连云港地震台钻孔应变同震变化观测资料分析

孙 雷 曾 智 立 凯 何浩宇 秦 磊

（中国江苏 222061 连云港地震台）

0 引言

固体潮潮汐因子是固体潮观测值与理论值的比值，具有物理意义清楚的特点，正常情况下在一定范围内波动，能有效反映地壳介质的物性变化，往往在震前发生畸变。当地壳内应变积累到一定程度，力学状态明显改变时，介质物性发生变化，M2波潮汐因子随之变化（中国地震局监测预报司2008），现已广泛应用于地震前兆分析。

在钻孔体应变实际观测中，由于地震台井孔条件、观测环境的不同，体应变仪记录的固体潮受到诸多因素影响，其中受气压与降雨影响较大，许多学者从理论模型和实际观测资料分析其相关性（张凌空等，1996；苏恺之等，2003；马栋等，2011；郑江蓉等，2011）。

本文尝试使用潮汐因子分析方法，对连云港地震台（以下简称连云港台）体应变观测资料进行相关分析，以期捕捉地震前兆信息。

1 测点地质概况

连云港台始建于1976年，海拔高程约30 m，在大地构造分区中隶属于扬子与华北断块之间的苏北—鲁南地体；南以嘉山—响水断裂为界，西与郯庐断裂为邻，东濒黄海。台站附近主要断裂为NE向猴嘴—南城断裂和新河—桑墟断裂，地形受构造控制明显。台址基岩属前寒武系云台山组中段，岩性为花岗片麻岩。岩层走向NE—SW，倾向SE，倾角约35°。探头安装于深度61.15 m、孔径l50 mm的裸孔底部。钻孔岩性较均匀，0—4.8 m 为土层， 4.8—61.0 m为混合片麻岩，钻孔周围无明显干扰源。同时安装气压、水位、井温、观测室温和降雨量等辅助观测仪器，仪器安装完毕即投入试运行。

2 资料选取

连云港台TJ-2型钻孔体应变仪于2006年12月18日架设，2007年1月1日正式运行。TJ-2体积式钻孔应变仪采用格值为2.32×10-9/mV，仪器灵敏度优于1×10-9，工作状态良好，能清晰记录到应变固体潮，能记录到全球大部分强震类似地震波形的同震应变阶。“十五”模式主机中含有气压、水位、室温3项辅助测项，已积累多年连续可靠的观测数据。本研究选取2009—2013年连云港台体应变数字观测资料进行分析。

3 干扰影响

钻孔体应变受气压、水位影响，而强降雨最终通过钻孔水位影响体应变变化。利用EIS2000（蒋骏等，2000）提供的软件对连云港地震台2009—2010年钻孔体应变整点值数据进行多元线性回归分析，取检验值F=0.05，得出复相关系数R=0.787。计算结果表明，连云港台体应变与气压、水位及降雨存在明显的相关性（图1）。

图1 2009—2010年连云港地震台气压变化与钻孔体应变和钻孔水位变化的关系曲线Fig.1 The relative curves of the change of atmospheric pressure with the change of bore hole strain and water level at Lianyungang Seismic Station during the year 2009 to 2010

3.1 气压影响

连云港地震台体应变观测资料精度较高，可记录到清晰的应变固体潮，但存在一定干扰和漂移现象。气压变化是对体应变观测影响较大的因素之一，气压影响系数与台址岩石的弹性模量、泊松系数密切相关。气压干扰主要是大气压强对地球表面的一种负荷效应，通过钻孔和岩石或岩石裂隙同时作用于钻孔水位和体应变探头，造成钻孔水位和应变量变化。图1为2009—2010年两者之间的对应关系（体应变资料进行去倾、零飘处理）。由图1可见：①当气压变化比较剧烈时，体应变资料呈现同步变化；②当气压由高值向低值变化时，体应变资料由低值向高值变化，两者之间呈反向准同步变化。

