唐山4.8级地震前易县地震台地应变异常特征

赵慧琴李均良张 肖佘雅文宋志刚符泽宇王 妍李万里

1）中国河北074211易县地震台

2）中国河北071000保定中心地震台

3）中国河北063000唐山中心地震台

4）中国河北067000承德中心地震台

唐山4.8级地震前易县地震台地应变异常特征

赵慧琴1）李均良1）张 肖1）佘雅文1）宋志刚2）符泽宇3）王 妍3）李万里4）

1）中国河北074211易县地震台

2）中国河北071000保定中心地震台

3）中国河北063000唐山中心地震台

4）中国河北067000承德中心地震台

2012年5月28日河北省唐山发生MS4.8地震，地震前易县地震台地应变观测数据出现异常，对四分量应变数据、体应变及伸缩仪观测数据，从发震时刻、异常形态、起始和持续时间、异常幅度等进行分析，认为异常在时间和形态上具有一致性，且同一地震台不同观测手段同时监测到异常，可见此异常具有可靠性。

唐山4.8级地震；地应变观测异常；可靠性分析；异常形态；特征分析

0 引言

2012年5月28日10时22分52秒，河北省唐山市区与滦县交界（39.7°N，118.8°E）发生MS4.8地震（以下简称唐山4.8级地震），震源深度8km。此次4.8级地震前，河北省易县地震台地应变观测资料出现异常变化，如YRY型四分量应变仪、TJ-2型体应变仪、SS-Y型伸缩仪记录，异常变化是否与地震有关，本文就此进行分析。

1 台站概述

易县地震台（以下简称易县台）始建于20世纪70年代，地处河北省保定市易县西陵镇龙里华村，清西陵以南，是隶属于河北省地震局的国家基本台。地质构造上处于太行山北段低山丘陵地区，紫荆关断裂带东侧，属于太行山隆起带与华北平原拗陷区的分界部位。易县台距唐山4.8级地震震中约290km（图1）。

易县台有多种形变观测手段，分别是YRY四分量钻孔应变观测、TJ-2钻孔体应变观测、SS-Y型伸缩仪观测、DSQ型水管倾斜仪观测、VS型垂直摆倾斜仪观测、跨断层短水准测量等。形变观测山洞进深200 m，洞体覆盖厚度大于40 m，洞体岩石为震旦系沉积岩。山洞年温度变化幅度小于0.5℃，日变幅度小于0.03℃，山洞周围无明显干扰因素。

易县台形变观测资料连续率、可信度较高，数据内精度和连续率均达到重点形变综合台的精度要求，符合形变观测规范要求。

2 钻孔应变资料异常

在唐山4.8级地震前，易县台TJ-2型体应变、YRY型四分量应变观测数据出现异常，二者均属于钻孔应变观测，下面就其观测原理、资料可靠性和异常形态进行分析。

2.1 测量原理

地壳应力状态变化是引起褶皱、断裂及地震等地表变形及破坏发生的根本因素，发生在地壳表面的各种地质灾害与地应力作用息息相关。钻孔应变观测是将观测仪器安装在钻孔下数十米至数百米的基岩中，精确观测地层内部应力—应变状态变化，研究应变异常与地质灾害的关系。这种技术是研究地壳应力状态及变化规律的主要手段，也是地震前兆观测的重要组成部分（苏恺之等，2005）。

体积式钻孔应变观测仪力学原理简明清楚，具有良好的高频特性与高灵敏度，仪器受地面观测干扰因素小，易取得较为可靠的观测资料，在全球应变观测仪数量中占有很大比例。

目前，采用的钻孔地应变测量方法是，在地面向地下打一个圆孔，采用仪器仪表记录钻孔直径变化量（当地应变变化时，钻孔形状随之变化），根据孔径与地应变之间的数量关系，由孔径变化计算地应变变化。在钻孔应变测量过程中，测量原理基于以下假设：①安装仪器的钻孔周围岩石是均匀且各向同性的弹性体；②地应力是平面应力状态；③测点周围一定区域内应力均匀分布；④钻孔变形可以看成，在无穷远处受均匀分布的外力作用下无穷大弹性薄板中圆孔的变形；⑤安装的受力元件参数一致（王紫研等，2012）。

TJ-2钻孔体应变仪器为数字化记录仪，灵敏度优于10-9，易县台2001年3月20日安装，钻孔深70.30 m，钻孔岩性分3个层位：0—2 m为第四系黄土，2—9 m为震旦系沉积页岩，9—70.30 m为中生代侵入闪长岩。YRY钻孔应变仪2009年8月安装，孔深38.0 m，岩性与体应变相同。

图2是YRY四分量式钻孔应变仪测量元件分布示意图。4个受力元件分别为1号、2号、3号、4号，每个受力元件依次相差45°。当受力元件受到岩石应力作用时，应该符合1号与3号元件测值之和等于2号和4号元件测值之和，简称1号+ 3号= 2号+ 4号，反映总面积应变，体应变=总面积应变+垂直变化，通常垂直变化受气压或地下水位干扰，但影响不大。

