姑咱地震台张应变异常信号与修路施工间关系探讨

张凌空 牛安福

（中国北京100045 中国地震台网中心）

0 引言

四川姑咱地震台位于鲜水河、安宁河和龙门山断裂带交汇处的三岔口地区，2008 年5 月12 日和2013 年4 月20 日在龙门山断裂带相继发生汶川MS8.0、芦山MS7.0 地震，姑咱地震台震中距仅为155 km、80 km，该台是距这2 次地震震中最近的形变台站。该台有1 口YRY-4 型四分量应变仪观测井，井深40 m，基岩为花岗闪长岩，探头用改性的普通水泥固结在井下基岩里，以此保证应力、位移连续。规定观测曲线向下表示探头相应的分量元件受压；反之，则是受张。2008 年5 月12 日汶川8.0 级地震前该应变仪曾记录到大量压应变异常信号（邱泽华等，2009，2010；刘琦等，2011；张凌空等，2020），统计结果显示，异常幅值、频次和时间都与汶川地震有较强的对应关系。但之后2013 年4 月20 日芦山7.0 级地震，该异常并未重现，而是在地震前4 个月和前几天分别出现了显著的张应变异常变化（池顺良等，2013，2017；刘琦等，2014；邱泽华等，2015），该异常被认为可能是芦山地震的短期、临震地球物理异常。由于这是2 类性质完全不同的异常信息，且后者与同一时期台站门前的修路施工同步，异常是否与地震有关存在很大争议。事实究竟如何，关系到对地震地球物理观测的正确认识，故笔者对张应变异常与修路施工间的关系进行了探讨。姑咱地震台钻孔应变仪于2006 年10 月28 日安装，试运行一段时间后资料才入数据库，故统计时间从2007 年6 月12 日开始。从多年整体情况来看，4 个分量的观测结果不完全相同，但大致相近，限于篇幅，本文只给出具有代表性的第一分量的研究结果。

1 压、张应变信号每日合计幅值与地震间的关系

每日压应变信号往往出现不止1 次，故将各压应变信号的幅度累加作为当日的合计幅值[图1（a）]。由图1（a）可以看出，汶川地震前压应变量值和信号密度明显增加，2 月份幅值达到最高，之后逐渐衰减。2013 年4 月芦山地震和2014 年11 月康定地震前后压应变均未出现明显异常，表明汶川地震前出现的现象未重现（张凌空等，2020）。同样，将每日张应变的累加幅度作于图1（b），由于2013 年4 月芦山地震前出现了连续4天的高幅值变化，为了看清异常变化的细节，将图1（b）作限幅处理得到图1（c）。由图1（c）可见，显著异常主要发生在2012 年10 月底到2013 年6 月间，之前和之后出现的信号幅值都很小，且很稀疏，相比之下基本可以忽略不计。再将这段异常曲线放大得到图2，由此芦山地震前后张应变异常变化的细节得到进一步展现。

图1 2007—2014 年压应变、张应变异常信号每日合计幅度与地震间的关系（a）压应变信号每日合计幅度；（b）张应变信号每日合计幅度；（c）张应变信号每日合计幅度（限幅处理）；（d）汶川地震（震中距155 km）、芦山地震（震中距80 km）及康定地震（震中距14 km、50 km、44 km）震级Fig.1 The relationship between the daily total amplitude of the compressive strain and the tension strain abnormal signal and the earthquake

图2 2012 年10 月至2013 年6 月张应变异常信号每日合计幅度与芦山地震间的关系（a）张应变信号每日合计幅度；（b）张应变信号每日合计幅度（限幅处理）；（c）芦山地震（震中距80 km）Fig.2 The relationship between the daily total amplitude of the tension strain abnormal signal and the Lushan earthquake

2 张应变异常信号的基本特征——时间的准同步性

2.1 芦山地震前出现的张应变短期异常

图3 为2012 年底出现的1 组张应变短期异常。该组异常的共同特征是每日发生时间均为8:00—10:00，具有高度的准同步性。初步判断这不像是自然力引起的随机变化，而像是人类活动引起的有规律干扰。查阅台站工作日志，并询问了有关工作人员，得知2012 年11 月初到2013 年1 月初台站附近在修公路。该公路沿大渡河方向呈南北向分布，全长3 km，与台站间最近仅50 m，台站位于公路中间，修路从两边开始向中间汇拢，修修停停。其间，有大型挖掘机和重型自卸车等作业，还伴有放炮过程，邱泽华等（2015）曾到现场做过调研。

