祁連山地震構(gòu)造帶沙層應(yīng)力儀觀測(cè)記錄與地震活動(dòng)初步分析*

程建武，郭雪蓮，董治平，鄭衛(wèi)平

0 引言

2000年以來(lái)，中國(guó)大陸發(fā)生了多次7級(jí)以上大震，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，尤其是2008年汶川8.0級(jí)地震造成的損失極為慘重。面對(duì)嚴(yán)重的地震災(zāi)害，公眾對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提出了更高的要求，社會(huì)對(duì)地震研究的需求也越來(lái)越迫切。目前沙層應(yīng)力儀作為監(jiān)測(cè)地震前兆信息的觀測(cè)手段，已獲得了有一定參考價(jià)值的資料和數(shù)據(jù)。

沙層應(yīng)力儀的深入研究和進(jìn)一步改進(jìn)，提高了儀器數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化程度，對(duì)儀器測(cè)量信號(hào)和響應(yīng)等進(jìn)行了標(biāo)定，戶外實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的信息與實(shí)際地震前兆信息十分相近 (Lu et al，2011);用沙層應(yīng)力儀捕捉到實(shí)際臨震前兆信息，初步得到與地震發(fā)生相關(guān)聯(lián)的前兆信息 (王玉瑩等，2003;孫威，2007;孫威，孫曉明，2008;武安緒等，2009a)。陳健等 (2011)利用河北懷來(lái)臺(tái)和安徽合肥臺(tái)的沙層應(yīng)力記錄特征進(jìn)行了分析，認(rèn)為因?yàn)閮x器特征和顆粒特性，沙層應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果和一般的形變觀測(cè)存在較大的區(qū)別。沙層應(yīng)力觀測(cè)不到固體潮，也沒(méi)有明確的日變規(guī)律，其記錄受溫度變化影響較大。但由于每個(gè)儀器臺(tái)站所處環(huán)境的特殊性，其記錄亦有個(gè)性特征。

祁連山地震構(gòu)造帶位于青藏高原東北緣，其東段的海原斷裂與牛首山、香山—天景山、六盤(pán)山和隴縣—寶雞等活動(dòng)斷裂帶共同組成青藏高原東北緣NE向的弧形斷裂系。該斷裂帶的大地構(gòu)造位置屬于北祁連褶皺帶與河西走廊過(guò)渡帶的交接部位，自晚第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為整體活動(dòng)性強(qiáng)，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大的特點(diǎn) (劉百箎等，2008)，是一條強(qiáng)震活動(dòng)帶，也是未來(lái)可能發(fā)生中強(qiáng)以上地震甚至大震的地區(qū)。本文分析了目前架設(shè)在該構(gòu)造帶上的兩臺(tái)沙層應(yīng)力記錄儀的沙層記錄的基本特征、并討論了觀測(cè)記錄與地震活動(dòng)關(guān)系。

1 臺(tái)站和沙層應(yīng)力資料的基本情況

2008年汶川8.0級(jí)地震后，中國(guó)地震局于2008年的8月和9月分別在蘭州觀象臺(tái)和嘉峪關(guān)中心臺(tái)各架設(shè)了一臺(tái)沙層應(yīng)力記錄儀 (圖1)，目前已經(jīng)積累了近3年的觀測(cè)資料。沙層應(yīng)力記錄儀放置在人工開(kāi)挖的沙坑中，儀器記錄的是土層圍壓對(duì)沙層作用后的結(jié)果，該儀器的發(fā)明初衷就是捕捉地震前的短臨信息。

1.1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

蘭州觀象臺(tái)位于蘭州市區(qū)北側(cè)，其附近有北西西向的金城關(guān)斷裂通過(guò)，該斷裂長(zhǎng)約25 km，走向N50°～ 60°W，傾向 SW(何文貴等，2008)。王志林和李百祥 (2006)據(jù)重力場(chǎng)特征分析，推斷金城關(guān)斷裂在深部為向北傾的逆斷裂，根據(jù)蘭州市地震活斷層探測(cè)的最新結(jié)果，為中更新世晚期活動(dòng)斷層 (袁道陽(yáng)等，2008)。