图2 YRY分量应变观测原件布置Fig.2 YRY component strain observation original layout plan

2.2 钻孔应变资料可靠性分析

张国红等（2010）通过RZB-1分量应变观测资料自身检验及与TJ-1A体应变资料互相验证，发现短距离内不同埋深的两个钻孔应变仪观测到同一种地应力变化，证明两种钻孔应变资料可靠。而易县台YRY钻孔分量应变仪与TJ-2体积式钻孔应变仪井孔相距约6.3 m，且处于同一构造体系，可见二者观测数据对比可以印证资料的可靠性。

图3为YRY钻孔分量应变仪1号、3号测值和2号、4号测值之和进行去倾斜分析后残差值曲线，对比两条曲线发现，二者长期变化趋势一致，相关系数达0.95，且变化幅度接近，前者为2.9×10-7，后者为3.2×10-7，说明观测资料自检是可靠的。

图3 YRY四分量应变残差值对比曲线（2012年）（a） 1号 +3号元件；（b） 2号 +4号元件Fig.3 Residual values of YRY four component strain in the year 2012

选取YRY钻孔分量应变与TJ-2体积式钻孔应变2012年1月1日—6月30日观测资料，进行一次多项式拟合残差对比。将YRY钻孔分量应变仪1号与3号元件面应变之和与TJ-2体应变数据拟合残差值进行比较（图4），发现二者变化形态基本一致，相关系数达0.842。由此可知，钻孔应变观测数据是可靠的。

图4 YRY分量应变（1号+3号）与TJ-2体应变残差值对比（2012年）（a） YRY分量应变1号+3号元件；（b） TJ-2体应变Fig.4 Residual values of YRY component strain （1+3） and TJ-2 body strain in the year 2012

2.3 TJ -2体应变异常

在2012年5月28日唐山4.8级地震前，TJ-2体应变记录到异常。体应变观测曲线3月19日起出现持续下降，呈张性变化，下降幅度达202.491×10-9，4月23日曲线转为迅速上升，呈压性变化，上升幅度达273.381×10-9，4月29日开始缓慢恢复，在恢复过程中发生唐山4.8级地震，异常持续时间50天，其中张性阶段35天，压性阶段6天（杨绍富等，2014）。

图5 体应变日均值及残差值曲线（a）体应变日均值；（b）残差值Fig.5 The day mean and residual value curves of body strain

2.4 YRY分量应变异常

唐山4.8级地震前，易县台YRY分量应变仪的EW、NS、NE分量在3月初均出现负异常，呈张性状态（图6）。各向分量变化幅度大，EW向变化幅度为1 634.256×10-10，NS向为1 402.643×10-10，NE分量异常变化幅度最大，为1 903.579×10-10，预示应张力方向为NE向，指向震中方向。EW、NS、NE分量异常形态相似。EW向观测曲线3月5日起大幅度下降，呈张性变化，3月15日转上升，呈压性状态，持续53天后发生唐山4.8级地震；NS向3月6日起大幅度下降，呈压性变化，3月19日转上升，呈张性变化，持续49天后发生唐山4.8级地震；NE向3月6日起大幅度下降，即呈张性变化，3月14日转上升，呈张性状态，持续54天后发生唐山4.8级地震。四分量异常形态呈现先张后压、异常恢复阶段发震的模式。

图6 2012年1月1日—6月30日分量应变日均值变化曲线（a）EW向；（b）NS向；（c）NE向；（d）NW向Fig.6 The day mean curve of component strain from January 1st to June 30th，2012

3 SS-Y型伸缩仪异常

3.1 观测参数

易县台SS-Y型伸缩仪置于易县地震台南侧山洞，山洞进深200 m，覆盖厚度大于40 m，山洞岩性底部为闪长岩，顶部为中厚层夹薄层石灰岩和页岩，观测环境符合观测要求。

SS-Y型短基线伸缩仪选用含铌特种因瓦棒（Nb-Invar）为基线，膨胀系数比石英小，性能稳定。NS向分量基线长度为10.17 m，EW向分量基线长度为15.85 m，NE向分量基线长度为15.38 m。

3.2 观测数据可靠性分析

SS-Y型伸缩仪2001年5月安装以来进行多次检定，各项性能指标见表1。检测数据显示，观测资料可靠。

3.3 异常特征

易县SS-Y伸缩仪NS、EW、NE分量在2012年唐山4.8级地震前均出现异常形态。由图7可见，NS向2012年3月31日曲线开始上升，呈张性状态，4月5日达最大值，上升幅度达1 262.924×10-10，4月18日曲线开始下降，呈压性状态，38天后发震；EW向4月14日曲线开始迅速上升，呈张性状态，4月15日达最大值，上升幅度达365.925×10-10，4月28日曲线开始下降，呈压性状态，异常持续24天；NE向4月14日曲线开始迅速上升，呈张性状态，4月15日达最大值，上升幅度达667.6×10-10，4月27日曲线开始下降，即呈压性状态，异常持续24天。由图7可知，NS、EW、NE方向均在异常恢复过程中发生唐山4.8级地震。