（1）气压对体应变的影响受季节影响。为消除气压对体应变的影响，采用一元线性回归模型，计算体应变和气压的相关系数。

式中，a(t)为体应变观测值，P(t)为气压观测值，b为回归系数，a为常数项。由式（1）计算可得，连云港台体应变观测值与气压回归系数b=－1.389×10-10/Pa（负号表示气压与水位负相关）。选取2009年应变观测日均值，计算结果见表1，结果显示：气压变化与体应变相关性较高，不少月份相关系数达0.5以上，气压变化幅度越大相关性越好。气压对钻孔体应变的影响，季节不同强弱不同，春、秋、冬季影响较大。

表1 2009年体应变与气压相关系数Table1 The correlation coeff i cient of bore hole strain with atmospheric pressure in the year 2009

（2）气压短周期波动对应变量影响显著。2013年3月23日连云港台体应变、气压分钟值曲线见图2，由图2可见：在19∶40—20∶30气压急剧变化时，应变量呈现明显的正相关变化。

图2 连云港台2013年3月23日气压、体应变分钟值曲线Fig.2 Minute-value curves of atmospheric pressure and body strain at Lianyungang Seismic Station on March 23,2013

3.2 水位影响

钻孔水位变化的本质是含水层或破碎带中孔隙水压力的变化，孔隙水压力发生变化带来体应变观测值变化。从钻孔水位长期变化（图1）看，连云港钻孔体应变和水位变化具有较好的同步性，二者变化趋势一致。采用一元线性回归模型，计算体应变和水位的相关系数。

式中，a(t)为体应变观测值，h(t)为水位观测值，b为回归系数，a为常数项。由式（2）计算得，连云港体应变与水位的回归系数b=3.820×10-10/cm。选取2009年水位日均值，计算结果见表2，结果显示：在钻孔水位从高值下降时，钻孔体应变观测值呈下降趋势，水位变化与体应变相关性较高，多数月份二者之间相关性较气压与体应变相关性高，不少月份相关系数达0.6以上，平均值达0.751。说明水位变化是影响体应变观测的另一个重要因素。

表2 2009年体应变与水位相关系数Table2 The correlation coeff i cient of bore hole strain with water level in the year 2009

3.3 强降雨影响

钻孔体应变受钻孔水位变化影响比较显著，其短期突然变化，主要因大量降雨造成水位上升，引起体应变观测值变化。大量降雨造成钻孔周围岩石和岩石裂隙含水量增加、钻孔水位上升，岩石吸水后膨胀效应导致体应变探头负荷挤压力增加，即应变量增大。当然，降雨只有积累到一定程度，才能促成固体潮畸变。根据郑江蓉等（2011）的研究，验证这一变化过程：由于降雨对体应变的影响与降雨过程、降雨量及降雨时间等密切相关，体应变对降雨的响应存在延迟效应，这是因为水的渗透需要一定时间，孔隙水压力的增加是逐渐进行的。

2012年7月6—15日连云港台体应变、水位分钟值曲线见图3。由图3可见：7月8日出现强降雨，爆发山洪，导致井孔灌水，水位突然上升，体应变数值日变形态发生畸变，持续至11日。由此可见，强降雨引起钻孔水位上升，水位变化量和应变变化量呈明显的正相关变化，并具有滞后效应。

图3 连云港台2012年7月6—15日水位、体应变分钟值曲线Fig.3 Minute-value curves of water level and body strain at Lianyungang Seismic Station during July 6 to 15,2012

4 异常变化特征

4.1 应变曲线映震效应

连云港台TJ-2体应变仪运行以来，记录到多次强远震产生的显著同震变化，映震能力较好，振幅效应明显。图4为几次地震时连云港台体应变同震效应分钟值曲线。由图4可见：震级越大，应变振幅波动和频率变化越大；震中距越近，应变振幅波动和频率变化越大。虽然高邮4.9级地震连云港台震中距仅150 km，但因震级偏小，体应变曲线表现不明显。此外，体应变同震效应变化形态不尽相同：除汶川地震为震荡—上升型变化外，其余几次均为震荡型变化。