嘉峪關(guān)臺(tái)位于嘉峪關(guān)市附近，其附近有北北西向的嘉峪關(guān)斷裂通過(guò)，嘉峪關(guān)斷層是河西走廊盆地內(nèi)部的一條重要斷層，走向NNW向，晚第四紀(jì)以來(lái)新活動(dòng)特征以擠壓逆沖為主兼具右旋走滑，斷層全新世有古地震活動(dòng)，為一條晚更新世—全新世活動(dòng)斷層 (何文貴等，2010)。

蘭州觀象臺(tái)和嘉峪關(guān)的沙層應(yīng)力儀觀測(cè)資料共有5個(gè)測(cè)項(xiàng)，有NS、EW道，斷層道和地面振動(dòng)測(cè)量道，表層測(cè)溫等輔助測(cè)項(xiàng)。

沙層應(yīng)力儀記錄的是土層中的應(yīng)力勢(shì)的變化，表現(xiàn)為記錄為電信號(hào)變化，單位為mV，根據(jù)已有的研究，該儀器的有效監(jiān)測(cè)范圍經(jīng)驗(yàn)值:5級(jí)－100 km，6級(jí) －200 km，7級(jí) －500 km，8級(jí)－1 000 km，9級(jí)－3 500 km以上 (孫威，2007)。

1.2 沙層應(yīng)力資料的基本特征

沙層應(yīng)變觀測(cè)和傳統(tǒng)的形變觀測(cè)不同。目前已有的形變觀測(cè)是在巖石里，應(yīng)力作用是建立在彈性力學(xué)基礎(chǔ)上的，而沙層應(yīng)變觀測(cè)是在細(xì)沙里，是顆粒之間的相互作用，外界應(yīng)力作用于沙層后，在沙層中產(chǎn)生的力鏈作用于記錄儀器的結(jié)果 (陸坤權(quán)等，2011)。這種作用也有別于水位觀測(cè)，顆粒狀態(tài)并不是完全流動(dòng)的。整個(gè)顆粒系統(tǒng)是由力鏈支撐的，這種支撐一直處于非穩(wěn)的狀態(tài)，因此沙層應(yīng)變觀測(cè)在某種程度上是模擬地殼應(yīng)力作用結(jié)果的非穩(wěn)性。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所對(duì)沙層應(yīng)力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試和室內(nèi)外應(yīng)用狀態(tài)下的模擬測(cè)試(Lu et al，2011)，證明傳感器對(duì)位移和振動(dòng)敏感，直接位移靈敏度為納米級(jí) (不加放大器)，有自組織能力，線性和非線性響應(yīng)，能區(qū)分壓應(yīng)力 (逆勢(shì)脈沖)和張應(yīng)力 (順勢(shì)脈沖)，對(duì)電磁干擾和聲波干擾的影響不明顯 (陸坤權(quán)等，2011)。這些測(cè)試結(jié)果表明，儀器能真實(shí)反映微弱的地下活動(dòng)，與物理機(jī)制關(guān)聯(lián)密切，可以直觀地顯示出地震前兆異常的線性過(guò)程、非穩(wěn)狀態(tài)和地震發(fā)生前后的地殼應(yīng)力狀態(tài) (孫威，孫曉明，2008;武安緒等，2009b)。

沙層應(yīng)變觀測(cè)是建立在沙層中觀測(cè)的，它具備力在顆粒介質(zhì)中傳播的一些特性，有別于傳統(tǒng)意義的形變觀測(cè)，因此一般形變觀測(cè)的影響因素在沙層觀測(cè)上沒(méi)有體現(xiàn)。一般形變觀測(cè)能連續(xù)記錄一些因素的影響，而沙層應(yīng)變更多的反應(yīng)的是非穩(wěn)變化，而本身的顆粒不緊密特性也決定了無(wú)法對(duì)氣壓、固體潮、降雨等做出響應(yīng)。

