文安5.1级地震前后地壳形变特征研究

余 丹，魏 星，纪寿文

（中国地震台网中心，北京 100045）

0 引言

2006年7月4日11时56分，在河北省文安县发生MS5.1级地震。首都圈的北京、天津、河北、山西、山东部分地区均有不同程度的震感。研究发现文安地震前重力测网内出现了以上升为主的异常变化，在文安地震震中，短期内形成了重力高梯度带［1］。同时有专家研究发现体应变、跨断层位移测点群体趋势转折［2］，钻孔应力应变测点先后出现了中短期异常［3］。上述文献揭示了地震前前兆信号存在的可能性，因此本文综合利用洞体应变和钻孔应变资料，采取不同的方法研究文安地震前后地壳形变的变化特征。

洞体应变和钻孔应变观测作为重要的地震前兆监测手段，在地震监测预报研究中发挥着重要的作用，尤其在地震短临预报研究中取得了许多研究成果，为地震预报研究积累了丰富的观测资料。张晶等［4］综合分析认为，文安地震前局部应变场的异常变化在200km 范围内，异常持续3个月左右，池顺良［5］观测到了汶川和芦山强震孕震过程中四川姑咱地震台的潮汐畸变应变异常现象。周文斌［6］认为在俄罗斯东海岸6.2级地震前敦化台钻孔应变资料记录到了显著的短期和临阵异常。山丹台体应变在汶川8.0级地震前46h、8h、37min时分别记录到了明显的短临阶跃异常［7］。本文综合利用2种应变观测资料的时间序列法和图像法，研究文安地震前后应变演化特征及与地震和构造的关系，并进行定性分析。

1 台站概况

在首都圈地区，距离文安震中200km 范围内运行的应变观测台站共计10个（图1），但2006年前正常运行并获得数据的只有4个台站，因此选取这4个台的应变观测资料进行分析。为对比距离震中较远的形变台站的变化情况，本文特别分析了距震中约245km 的张家口台站（表1），这些应变连续观测站的布设使首都圈地区的应变观测达到了一定的密度。

图1显示该次地震发生在牛东断层和高阳－博野断裂带附近。离震中最近的台站为天堂河地震台和易县地震台。大兴天堂河台位于北京市大兴区天堂河医院院内，距离震中约89km，是首都圈Sacks体应变综合观测台网的一个子站，南苑－通县断裂在附近通过。井下探头使用的是美国华盛顿卡内基研究所研制的Sacks－Evertson钻孔应变仪，能记录到清晰的固体潮变化，稳定性好。2001年9月完成数字化改造，实现分钟值采样和数据自动传输。

易县地震台位于保定市西北部，在易县县城西20km 处，距离震中约95km，该台为形变综合台，其中，SS－Y 型伸缩仪和TJ－II型钻孔体应变仪自2001年起正式运行以来，仪器工作正常，产出观测资料连续率良好，稳定可靠。位于河北省易县县城西20km 处，太行山山前大断裂和西部紫荆关大断裂之间，其附近有次级断裂构造（大红门断层）。

图1 首都圈定点应变观测台站分布图

昌平地震台位于北京市昌平区十三陵风景区卧虎山脚下，距离震中150km，构造上位于北东向南口－山前活动断裂和北西向南口－孙河活动断裂交汇部位以东7.5km 处，属于应力变化敏感区。其中，RZB－1分量应变仪在2008年6月以前仪器各分量运行状态基本正常，TJ－II型体应变仪于2005年3月18日安装并启用。

小辛庄观测山洞为部队战备山洞，位于蓟县城东15km，蓟县台台站东约4.5km，距离震中约19km，山洞处于阴山纬向构造体系东部的东西向压性断裂带的许家台－蓟县－遵化山前断裂区，与新华夏系华北沉降带东北边缘相接。1983年底小辛庄山洞改造建设竣工并投入使用，架设了SSY－Ⅱ石英伸缩仪。

张家口地震台地处京西北、晋冀蒙交界地区，位于阴山东西向构造带与山西地震带北端、张家口－渤海地震带西北端的交汇部位，距离震中最远，约为245km。该台的TJ－Ⅰ型钻孔体应变仪和SS－Y 型伸缩仪工作正常，产出观测资料连续率良好，稳定可靠。

