月底以前变化较快，随后变化趋缓，汶川地震前一定时段内应变主方向保持稳定。

2000—2008年应变主方向在NW-SE方向至NWW-SEE方向变化（见图3（a）、（b）、（c））。由胡克定律可知，在小形变条件下，最大应变主方向就代表了最大主应力场的方向，这表明武都测区最大主应力场的方向也在NW-SE方向至NWW-SEE方向变化。

4 昆仑山口西8.1级地震前武都应变前兆异常变化特征

4.1 关于面应变及差应变的概念介绍

当几个受力元件受到岩石应力作用时，每个元件的应变测值S应符合如下关系式（苏恺之等，1985）：

式中，A为第号元件对的灵敏系数；B为第号元件对的灵敏系数；为主应变之和，即面应变；为主应变之差（两倍最大差应变）；为主应变方向与号元件之间的夹角。

====时，有：

+=+=2(+) （7）

-=2(-)cos2（8）

式（7）可以说明1号与3号应变测值之和等于2号与4号应变测值之和，其变化值只与面应变有关。式（8）则表明1号与3号应变测值之差（或者2号与4号应变测值之差）只与最大差应变有关。

4.2 昆仑山口地震应变前兆异常变化特征

自然界存在着形变（应变）逐渐积累→突然释放（地震）→逐渐积累→突然释放（地震）…的过程，地震学称之为“地震循回”，对应的形变称之为“形变循回”。地震科学家将地震地形变随时间的演化过程归纳为“a-b-g-d-a”诸阶段。“a”表示“震间形变”；“b”、“b”、“g”表示“震前形变”；“g”表示“同震形变”；“d”表示“震后形变”（中国地震局监测预报司，2008）。

（1）震间应变阶段（a）：该阶段属于无震变化时段，也即正常形变阶段。该阶段EW道、NW道、面应变、差应变既没有趋势型上升、下降型变化，也没有波动型变化，测值稳定。

（2）中期异常阶段（b）：震前约2.5年，EW道、NW道、面应变、差应变出现了同步快速下降变化（见图4（a）），约持续1.3年，表明压应力持续增强，最大、最小主压应力差也逐渐增大。

（3）中短期异常阶段（b）：EW道呈小幅起伏波动变化，没有趋势变化形态。NW道、面应变由b阶段大幅度下降（受压）发生了转折变化，出现缓慢上升变化（受张），总体变幅较小。

（4）临震异常阶段（g）：NW道在震前40多天出现了快速上升变化（受张），变化幅度达到了270×10应变量。

根据武都应变台资料的异常变化，在昆仑山地震发生的前一周，高原等（2003）作出了短临预报。

5 汶川8.0级地震前武都台应变前兆异常变化特征

5.1 震间应变阶段（a）特征（2004年1月—2005年3月）

EW道、NW道、面应变、差应变没有趋势性变化，测值比较稳定。最大主应力场方向为NW-SE方向附近，没有较大变化。2004年12月26日印尼8.7级地震发生的前2月，EW道“快速下降—急剧上升”呈明显的“V”字形变化，变化幅度达310×10应变量，变化显著。面应变和差应变也出现了与EW道同步的“V”字形变化。在印尼8.5级地震发生后的约1个月时间内，6天内EW道、NW道、面应变、差应变出现了同步大幅度急剧下降变化，也即压应力急剧增加，其中EW道、NW道变幅分别为305×10和120×10（见图4（b））。在这一阶段，虽受印尼2次地震影响，测值有起伏，但总体变化平稳。

5.2 中期异常阶段（b）特征（2005年4月—2006年10月）

印尼8.5级地震发生后的1个月，EW道、面应变、差应变出现了连续大幅度的下降变化，EW道变幅分别达到2075×10。这表明在此时段压应力急速增强，应变能快速积累。应变主方向在印尼8.5级地震发生后，由NW-SE向快速跳转至NWW-SEE向，并持续快速地向EW向偏转，角度偏转了约20°。

