天山中段两次地震前尼勒克分量式钻孔应变异常特征分析①

韩桂红， 滕海涛， 高歌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

分量钻孔应变仪是在钻孔中布设多个电容式位移传感器对地壳应变场变化进行监测的高精度的地球动力学观测仪器[1]。“十五”期间，中国四分量钻孔应变仪的研制和应用迅速发展，对四分量钻孔应变仪的研究也越来越深入。欧阳祖熙[2]、苏恺之[3]、邱泽华[4-5]、石耀霖[6]、池顺良[7]等对四分量钻孔应变台网观测数据进行评估，在“观测自洽”这个关键技术上实现重大突破；张凌空[8]、陈沅俊[9]等利用“双衬套”钻孔应变观测力学模型，推导出平面应力作用下分量应变仪观测中两个耦合系数的计算公式；邱泽华[10]、钟继茂[11]、张肖[12]等用多分量钻孔应变仪资料推算测区附加应变场的主应变大小和主方向；张国红[13]、斯琴[14]等人利用自洽方程检验数据可靠性；邱泽华[15]、刘琦和张晶[16]、蒋靖祥[17-19]、潘振生[20]、赵彬彬[21]用钻孔应变仪观测中强地震前的前兆异常，为地震预报研究提供可靠线索。

本文中以新疆尼勒克台2015年6月18日～2020年10月26日RZB-2型分量钻孔应变资料为例，首先分析霍城MS5.0 地震、拜城MS5.4 地震前钻孔应变异常变化特征，然后从四分量钻孔应变观测的特点入手，对自检因子、面应变和剪应变的异常变化进行分析，多方法、多角度解读地震前应变异常，以新视角、新方法来研究地应变场随时间的变化特征。

1 资料基本情况

尼勒克县地应变观测站地处尼勒克县喀拉托别乡萨依博依村内，距尼勒克县10 km，海拔高程1 184 m。该台附近的地貌类型主要有：山地、山前平原。该台附近有喀什河断裂带，是北天山西部一系列NWW向活动断裂中规模较大的一条。

尼勒克分量式钻孔应变井孔深度101.5 m，孔径133 mm，1#传感器方位为N8°W(图1)。0～28 m地层为强风化砂岩，岩石成分主要以石英、长石为主，少量云母，砂质结构，块状构造，节理裂隙较发育；28～100 m地层为中风化砂岩，岩石成分主要以石英、长石为主，少量云母，局部粒径较大，砂质结构，块状构造，节理裂隙较发育。

图1 尼勒克钻孔应变传感器方位图Fig.1Sensor orientation of Nilka borehole strain

该资料2015年6月18日开始观测，数据连续性较高，固体潮清晰，各分量应变潮汐因子值相对稳定，相对误差基本小于0.05的标准，符合地壳形变观测技术规范要求。有资料以来台站300 km范围内发生MS≥5.0地震8次，包括1次6级地震，该区域近几年地震活动水平较强(图2)。2020年10月27日四分量出现快速拉张、压缩变化，11月11日固体潮消失，频繁出现台阶、毛刺，观测系统故障，因此本文中资料选取时间截止到2020年10月26日。

图2 尼勒克观测台站附近MS≥5.0地震分布图Fig.2 MS≥5.0 earthquake distribution in vicinity of Nilka observation station

2 异常特征分析

2.1 曲线形态异常分析

2015年有资料以来，尼勒克钻孔应变仪NS分量呈趋势拉张变化；EW、NE分量呈趋势压缩变化，状态稳定；NW分量2017年以前呈趋势压缩，之后呈趋势拉张状态，每年3月前后存在融雪干扰，表现为快速压缩变化(图3)。

图3 尼勒克钻孔应变资料时序图(a) NS分量 (b) NE分量 (c) EW分量 (d) NW分量Fig.3 Data time series of Nilka borehole strain

2017年3月26日尼勒克分量钻孔应变NE和NW分量加速压缩。由于2016年同时段出现类似变化，初步分析认为可能是季节性融雪干扰。5月3日、7月5日NE、NW分量相继恢复，压缩幅度分别为67×10-9和238×10-9，较2016年融雪干扰异常幅度大，持续时间长。经过异常核实，排除仪器、供电、环境、气象等方面的干扰，自检精度为99.6%，判定为短期前兆异常。异常结束一个月后发生精河MS6.6地震，震中距64 km。

2019年10月四分量先后出现反向压缩、拉张变化，EW分量拉张变化发生在2019年10月23日～2020年2月13日，拉张幅度为222×10-9，NS分量压缩变化发生在2019年10月23日～2020年4月4日，幅度为770×10-9，其后发生2020年7月13日霍城MS5.0地震，震中距163 km。NE、NW分量反向拉张、压缩的开始时间分别为2019年10月1日和30日，异常持续到仪器观测系统故障，拉张、压缩幅度分别为660×10-9和528×10-9(图3)。本次异常和2017年较相似，以NE和NW分量异常变化为主，但持续时间长、异常幅度大。2021年3月24日发生拜城MS5.4地震，震中距256 km。分析认为，此次异常可能是霍城MS5.0地震、拜城MS5.4地震的前兆异常。