表1 文安地震前应变异常统计

2 观测资料分析

本文对上述5个台站应变观测资料的日均值和分钟值进行了初步分析，并对易县观测站和张家口观测站的伸缩应变参数进行计算分析。

2.1 时序变化

从表1 所示的5 个台站8 套应变仪器来看，200km范围内的多数台站存在同震效应。图2 显示了4个体应变台的临震和震后的分钟值变化曲线，可以看出在震前4天昌平、易县、张家口台的应变幅度在7月1—4日均呈下降趋势，在震后的7月5日达到最低，从7月6日开始应变幅度呈上升趋势；仅天堂河台的应变幅度在7月1—4日呈上升趋势，在7月6日达到最高。同时，4个台的峰谷幅度差值逐渐降低，在地震当天达到最低，震后峰谷差值逐渐增加。

图2 易县、昌平、天堂河、张家口体应变7月1—10日分钟值原始变化曲线图

图3为易县（a）、张家口（b）、小辛庄（c）的洞体应变原始分钟值变化曲线图，从图上可以清晰地看出，3台的各分量曲线在1—10日出现上升趋势，其峰谷差值也呈现上升的趋势，而地震恰恰发生在峰谷差值最低点的7月4日。

图3 易县（a）、张家口（b）和小辛庄（c）洞体应变7月1—10日分钟值原始变化曲线图

图4显示了昌平台钻孔应变的NS分量应变幅度在7月6日出现转折，由升高转为下降，而NE 和NW 分量应变幅度在7月6日变化速率加快，但总体变化趋势一致。

图4 昌平钻孔应变7月1—10日分钟值原始变化曲线图

图5为小辛庄台2006年各分量的日均值曲线变化图，可以看出自2006年3月底至6月底期间，先是在3月底至4月初出现轻微的膨胀变化，然后出现急剧的压性下降状态，直到地震前出现阶跃变化。

图6为易县台伸缩仪三分量观测曲线，NS 向观测在2001—2005年呈下降的压性变化，2006年初由下降转为上升变化，在上升和下降过程中发生了文安5.1 级地震，2007年恢复压性下降状态，2010年初再次转为向上的膨胀变化，2012年恢复。EW 向观测在2001—2004年呈下降的压性变化，2005年变化趋势逐渐稳定，2011年再次转为下降的压性变化。NE 向于2005年下半年转为向下的压性变化，2006年出现短暂的平缓变化，2007年恢复压性下降状态，2009年以后曲线呈相对缓慢的压性下降状态，2011年出现转折。

图5 小辛庄洞体应变2006年日均值变化曲线图

图6 易县台2001—2012年洞体应变日均值观测曲线图

上述台站均属华北北部、首都圈地区，在文安地震前，从短临的分钟值曲线和长期的日均值曲线来看，钻孔应变、体应变和洞体应变在临震前出现了大范围同步转折变化，其现象表明，在区域应力、震源应力的共同作用下，大范围地壳不同层位岩石的应力积累达到较高水平。有研究［2］表明，断层活动的强弱是区域主压应力强弱的表现，亦是孕育地震强弱的一个标志。

2.2 应变参数变化

在力学中，应变状态是以主应变、剪切应变、主应变方向等参数来描述的。在应力场作用下，剪应变的变化更能体现岩石破裂过程中的作用，虽然剪应变不可直接观测到，但可通过伸缩仪3个方向的应变组合观测，计算出平面应变参数：剪应变、主应变、最大剪应变以及主应变方向等［8］，从而分析区域应变场的变化，进一步研究地表平面应变状态与地震和构造的关系。

图7 应变张量在不同坐标系框架下的转换

目前的应变台网的定点伸缩仪观测站具有3个方向观测，除了2个正交方向的观测外，还有一个斜边观测。根据测得的3个方向的应变值，按照主应变、剪应变计算公式，即可计算出主应变、剪应变、主应力方向。图7所示的观测方向为目前大部分观测站的测线方向，以张家口和易县台的观测方向为例，张家口观测站斜边观测为NW 向，易县观测站斜边观测为NE向。