图4 连云港地震台体应变同震效应分钟值曲线Fig.4 Coseismic effect minute-value curves of body strain at Lianyungang Seismic Station

以2008年5月12日汶川8.0级地震为例，分析连云港台体应变同震效应。表3为汶川8.0级地震发生后，连云港体应变同震效应与水位的相对变化量（相对于数据平稳时段）。图5为连云港地震波形及体应变、水位的变化曲线。由表3和图5可见：①汶川地震发生后，连云港台体应变14∶34出现震荡变化，与S波到时基本相同（体应变是分钟值采样，而地震计每秒采样60个数据，存在一定时间误差），随着L波的到来，体应变震荡幅度随之变大，当面波开始衰减，体应变的变化幅度随之衰减，14∶44后产生变化量约240.7×10-9的台阶；②体应变与地震波形变化相似，呈现压性—张性—压性的交替变化，与S波及L波的运动过程相同，说明体应变的同震效应由二者的运动作用产生；③因P波运动的传递轨迹与S波和L波不同，当地震仪记录到P波后，而体应变未记录到相应变化；④连云港台体应变的同震效应为震荡—上升型变化，而水位的同震效应为震荡型变化，原因有待进一步研究。

表3 汶川8.0级地震时体应变与水位相对变化量Table3 The relative variation of body strain and water level in Wenchuan M 8.0 earthquake

图5 汶川地震8.0级地震体应变同震效应分钟值曲线(a)原始记录波形；(b)体应变与水位同震效应Fig.5 Amplitude effect minute value curves of body strain for Wenchuan M 8.0 earthquake

4.2 临震异常特征

连云港台体应变整点值M2波潮汐因子精度较高，在一定幅度内持续波动。以2013年4月20日8时02分发生四川芦山县M7.0地震为例，分析连云港台体应变临震异常特征。

（1）单台变化。2009年至2013年7月31日连云港台体应变潮汐因子变化见图6。由图6可见：2012年11月M2波潮汐因子数值较高，12月突然快速上升，打破原有波动幅度，出现超2倍均方差的异常现象，2013年1月—3月精度明显下降，体应变周日波潮汐因子同时段出现类似异常，核实发现，连云港台辅助气压和水位均无明显变化，也无人为和环境干扰。异常结束后，于2013年4月20日8时02分发生四川芦山县M7.0地震（震中距约1 600 km）。因此认为，异常的出现对应此次地震的信度较高。

图6 连云港台2009年1月1日至2013年7月31日体应变潮汐因子变化曲线Fig.6 The tidal factor curves of borehole pressure at Lianyungang Seismic Station form Jan.1, 2009 to Dec.31, 2013

（2）多台变化。连云港、徐州和溧阳地震台2014年1—7月体应变周日波潮汐因子变化曲线见图7。由图7可见，3个地震台的周日波潮汐因子于2013年3月1日、13日同时出现明显的超差异常现象。经调查落实，上述3台地理位置相差不远，当日天气无较大变化，认为气象因素干扰可能性较小，且3个地震台异常形态相似，由此判断此次地震前异常是可靠的。

图7 连云港台、徐州台、溧阳台2013年1—7月体应变周日波潮汐因子变化曲线Fig.7 The tidal factor curves of borehole pressure at Lianyungang, Xuzhou, Liyang seismic stations form Jan.to Jul, 2013

5 结束语

因连云港地震台位于苏鲁皖交界地区，地震活动水平偏低，近震资料缺乏，且异常特征不明显，只能针对远大震进行数据分析。通过对2009年—2013年7月31日连云港台体应变潮汐因子M2波、周日波变化进行分析，得出以下结论：①远大震同震效应明显；②在2013年芦山7.0级大震前，临震异常特征明显。同时，气压、水位、降雨等干扰因素与连云港台体应变相关性较高，在资料处理时应予以剔除。

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