图3 2012 年年底出现的1 组张应变异常（a）11 月1 日；（b）11 月8 日；（c）11 月14 日；（d）11 月18 日；（e）12 月2 日；（f）12 月3 日Fig.3 A group of anomalous strain images of tensional strain appeared at the end of 2012

2.2 芦山地震前突发的张应变临震异常

2013 年4 月初姑咱地震台门前施工再次启动，之后断断续续进行。图4 为芦山地震发生前后数日内出现的1 组临震异常，异常幅值3 108×10-10—202×10-10，为观测以来振幅最高的异常。需要说明的是，芦山地震当天施工仍在进行，由于地震波幅值相对较高，故对图4（e）作了限幅处理。与图3 类似，图4 也具有高度的准同步性，异常均出现在7:30—17:00 之间。据台站工作日志，这几天施工已推进到台站大门口，最近距离仅50 m。汶川地震时应变波最大振幅为7 061×10-10，远高于压应变异常幅度（图1）。而芦山地震时记录到的应变波最大振幅为1 466×10-10，但2013 年4 月16、17 日张应变异常振幅却高达3 000×10-10左右（图4），与之相差2 倍，如果这是临震地球物理观测异常，则该信号比由地震产生的同震变化还大，明显有违常理。

图4 2013 年4 月20 日芦山地震前后数天出现的1 组张应变异常（a）16 日（最大幅度3 108×10-10）；（b）17 日（最大幅度2 798×10-10）；（c）18 日（最大幅度1 138×10-10）；（d）19 日（最大幅度874×10-10）；（e）20 日（最大幅度660×10-10）；（f）21 日（最大幅度202×10-10）Fig.4 A group of anomalous strain images of tensional strain appeared several days before and after the Lushan earthquake on April 20,2013

2.3 芦山地震后的张应变异常

芦山地震后修路曾中断数日，进入5 月份开始复工。之后，情况变得进一步复杂，因为又发现台站周围有多个水电站（最近5 km）在建设施工，这也有可能对应变仪产生影响，但影响有多大，不十分明确。图5 为芦山地震后出现的1 组张应变异常。图5 与图3 很类似，异常时间也都集中在8:00—10:00。

图5 2013 年4 月20 日芦山地震后出现的1 组张应变异常（a）5 月1 日；（b）5 月3 日；（c）5 月7 日；（d）5 月10 日；（e）5 月12 日Fig.5 A group of anomalous strain images of tensional strain that appeared after the Lushan earthquake on April 20,2013

3 施工对腾冲地震台观测影响的实例

3.1 挖掘机近距离施工对钻孔应变观测的影响

云南腾冲地震台YRY-4 型钻孔应变观测井深45 m，基岩为安山玄武岩。2016 年9 月26 日1 台挖掘机在井旁1 m 处挖草坪（面积约17 m2），15:18—15:22 应变仪第1 分量产生了1 个压性脉冲（图6），幅度为781×10-10，井水位无明显变化。15:40—16:07挖掘机连续作业，历时27 min，之后电缆被铲断，观测停止，其间应变曲线发生了脉冲型压性变化，最大幅度达857×10-10，井水位相应发生了上升变化，涨幅约14 m，且上升起始时间比应变异常滞后3 min。由图6 可见，随着挖掘工作的进行，应变曲线不断下降（压性），9 min 后转而上升（张性），到断电时已基本恢复到初始状态；而井水位约1 min就达到高值，之后基本维持在该水平，挖掘机开走后逐渐回落。

图6 2016 年9 月24 日挖掘机近距离施工对腾冲台钻孔应变和井水位观测产生的干扰（a）第3 分量应变；（b）井水位Fig.6 The interference of near distance construction of excavator to borehole strain and well water level observations at Tengchong station on September 24,2016