圖1 青藏高原北部地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖及臺(tái)站位置 (據(jù)劉百篪等 (2008);崔軍文等 (2006);袁道陽(yáng)等 (2004)修編)Fig.1 Tectonic sketch of the northern Tibetan Plateau and the location of stations(modified by Liu et al(2008)，Cui et al(2006)，Yuan et al(2004))

2 沙層應(yīng)力觀測(cè)記錄與強(qiáng)震關(guān)系分析

筆者分析了蘭州觀象臺(tái)和嘉峪關(guān)2個(gè)臺(tái)站的沙層應(yīng)力觀測(cè)記錄特征，并討論沙層應(yīng)力記錄與祁連山地震構(gòu)造帶上中強(qiáng)地震及區(qū)域大震的活動(dòng)關(guān)系。

2.1 近震記錄特征

圖2 蘭州觀象臺(tái)記錄的2009年青海海西6.4級(jí) (a)、2012年甘肅肅南4.9級(jí)地震 (b)震前沙層應(yīng)力變化特征Fig.2 Sand bed stress variation characteristic before Haixi MS6.4 earthquake，Qinghai in 2009(a)and Sunan MS4.9 earthquake，Gansu in 2012(b)recorded by Lanzhou Earth Observatory Station

在2008年8月蘭州觀象臺(tái)沙層應(yīng)力臺(tái)建成后，在其西南部于2009年8月28日發(fā)生了青海海西6.4級(jí)地震，從圖2a可以看出，蘭州觀象臺(tái)的沙層應(yīng)力在8月18～23日有明顯日畸變，其中EW道日變幅度變小，在24日有明顯的突跳，可能與震前應(yīng)力場(chǎng)不穩(wěn)定有關(guān)，NW道沙層應(yīng)力 (與構(gòu)造線方向一致)也出現(xiàn)日變幅顯著變化，日變形態(tài)與背景日變形態(tài)有明顯的變化。而祁連山西段的嘉峪關(guān)臺(tái)記錄的沙層應(yīng)力無(wú)明顯的變化，主要原因是嘉峪關(guān)臺(tái)本身有故障，出現(xiàn)“靠擺”現(xiàn)象，加上環(huán)境干擾等因素導(dǎo)致資料不可靠，因此沒(méi)有捕捉到異常信息。

2012年5月11日，在距蘭州臺(tái)230 km處發(fā)生了肅南4.9級(jí)地震，蘭州臺(tái)EW和NW(斷層方向)道記錄到了該地震震前臨震突跳，如圖2b所示。從圖中可以看出，肅南4.9級(jí)地震前EW道沙層應(yīng)力日變形態(tài)基本完整，5月7日EW和NW道同時(shí)發(fā)生了突跳和日畸變，10日出現(xiàn)日變形態(tài)異常，11日發(fā)生了肅南4.9級(jí)地震。嘉峪關(guān)臺(tái)儀器故障，這段時(shí)間記錄不可信。

2.2 遠(yuǎn)震記錄特征

2010年在青海玉樹(shù)發(fā)生了7.1級(jí)強(qiáng)震，該地震發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)—風(fēng)火山斷裂上，從構(gòu)造背景上分析，玉樹(shù)地震發(fā)生在巴顏喀拉山塊體的南邊界。而嘉峪關(guān)臺(tái)在祁連山地震構(gòu)造帶上，距玉樹(shù)地震震中770 km。從該臺(tái)的沙層應(yīng)力記錄資料來(lái)看 (圖3a)，EW道沙層應(yīng)力在玉樹(shù)地震前主要表現(xiàn)為日變幅度的變化，于4月8日開(kāi)始變小，并逐漸消失，在14日地震后沙層應(yīng)力日變幅度增大，形態(tài)逐漸恢復(fù)。而NS道在玉樹(shù)地震前未見(jiàn)明顯的異常記錄。蘭州觀象臺(tái)在4月由于施工的影響沒(méi)有記錄到玉樹(shù)地震的異常變化，主要原因是臺(tái)站旁邊道路硬化造成了大幅度影響，如圖5中所示，高頻干擾可能淹沒(méi)了玉樹(shù)地震異常。