为探索文安地震前的应变状态变化，本文特对距离震中较近的易县地震台和较远的张家口地震台的洞体应变进行了应变各参数（最大主应变、最小主应变、最大剪应变和主应变方向）进行了计算。图8为易县台平面应变参数的计算结果，可以看出，最大主应变、最小主应变和最大剪应变曲线在文安地震前后都出现了转折。在2010年初也发生同步转折；主应变方向在2006年7月出现大幅度的转折变化，其后恢复，至2012年12月，未再出现明显的异常变化。

图9为张家口台的各种应变参数曲线。可以看出，最大主应变、最小主应变和最大剪应变在2001—2008年变化较为平稳，2009年出现同步转折，加速上升或下降，2011年再一次发生转折。主应变方向在2005年出现向下的加速变化，2009年出现了转折，其后变化较稳定。以上所述的异常变化在时间上可对应2005年8月31日蔚县4.0 级地震，该地震距张家口台约100km，而2006年7月4日文安地震前该台没有异常显示。

图8 易县台应变参数变化曲线

图9 张家口台应变参数变化曲线

3 认识与讨论

本文分析了文安地震前200km 范围内观测站及张家口地震台的洞体应变、钻孔应变和体应变的变化形态，从震前的分钟值变化，中短期的日均值变化到应变的各参数变化，在华北北部、特别是首都圈地区应变资料出现了大范围、同步转折变化，部分台站出现畸变变化。其现象表明，文安地震前在区域应力、震源应力的共同作用下，大范围地壳不同层位岩石的应力积累达到较高水平。

离震中最远的张家口NS 向、NW 向观测曲线和最大主应变、最小主应变、最大剪应变曲线在2009年同步出现了加速上升或下降，且变化幅度很大，2011年初又同步发生转折。而离震中较近的易县NS向、EW 向观测曲线2011年发生同步转折，最大主应变和最大剪应变在2010年也出现了同步加速上升变化。以上2个台及台内不同应变参数之间发生的同步转折，可以认为这种变化不是偶然的，表明了首都圈西部区域应变场在2011年前后发生了变化。但首都圈及附近地区近年来除文安地震外，并没有中强以上地震发生，经分析认为这可能反映了引发周边特大地震的板块构造应力场变化，在时间上恰好与2011年3月11日日本本州东海岸附近海域发生的M9.0地震对应。日本9级地震发生在日本岛弧的日本海沟地震带，该地震带属于西太平洋地震带，日本岛弧位于太平洋板块、菲律宾板块、欧亚板块与北美板块相冲的地方。日本岛弧与中国东部地块构造及应力场具有统一性，这无论是从板块构造角度还是地质力学的角度都能解释［9］。在日本海沟地区，由于太平洋板块的斜向俯冲运动，产生持续形变、积累应力，并孕育大地震。随着太平洋板块俯冲运动的继续，在板块边界发生变形的同时，陆地一侧的应变也不断地增加。可以认为，太平洋板块的俯冲运动为欧亚大陆地震的发生提供了力源。华北地区位于欧亚板块东面，它受到太平洋板块向西俯冲的力较为直接。因此，多个台及各个台内不同应变参数之间发生的同步转折现象，可能反映的是引发周边特大地震的板块构造应力场的变化。

通过上述分析，可以得到以下几点认识：

（1）在文安地震前，各种分析证明，距震中200 km 范围内的台站部分伸缩仪的原始观测曲线和计算的应变参数曲线在震前均出现张性或者压性转折变化，或者阶跃变化。

（2）地表潮汐平面应变与地震存在一定的关系，而且在中强地震前后地表平面应变状态表现出不同的变化特征。

（3）在中强地震发生前，最大主应变、最小主应变、最大剪应变加速上升或下降，然后发生转折，转折时或转折后发生地震；有的地震发生在趋势上升或下降过程中。平面应变参数曲线也可能在地震后1～2年发生转折。2011年前后发生同步转折变化，且变化幅度很大，但首都圈及附近地区并没有中强以上地震发生，经分析认为这可能与引发2011年3月日本9.0级特大地震的板块构造应力场变化有关。

［1］ 王武星，石耀霖，张晶，等.河北文安5.1级地震前后重力场动态变化［J］.地震，2009，（2）：40－47.

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