图7 2012年1月1日—6月30日伸缩仪日均值（a）EW向；（b）NS向；（c）NE向Fig.7 The day mean curve of expansion meter from January 1st to June 30th，2012

4 结果

由上述分析可知，在2012年唐山4.8级地震前，易县台TJ-2型体应变仪、YRY型四分量应变仪、SS-Y型伸缩仪均记录地形变异常，见表2，由此可得出以下结论。

表2 唐山4.8级地震前易县台地应变异常统计Table 2 Statistical analysis of the abnormal situation before Tangshan MS4.8 earthquake

（1）同一台站不同观测手段均监测到地震异常，显示异常具有可靠性。TJ-2型体应变仪、YRY型四分量应变仪、SS-Y型伸缩仪属于不同形变前兆观测项目，在唐山4.8级地震前均记录到异常变化，3种观测相互印证，显示异常具有可靠性，应为地震前兆异常。

（2）异常显示出时间上的一致性。3种异常时间比较同步，基本起始于2012年3月底到4月初，4月中下旬产生转折变化，持续一段时间发生地震。

（3）异常显示出相同的形态特征。易县台体应变、分量钻孔应变和伸缩仪记录在唐山4.8级地震前出现同步转折变化，可以归纳为曲线先呈张性变化，之后转为压性变化，在异常恢复过程中发震（陈开坊等，1999）。该现象表明，在区域应力—应变、震源应力—应变的共同作用下，仪器观测场地地壳发生变化，反映了震源区外围地壳的变形过程，能够明显记录地壳介质在孕震过程中应力—应变的演变过程，是一种较好的临震异常反应。

（4）台站观测记录的群体性异常应当引起重视。具有多项同类观测手段的地震台站，如果仅有个别观测手段出现异常反应，可信度较低，往往是环境、人为干扰或仪器因素所致，如果多项观测手段均出现异常，则可信度较高，应当引起重视（李占录等，2004）。

5 结束语

根据不同仪器记录到的数据曲线特性，可以分辨地震前地壳应力—应变蠕变过程曲线的共性，观测断层由地幔挤入岩浆引起的变化，能够判明沿断层位移，包括地面隆起、倾斜，并试图从各方面阐明发震过程。曲线形态随空间变化的规律性表明，地震在孕育过程中的共性占主导地位，至少在临地震前异常阶段是如此（苏恺之等，2003）。这种规律性可能建立具有普遍性的地震前兆观测机理，将有力地推动地震台站观测与研究的深入进展。

陈开坊，李占录.张北6.2级强震前易县台地形变临震异常［J］.华北地震科学，1999，04：70-71.

李占录，苏树朋，支树明，等.昆仑山口西8.1级地震易县台潮汐形变图像浅析［J］.大地测量与地球动力学，2004，24（4）：82-84.

苏恺之，李海亮，张钧，等.钻孔地应变观测新进展［M］.北京：地震出版社，2003.

苏恺之，张钧，李秀环，等.钻孔环境在钻孔地形变观测中的作用［J］.地震地磁观测与研究，2005，26（6）：46-55.

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杨绍富，徐长银.铁门关钻孔应变记录地震及其固体潮畸变特征［J］.地震地磁观测与研究，2014，35（1/2）：188-192.

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The abnormal characteristics of the earth train at Yixian Seismic Station before Tangshan MS4.8 earthquake

Zhao Huiqin1），Li Junliang1），Zhang Xiao1），She Yawen1），Song Zhigang2），Fu Zeyu3），Wang Yan3）and Li Wanli4）
1） Yixian Seismic Station，Hebei Province 074211，China
2） Baoding Central Seismic Station，Hebei Province 071000，China
3） Tangshan Central Seismic Station，Hebei Province 063000，China
4） Chengde Central Seismic Station，Hebei Province 067000，China

A MS4.8 earthquake occurred in Tangshan，Hebei Province on May 28，2012.The earth train observation at Yixian Seismic Station are abnormal，which include the observation of the four component strain，the body strain and the expansion meter.The reliability of these data is verified.The basic situation of abnormal is introduced.The common features of the anomalies are summarized from the abnormal form，the abnormal start and the duration，the abnormal amplitude，the earthquake moment and so on.The analysis shows that the anomaly has the consistency of time and form，and the different observation means of same station at the same time all detect the anomaly，and show that the anomaly has the reliability.

Tangshan MS4.8 earthquake，earth strain observation anomaly，reliability analysis，abnormal form，feature analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.013

赵慧琴（1982—），女，河北张家口人，工程师，硕士研究生，主要从事地震形变观测与研究工作。E-mail：zhaohuiqinzhjk@163.com

河北省地震局监测、预测、科研三结合项目资助课题（2015123104）

本文收到日期：2015-07-09