嘉峪關(guān)臺(tái)EW道沙層應(yīng)力在2010年2月20～22日出現(xiàn)了日畸變，同時(shí)可見(jiàn)轉(zhuǎn)折變化在2月16日，16后有趨勢(shì)性上升，在上升過(guò)程中發(fā)生了智利8.8級(jí)地震 (圖3b)。蘭州觀象臺(tái)在智利地震前，EW道日變形態(tài)從2月19日開(kāi)始略微有變化，這可能與臺(tái)站構(gòu)造部位的差異和記錄狀態(tài)有關(guān)，也就是說(shuō)隨著震源與臺(tái)站相對(duì)位置的變化，記錄亦有變化。這表明臺(tái)站并非每次都能夠記錄到地震的前兆異常。

圖3 嘉峪關(guān)臺(tái)記錄2010年青海玉樹(shù)7.1級(jí) (a)、智利8.8級(jí)地震 (b)震前沙層應(yīng)力變化特征Fig.3 Sand bed stress variation characteristic before the Yushu MS7.1，Qinghai(a)and Chile MS8.8(b)earthquakes in 2010 recorded by Jianyuguan Station

圖4 蘭州觀象臺(tái)記錄到2011年日本9.0級(jí)和緬甸7.2級(jí)地震的發(fā)震過(guò)程Fig.4 Earthquake preparation process of Japan M9.0 and Myanmar MS7.2 earthquakes in 2011 recorded by Lanzhou Earth Observatory Station

2011年3月11日日本發(fā)生了9.0級(jí)地震，該地震發(fā)生在太平洋與歐亞板塊的俯沖帶上，是影響全球的一次巨震，蘭州觀象臺(tái)基本完整記錄了這次地震前短期的變化過(guò)程 (圖4)，從2月8日開(kāi)始，蘭州觀象臺(tái)就記錄到了應(yīng)力勢(shì)的擾動(dòng)過(guò)程，表現(xiàn)為日變幅度變小，日變形態(tài)異常，在3月初開(kāi)始恢復(fù)，但日變形態(tài)并不完整，3月5日基本恢復(fù)，一周內(nèi)就發(fā)生了日本9.0級(jí)地震，5～11日的記錄是應(yīng)力從場(chǎng)區(qū)向震源區(qū)收縮的一個(gè)過(guò)程，地震后基本恢復(fù)。而從13日開(kāi)始，日變幅度又開(kāi)始減小，甚至消失，出現(xiàn)了日變不正常，上升的加速趨勢(shì)一直持續(xù)到了23日，24日發(fā)生了緬甸7.2級(jí)地震。

從上面的幾個(gè)震例研究來(lái)分析，沙層應(yīng)力記錄在地震發(fā)生前出現(xiàn)了一些異常變化，主要表現(xiàn)為日變形態(tài)的改變，沙層應(yīng)力突跳增加，出現(xiàn)整體趨勢(shì)的變化等。同時(shí)也清楚地看到該資料記錄不到同震效應(yīng)，對(duì)月相調(diào)制記錄也不明顯。這些資料形態(tài)的變化可能與地震的孕育發(fā)生存在一定的因果關(guān)系，下面通過(guò)對(duì)沙層應(yīng)力觀測(cè)資料干擾的分析進(jìn)一步明確沙層記錄與地震活動(dòng)的關(guān)系。

3 觀測(cè)記錄的干擾分析

地震前兆資料的研究中最主要的一點(diǎn)就是排除非地震因素的異常。儀器記錄在觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)電路、采集軟件等環(huán)節(jié)存在不同程度的干擾異常，從而影響了地震前兆的可信度。