很显然，不同于静力学问题，挖掘机对应变仪的影响为动态过程。为什么应变曲线一开始幅度大，之后又变小，其间遵循何种机制？由于没有详细的施工记录，其动力轨迹与观测曲线间尚难以建立准确的物理联系。

与姑咱地震台筑路施工的影响不同，腾冲地震台应变仪探头并非受张而是受压，这可能与干扰源的距离和观测场地的构造有关。腾冲地震台地势较平，挖掘机就在井边，施工动力可能对井壁岩石产生了侧向压力，故探头受压；姑咱地震台钻井位于山坡上，道路施工在台站下方向两边延伸，最近距离50 m，最远1 500 m，探头的受力过程较复杂，其力学机制尚难以阐明。

3.2 人工湖施工和修路对钻孔应变观测的干扰

2010 年4 月后腾冲地震台周边农田大面积开挖，建造人工湖，该处距台站600—800 m，重型机械频繁施工。图7（a）、7（b）为2 个典型干扰实例，时间段为每天8:00—22:00，特征为在应变固体潮观测曲线上叠加了许多短周期高频波动信号，最大振幅为30.8×10-10，但井水位没有相应变化。2017 年腾冲台附近有市政建设修路施工，时间是每天8:30—20:00，图7（c）显示了由远及近的干扰过程，干扰与台站间最近距离为50 m，最大振幅为18.5×10-10，井水位同样没有明显变化。由图7 可见，农田开挖和修路都会对应变探头产生影响，但与姑咱地震台相比，干扰小很多，周期也较短，属压张波动型，这可能与干扰距离、地形构造和施工动力过程等存在明显差异有关，需要更多的观测实例来论证。

图7 人工湖施工和修路对腾冲地震台钻孔应变第3 分量观测曲线产生的干扰（a）2010 年6 月7 日人工湖施工；（b）2010 年8 月10 日人工湖施工；（c）2017 年1 月3 日修路；（d）2017 年2 月12 日修路Fig.7 Disturbance produced by artificial lake construction and road repair on the third component observation curve of borehole strain at Tengchong station

4 结果与讨论

（1）2008 年汶川地震前姑咱地震台压应变异常信号每日合计幅值、频次均随时间显著增加，2008 年年底后强度明显减弱；2013 年芦山地震和2014 年康定地震发生时该现象未重现。与应变仪同井观测的水位记录没有该现象。

（2）姑咱地震台张应变显著异常主要发生在2012 年10 底到2013 年6 月，其他时间段信号稀疏且幅值都很小，基本可以忽略。其间虽然发生了芦山地震，但异常信号出现时间与台站门前修路施工的开始时间吻合。井水位记录同样没有该现象。

（3）压、张异常是2 类性质不同的信息，应分开讨论，切莫在统计时混为一谈。

（4）无论是震前、临震和震后，姑咱地震台张应变异常的基本特征都是时间上具有高度的准同步性，即都发生在每日8:00—10:00 或7:30—17:00，这正是白天工人上班施工的时间。自然力产生的异常应符合随机性特征，不应有如此强的规律性。4 月16、17 日张应变异常振幅比20 日芦山地震本身产生的振幅还大2 倍，如果将其视为临震地球物理异常明显有违常理。故笔者认为在震例分析时，不能排除这些张应变异常为施工干扰的可能性。

（5）腾冲地震台的观测结果表明，受近距离施工（1 m）的影响，应变仪探头呈压性而非张性，变化幅度可达857×10-10；稍远处施工（≥50 m）则是压、张共进，但幅度较小，为18×10-10—31×10-10。可见观测场地、干扰距离和施工细节的不同，干扰的结果会有差异。

（6）施工对应变仪的影响属于动力学问题。由于涉及到干扰距离、强度、作用方式和观测场地构造等诸多复杂因素，目前建立动态干扰模型还较困难，这是在干扰和地球物理异常判别上一直存有争议的主要原因。相信随着施工实例的不断积累，会慢慢得到较清晰的认识。

姑咱地震台和腾冲地震台的工作人员分别提供了施工干扰的基本信息，在此表示诚挚谢意。