2.2 自检因子异常分析

利用SNS+SEW=SNE+SNW对四分量钻孔应变仪进行“自检”，即1+3和2+4分量，如果其相关系数接近于1，也称自检因子，则表明SNS+SEW与SNE+SNW相关性很好，说明观测数据较为真实可靠，符合实际观测情况[11]。

利用自检原理，计算尼勒克台分量钻孔应变1+3和2+4分量相关性。结果显示，2015年有观测数据以来整点值SNS+SEW与SNE+SNW的相关系数为50.09%，矫正后达95.28%(图4)，自检因子大于95%，表明观测数据真实可靠。

图4 尼勒克分量钻孔应变数据自检曲线(a) 相对标定前 (b) 相对标定后Fig.4 Self-test curve of Nilka component borehole strain

池顺良、苏恺之等人发现地应变仪四分量数据的“失洽”现象可能是震前短期异常[7，22]。本文中试用相对标定数据，以一日步长，70 d窗长做面应变自检因子统计曲线，结果显示，自检因子大部分时间接近于1，精河MS6.6、精河MS5.4、拜城MS5.0、霍城MS5.0地震均发生在自检因子 “失洽”过程中，异常形态为先下降后回返；地震时刻的自检因子基本达到最低值或在最低值附近(图5)。

图5 自检因子统计曲线Fig.5 Self-test factor statistical Curve

2.3 面应变和剪应变异常分析

钻孔应变四分量4个元件的读数变化在应用中常被分成2组：1和3分量、2和4分量的变化量相加，得出两个面应变；1和3分量、2和4分量的变化量相减，得出2个剪应变[23]，是井下仪器所获最直接的物理量。

(1) 2019年10月以后面应变、剪应变均有较为明显的异常变化，面应变1+3出现快速压缩变化，变化幅度为1 000×10-9；面应变2+4反向拉张，拉张幅度为255×10-9。剪应变 1-3 反向压缩，幅度为774×10-9；剪应变2-4反向拉张，异常幅度1130×10-9(图6)。

(2) 构造应变变化是一种恒定速率的变化。一旦剪应变、面应变曲线出现分叉，主应变方位角发生改变，表明该区域构造应力发生了改变。霍城MS5.0、拜城MS5.4地震前面应变 1+3 和2+4曲线出现分叉，精河MS6.6地震之前剪应变曲线也出现分叉现象(图6)。

(3) 从长时间面应变、剪应变序列看，2015年以来剪应变1-3的变化量值为14 748×10-9，剪应变2-4的变化量值为1 604×10-9，面应变1+3的变化量值为1 516×10-9，面应变2+4的变化量值为2 288×10-9，因此剪应变变化幅度大于面应变幅度5倍以上，且地震前异常幅度也较大，因此更有利于地震前兆异常信息的捕捉。

(4) 精河MS6.6地震前剪应变2-4也有一定程度的异常变化，表现为先压缩速率减缓后反向拉张，最后加速压缩(图7)。

图7 精河MS6.6地震前剪应变2-4曲线Fig.7 2-4 Shear strain curve before Jinhe MS6.6 earthquake

3 结论与讨论

通过尼勒克钻孔应变曲线、自检因子、面应变和剪应变的研究，发现天山中段霍城MS5.0、拜城MS5.4地震前均存在异常。震前先出现较长时间、较大幅度的应变异常，伴随着自检因子的明显突变，出现负值，然后发震。本次异常与精河MS6.6地震前相比，异常持续时间长、幅度大、距离远，先后发生霍城MS5.0、拜城MS5.4地震，本次异常的特点及后续多次中强地震的发生可能反映出该区域构造应力场震前明显增强。

自检因子出现变化有2种可能，一是仪器出现故障，如某路传感器工作超出线性区，格值发生变化未及时调整；二是与附近地层地质和地震活动加强有关。尼勒克钻孔应变仪有资料以来工作正常、资料可靠，排除第一种情况。自检因子在2017年精河MS6.6、2018年精河MS5.4、2020年霍城MS5.0地震前存在短期异常变化， 2018年缺数严重，对数据进行插值处理，可能影响自检因子的结果。精河MS6.6、霍城MS5.0地震前“失洽”异常可信度较高，可以将“失洽”研究应用到新疆其他钻孔应变资料分析中。

通过对尼勒克钻孔应变剪应变和面应变异常分析发现，霍城MS5.0、拜城MS5.4地震前剪应变表现出明显异常变化,与这两次地震为走滑型地震，机理一致；尼勒克地震台的位置在霍城MS5.0、拜城MS5.4地震的NW、SW方向上，使得剪应变2-4曲线的变化幅度大于剪应变1-3 曲线，这与苏恺之等人的研究结果基本一致，因此对钻孔应变剪应变的关注可能更有利于前兆异常信息的获取。

本文中首次试探性将自检因子、剪应变和面应变的异常分析应用到新疆钻孔应变预报分析中，在台站分布密集的地区，可以针对不同台站异常出现的时间、幅度，预测未来地震发生的时间、震级，为防震减灾工作的开展提供依据。在台站分布较为稀疏的地区，通过厘清观测异常，为该地区震情研判提供服务。