沙層應(yīng)力觀測(cè)記錄主要來(lái)自沙層中應(yīng)力變化的信息，其靈敏度較高，主要干擾來(lái)自人的作息活動(dòng)、施工和電源變化。由于人的作息活動(dòng)影響，臺(tái)站附近施工等操作導(dǎo)致觀測(cè)記錄受到干擾，如2010年4月在觀象臺(tái)旁邊硬化道路造成的干擾，記錄主要表現(xiàn)為高頻振蕩變化，與施工時(shí)間嚴(yán)格一致 (圖5)。圖6顯示了由于電源變化停電、電壓波動(dòng)的干擾，嘉峪關(guān)臺(tái)5月19日和26日沙層應(yīng)力記錄出現(xiàn)高頻振蕩變化。

圖5 蘭州觀象臺(tái)沙層應(yīng)力觀測(cè)記錄受周圍施工影響Fig.5 Sand bed stress observational curve influenced by construction around Lanzhou Earth Observatory Station

圖6 嘉峪關(guān)臺(tái)沙層應(yīng)力觀測(cè)記錄由電源變化引起的干擾Fig.6 Sand bed stress observational curve recorded by Jiayuguan Station interfered by power supply variations

以上列舉的這幾種干擾，相對(duì)比較明確。但從長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)記錄來(lái)看，資料中出現(xiàn)的突跳、階變和不明原因的升降等隨機(jī)變化，其影響因素比較難于判別。因此在異常判定中區(qū)分地震前兆異常和干擾因素也是沙層應(yīng)力預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的難點(diǎn)。

4 沙層應(yīng)力記錄與地震孕育的關(guān)系

(1)從沙層應(yīng)力記錄本身分析，沙層應(yīng)力記錄儀安裝在沙層裝置中，記錄土層應(yīng)力勢(shì)的變化，儀器靈敏度高，從祁連山地震構(gòu)造帶兩個(gè)臺(tái)的記錄資料來(lái)看，沙層應(yīng)力儀能夠記錄到土層中的一些應(yīng)變信息，即沙層應(yīng)力記錄能反映日變規(guī)律等，在地震前也捕捉到了與孕震有關(guān)的一些信息，這說(shuō)明儀器客觀的記錄到了與地震活動(dòng)有關(guān)的變化，資料可靠可信。

(2)在沙層記錄與地震活動(dòng)研究方面，武安緒等 (2009)利用北京市地震局的昌平和通州2臺(tái)沙層應(yīng)力儀，研究了在汶川大地震前后記錄到的完整的沙層應(yīng)變動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。通過(guò)比較分析，初步認(rèn)為僅昌平臺(tái)沙層應(yīng)力儀記錄到獨(dú)特的應(yīng)變變化過(guò)程，這一變化過(guò)程基本符合儀器發(fā)明人孫威 (2007)提出的孕震物理模型概念。從這一過(guò)程中不難看出包括快速加載 (應(yīng)力增強(qiáng)，也包涵一定的擾動(dòng))、平衡相持 (基本穩(wěn)定變化)、快速卸載 (具有擾動(dòng)和快速下降特性)、短臨變化 (應(yīng)變擾動(dòng)變化、震前平靜和幅度收縮)和臨震信號(hào)(出現(xiàn)單邊脈沖現(xiàn)象)5個(gè)明顯不同特征的變化階段，其動(dòng)態(tài)演化過(guò)程具有完整性和連續(xù)性，顯著性和階段差異性特征，特別在后3個(gè)階段信息含量比較豐富。該過(guò)程表現(xiàn)可以初步認(rèn)為是一類較典型的地震趨勢(shì)前兆，通過(guò)比較初步認(rèn)定該過(guò)程基本再現(xiàn)了沙層應(yīng)力儀在國(guó)內(nèi)外多次觀測(cè)到的地震前兆沙層應(yīng)變異常圖像所表達(dá)的強(qiáng)震孕震過(guò)程。