该阶段前兆异常发生在汶川地震前的3年内，持续时间约1.5年，以EW道、面应变、差应变的显著增加为主要特点，这表明在该阶段区域应力场有了显著增强，主压应力快速增加。

5.3 中短期异常阶段（b）特征（2006年10月—2008年4月）

EW道、面应变、差应变在该阶段出现非常相似的张—压交替变化形态，与b阶段的变化相比有明显的不同（图5）。NW道在该阶段出现连续大幅度下降变化，变化幅度达1210×10，这表明在NW方向压应力持续增强。应变主方向在2006年10月底至2007年4月初变化不显著，自2007年4月初至9月中下旬，应变主方向自NWW-SEE向EW方向快速偏转，变化幅度达到7°。

5.4 临震异常阶段（g）及同震变化（g）特征（2008年4月—发震）

EW道于2008年4月5日14时起出现快速上升变化，至4月10日14时累积增加了142×10应变量，其后测值出现小幅下降—回升的波动型变化。汶川地震发生后，测值同步下降了105×10应变量，回跳到了4月5日前的水平。NE道2008年5月1日起出现了2次台阶式上升变化，测值累积达98×10应变量，汶川地震发生后的1小时，测值出现70×10应变量的同震阶降，之后测值又回归到了5月1日前的水平。NS道2008年4月9日5时至4月10日18时，出现了52×10应变量的连续升高型变化，此后测值波动下降后又快速回升，汶川地震的发生造成了76×10应变量的同震阶升变化。NW道2008年4月24日、5月1日出现2次大幅度下降型突跳变化，分别达到了103×10和146×10应变量。

6 结论与讨论

判断一个地震台站应变资料出现的异常变化是否是地震前兆异常，需要判断这些异常是否满足地震前兆的3个必要判据：①有正常背景；②非干扰影响；③与地震相关（邱泽华，2010）。武都应变台的最大干扰因素为水位，在本文中水位干扰因素已经基本被剔除，在汶川地震发生前出现的异常变化可以排除各种干扰因素的影响。汶川地震发生前有震间应变阶段（a），也即正常背景变化状态；同时震前有b、g阶段的前兆异常变化，满足地震前兆的3个必要判据，地震前兆异常是可信的。

由实测应变资料计算的应变主方向在NW-SE向和NWW-SEE向间变化，揭示了最大主应力场方向在此方向变化，最接近此方向的EW道、NW道应变测值，在昆仑山口西地震和汶川地震前变化最为显著。

在昆仑山口西地震和汶川地震前都有“a-b-g”形变阶段，数据曲线形态有一定的相似性。尤其在b阶段，EW道、面应变、差应变的异常变化（中期异常）都出现在震前2—3年，同时也都持续了约1年多，异常都非常显著。

武都应变台距离汶川地震震中约300km，为何会出现如此明显的震前异常？根据汶川地震前的形变观测，整个龙门山断裂带的应变速率很低，变形主要发生在龙门山断裂带以西的川西高原（高原等，2003），而武都应变台毗邻川西高原，因而应变异常显著。根据武都应变台所测应变资料计算的应变主方向，2000—2008年基本在NWW-SEE方向和NW-SE方向之间变化，这与GPS测量结果基本一致（杨国华等，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基金项目“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK19B03）和中央级公益性科研院所基本科研业务专项基金资助项目（ZDJ 2011-03，ZDJ 2013-06，ZDJ 2013-07）及地震行业专项（201408006）联合资助

2013-08-28

蒲小武，男，生于1976年。高级工程师。主要从事地形变及地下流体观测工作。E-mail: wdpuxw@163.com

蒲小武，陈征，高原，李涛，苏永刚，刘璎，许可娟，2014．武都分量钻孔应变在汶川8.0级地震前的异常变化分析. 震灾防御技术，9（1）：133—141.