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2015年昌黎MS 4.2地震发生前易县地震台钻孔应变观测数据异常

2021-12-07赵慧琴

地震地磁观测与研究 2021年4期
关键词:应变仪易县昌黎

赵慧琴

(中国河北 071000 保定地震监测中心站)

0 引言

我国开展钻孔应变观测已有60 多年的历史,而采用四分量钻孔应变仪进行观测,自仪器结构设计的提出至今已40 多年。21 世纪初,四分量式钻孔应变仪被纳入中国地震台网,开始全面为我国地震监测、预测、预报服务。据统计,该仪器在我国布设近百台,多次记录到大中地震前后的应变异常(苏恺之,2020),钻孔应变观测的重要实用性正在得到证实和发扬。相关文献有:池顺良等(2014)对四川和青海的四分量钻孔应变仪观测资料进行分析,发现在远距离的汶川、鲁甸、康定地震前,S1+S3和S2+S4两组面应变数据曲线相关系数在震前出现异常;Kong 等(2018)、苏恺之等(2018)指出,云南昭通的四分量钻孔应变仪观测资料,在近距离的彝良MS5.7 和鲁甸MS6.5 地震前,2 组面应变相关系数在震前数天和震时均出现异常变化。

北京时间2015 年9 月14 日18 时10 分,河北省秦皇岛市昌黎县发生MS4.2 地震(39.7°N,118.8°E),震源深度14 km,距震中约300 km 的易县地震台(以下简称易县台)四分量钻孔应变仪观测数据在震前出现不同程度的异常。文中收集整理易县台四分量钻孔应变仪记录的昌黎MS4.2 地震数据,计算并提取面应变和切应变异常,分析发现,S1+S3和S2+S4两组面应变相关系数在震前数天出现异常,此为继2014 年池顺良等和2018 年孔向阳和苏恺之的报道后,再一次出现面应变相关系数异常。

1 台站概况

易县台位于河北省保定市易县西陵镇龙里华村,地处太行山北段丘陵地区,紫荆关断裂带东侧,太行山隆起带与华北平原拗陷区分界部位。该台YRY 四分量钻孔应变仪(下文监测钻孔应变仪)于2009 年8 月安装,孔深38.0 m,井段9—70.3 m 为中生代侵入闪长岩。钻孔应变仪有4 个受力元件,分别命名为1 号、2 号、3 号、4 号,各元件安装位置依次相差45°,但实际角度与理想位置稍有偏差,方位角分别为50°、95°、140°和5°。元件分布示意见图1。

图1 易县台钻孔应变仪观测元件安装示意Fig.1 Installation of observation elements of borehole strain gauge at Yixian Seismic Station

2 计算原理

2.1 面应变与切应变计算

钻孔内水泥和钢筒各个层位的应力、应变、位移等均有同形式的关系式,只是表达式不同。根据钻孔应变仪安装原理,各元件均匀分布(夹角基本相等),受到岩石应力作用时,应变测值Si应符合如下关系式(苏恺之,1985;蒲小武等,2013)

式中:Si为元件测量值依时间的变化量;θi为最大主应变方位角;ε1、ε2为岩石的最大、最小主应变;Ai为第i号元件对(ε1+ε2)的灵敏系数;Bi为第i号元件对(ε1-ε2)的灵敏系数;(ε1+ε2)为主应变之和,即面应变;(ε1-ε2)为主应变之差,严格来说是最大切应变。

Ai、Bi的值取决于岩石、水泥及钢筒应变仪的力学参数及其边界条件。当A1=A2=A3=A4=A,B1=B2=B3=B4=B时,有

式(2)表明,1 号与3 号元件应变测值之和等于2 号与4 号元件应变测值之和,其变化值仅与面应变(ε1+ε2)有关(苏恺之,2004)。式(3)则表明,1 号与3 号元件应变测值之差(或者2 号与4 号应变测值之差)仅与最大切应变(ε1-ε2)有关。

若切应变灵敏系数B已知,则切应变计算公式如下

式(4)的本质是勾股弦定律,(S1-S3)和(S2-S4)相当于勾和股,最大切应变值则是弦长的1/2(当B=1 时)。

2.2 相关系数计算

设观测数据序列{y1i}、{y2i},i=1,2,...,N,其相关系数定义为k=S12/(S1S2),其中

3 震前应变异常分析

昌黎MS4.2 地震前,易县台钻孔应变仪四分量在震前均出现大幅度异常变化,且异常形态相似(图2,图中应变曲线向下为压缩,向上为拉伸)。1 号与2 号元件应变记录曲线于2015 年6 月25 日出现大幅度下降变化,呈张性状态,8 月8 日达极值,变化幅度分别为-9 733.161×10-10,-4 721.042×10-10,后转为上升恢复阶段。3 号与4 号元件应变记录曲线于2015 年6 月25 日出现大幅度上升变化,呈压性状态,7 月25 日和7 月28 日达极值,变化幅度分别为5 558.441×10-10和3 633.624×10-10,后转为下降恢复阶段,并在持续80天后发生昌黎MS4.2 地震(赵慧琴等,2017)(在A/B具体数值未给定前,设定A=B=1,对曲线形态无太大影响,仅差一个具体修正值)。

图2 2015 年易县台钻孔应变日均值曲线Fig.2 Daily mean value curves of borehole strain observation at Yixian station in 2015