但是祁連山地震帶上的2個(gè)臺(tái)站，從目前的累積資料來(lái)看，與武安緒等 (2009)研究的地震孕育發(fā)生的幾個(gè)階段有較大的區(qū)別，基本上沒(méi)有明顯的幾個(gè)孕震過(guò)程，主要表現(xiàn)為臨震信息，主要異常出現(xiàn)在震前半個(gè)月之內(nèi)。

(3)沙層應(yīng)力記錄資料在近震與遠(yuǎn)震的反映并不相同，從目前這兩個(gè)臺(tái)的資料來(lái)分析，遠(yuǎn)震、大震在地震前沙層資料記錄主要表現(xiàn)為日變幅度的縮小和消失，沙層應(yīng)力整體擾動(dòng)增大，日變形態(tài)發(fā)生畸變，主震主要發(fā)生在沙層應(yīng)力剛開(kāi)始恢復(fù)和恢復(fù)后一周之內(nèi)。近震的主要表現(xiàn)為日變規(guī)律異常，資料擾動(dòng)大，出現(xiàn)臨時(shí)突跳信息。

從本文的震例分析可以看出，沙層應(yīng)力記錄到了地震孕育圖像和一些短臨異常的信息，其異常變化趨勢(shì)與正常的非加卸載應(yīng)變變化過(guò)程具有很大的本質(zhì)區(qū)別，地震異常的趨勢(shì)明顯，小尺度細(xì)節(jié)變化也與正常的日變化背景明顯不同，說(shuō)明沙層應(yīng)變記錄基本上可以捕捉到在一些大地震發(fā)生的過(guò)程中區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的演化過(guò)程，這可能對(duì)今后的地震預(yù)測(cè)研究具有一定的指示意義，也說(shuō)明該儀器有別于以前常規(guī)的應(yīng)變觀測(cè)儀器，在地震預(yù)測(cè)的研究方面具有一定的獨(dú)特性。

5 結(jié)論與討論

(1)對(duì)祁連山地震帶上安裝的2臺(tái)沙層應(yīng)力記錄儀器近4年多的觀測(cè)記錄的研究表明，在地震前，沙層儀器觀測(cè)記錄捕捉到了一些短臨異常信息，可以為地震的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供一定的參考。

(2)從震例分析可以看出，沙層應(yīng)力資料對(duì)于記錄區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化有一定的指示意義，但目前對(duì)資料的研究也停留在觀測(cè)數(shù)據(jù)變化與地震發(fā)生之間的簡(jiǎn)單對(duì)比分析之上，地震的孕育和發(fā)生等問(wèn)題一直是尚未解決的科學(xué)難題，對(duì)沙層應(yīng)力資料如何記錄地震的孕育和發(fā)生過(guò)程等問(wèn)題的研究不夠深入，加上由于資料的累積長(zhǎng)度和臺(tái)站數(shù)量的限制，該記錄資料與地震孕育的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究和明確。

(3)對(duì)于沙層應(yīng)力目前已有的臺(tái)站來(lái)看，主要問(wèn)題是臺(tái)站地址和構(gòu)造部位的不同而導(dǎo)致沙層記錄曲線存在一定差異，主要表現(xiàn)在曲線的形態(tài)和對(duì)地震孕育發(fā)生的記錄不同，導(dǎo)致臺(tái)站有個(gè)性特征，為地震短臨前兆的捕捉和分析帶來(lái)了一定的困難。同時(shí)從實(shí)際觀測(cè)來(lái)看，觀測(cè)數(shù)據(jù)存在很多不明的噪聲變化。有些變化判斷為儀器的問(wèn)題，因?yàn)橛性S多大幅突跳很難找到合理的解釋，這些顯然對(duì)于地震前兆的甄別造成一定困難。

本研究得到沙層應(yīng)力儀器發(fā)明者孫威老師的指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝!

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