3.1 面应变和切应变异常

图3 给出易县台钻孔应变观测2015 年面应变与切应变曲线。由图3(a)可见,在异常出现前6 个月以上,面应变曲线呈均匀平缓上升趋势,而切应变曲线则近于直线变化,伴有斜率的缓慢变化,表明方位角发生改变。由图3(b)可见,切应变存在明显的应力波动现象。

图3 易县台钻孔应变观测2015 年面应变与切应变曲线(a)面应变曲线;(b)切应变曲线Fig.3 Surface strain and shear strain curves of borehole strain observation at Yixian station in 2015

为进一步分析切应变应力波动周期,使用差分绝对值法,对震前约75 天的面应变和切应变数据进行一阶差分分析(图4)。一阶差分是抑制较长周期,突出前兆信息的有效方法,表示曲线变化的速率,可能反映了地壳介质应力变化过程中较高频扰动部分,多属短临前兆。差分值的月或日频次反映了应力扰动的月或日频次。不同台站的构造、介质、电性等条件不同,对应力扰动的响应有所差别,异常判断指标难以统一,可根据某台以往差分值月或日频次对应地震的情况确定相对指标(张凌空等,2013)。

由图4(a)可见,面应变无明显周期,而切应变应力波动周期约为7 天。由图4(b)可见,在此次昌黎MS4.2 地震发生前,2 组切应变曲线于8 月16 日—23 日在快速下降过程中出现一次近同步的向上抖动,该异常现象是否为震前地壳应力应变的结果,值得深入研究。

图4 2015 年7 月1 日—9 月13 日易县台面应变与切应变一阶差分绝对值曲线(a)面应变一阶差分曲线;(b)切应变一阶差分曲线Fig.4 Curves of the absolute values of the first-order difference of surface strain and shear strain observations at Yixian station from July 1 to September 13,2015

3.2 相关系数异常

选取2015 年昌黎MS4.2 地震发生前后1 年面应变观测数据,按1—6 月、7—8 月和9—12 月进行分时段分析,观测曲线见图5。由图5 可见,1—6 月,S1+S3和S2+S4两组面应变曲线近乎同步[图5(a)];7 月1 日—21 日[图5(b)中黑色框线区域]、9 月2 日—23日[图5(c)中黑色框线区域],2 个时段内S1+S3和S2+S4两组面应变曲线同步性相对较差,其余时段近乎同步。

根据图5 所示,计算相应时段S1+S3和S2+S4两组面应变的相关系数k,以深入研究面应变曲线变化的同步性。计算结果如下:①2015 年1 月1 日—6 月30 日:k=0.996 >0.99;②7—8 月:k=0.975(综合计算)。其中:7 月1 日—21 日,k=0.676 1 <0.99;7月22 日—8 月31 日,k=0.998 > 0.99;③9—12 月:k=0.988(综合计算)。其中:9 月2 日—23 日,k=0.843 <0.99;9 月24 日—12 月31 日,k=0.997 > 0.99。

图5 地震前后不同时间段面应变曲线(a)1—6 月(k =0.9960);(b)7—8 月(综合k =0.975);(c)9—12 月(综合k =0.988)Fig.5 Surface strain curves at different time periods before and after the earthquake

由k值计算结果可知,在1—7 月、7 月22 日—8 月31 日、9 月24 日—12 月31 日,k值均大于0.99,表明2 组面应变曲线相关性较好,满足自检原理;在7 月1 日—21 日、9月2 日—23 日,k值均小于0.99,相关性较差,面应变曲线变化不同步。

为寻找异常规律,进一步缩小时间尺度,以天为单位,详细统计震前不同时间S1+S3和S2+S4两组面应变曲线相关系数k值的变化,具体结果见表1,可见2015 年1—7 月,2 组面应变相关系数k值均大于0.99,8 月2 日面应变曲线出现差异,k值降低至0.989 1,8 月23 日面应变曲线出现明显差异,k值继续降低,到9 月7 日降至0.820 1,7 日后发生昌黎MS4.2 地震。

表1 不同时间2 组分钟值面应变相关系数Table 1 Statistics of correlation coefficient k of the two-minute surface strains at different times

4 结论和讨论

通过对易县台2015 年昌黎MS4.2 地震钻孔应变观测记录进行分析,可以得出以下结论:①此次地震发生前,钻孔应变仪四分量均出现大幅度异常变化,且形态相似。切应变总变化量不大,但2 组曲线出现近同步抖动异常,周期约7 天,而面应变出现较大幅度异常,周期不明显;②在此次地震发生前43 天起,2 组面应变曲线出现分叉现象,相关系数k值由大于0.99 下降到0.989 1,之后随着地震的临近,k值继续下降,至震前7 天,k值降至0.820 1,并于7 天后发震。

与池顺良等(2014)、Kong 等(2018)和苏恺之(2018)所分析的震例相比,此次昌黎MS4.2 地震相对较小,震中距适中,震后2 组面应变相关系数在几天至十几天内仍未恢复自洽,与苏恺之(2018)的结论不同,有待进一步积累震例资料进行深入研究。对于震前切应变总变化量不大,而面应变出现较大幅度异常的特异现象,需从地质和断层力学结构等方面进行深入研究。

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