余 丹，魏 星，紀(jì)壽文

（中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045）

0 引言

2006年7月4日11時(shí)56分，在河北省文安縣發(fā)生MS5.1級(jí)地震。首都圈的北京、天津、河北、山西、山東部分地區(qū)均有不同程度的震感。研究發(fā)現(xiàn)文安地震前重力測(cè)網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)了以上升為主的異常變化，在文安地震震中，短期內(nèi)形成了重力高梯度帶［1］。同時(shí)有專家研究發(fā)現(xiàn)體應(yīng)變、跨斷層位移測(cè)點(diǎn)群體趨勢(shì)轉(zhuǎn)折［2］，鉆孔應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)先后出現(xiàn)了中短期異常［3］。上述文獻(xiàn)揭示了地震前前兆信號(hào)存在的可能性，因此本文綜合利用洞體應(yīng)變和鉆孔應(yīng)變資料，采取不同的方法研究文安地震前后地殼形變的變化特征。

洞體應(yīng)變和鉆孔應(yīng)變觀測(cè)作為重要的地震前兆監(jiān)測(cè)手段，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中發(fā)揮著重要的作用，尤其在地震短臨預(yù)報(bào)研究中取得了許多研究成果，為地震預(yù)報(bào)研究積累了豐富的觀測(cè)資料。張晶等［4］綜合分析認(rèn)為，文安地震前局部應(yīng)變場(chǎng)的異常變化在200km 范圍內(nèi)，異常持續(xù)3個(gè)月左右，池順良［5］觀測(cè)到了汶川和蘆山強(qiáng)震孕震過程中四川姑咱地震臺(tái)的潮汐畸變應(yīng)變異?，F(xiàn)象。周文斌［6］認(rèn)為在俄羅斯東海岸6.2級(jí)地震前敦化臺(tái)鉆孔應(yīng)變資料記錄到了顯著的短期和臨陣異常。山丹臺(tái)體應(yīng)變?cè)阢氪?.0級(jí)地震前46h、8h、37min時(shí)分別記錄到了明顯的短臨階躍異常［7］。本文綜合利用2種應(yīng)變觀測(cè)資料的時(shí)間序列法和圖像法，研究文安地震前后應(yīng)變演化特征及與地震和構(gòu)造的關(guān)系，并進(jìn)行定性分析。

1 臺(tái)站概況

在首都圈地區(qū)，距離文安震中200km 范圍內(nèi)運(yùn)行的應(yīng)變觀測(cè)臺(tái)站共計(jì)10個(gè)（圖1），但2006年前正常運(yùn)行并獲得數(shù)據(jù)的只有4個(gè)臺(tái)站，因此選取這4個(gè)臺(tái)的應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行分析。為對(duì)比距離震中較遠(yuǎn)的形變臺(tái)站的變化情況，本文特別分析了距震中約245km 的張家口臺(tái)站（表1），這些應(yīng)變連續(xù)觀測(cè)站的布設(shè)使首都圈地區(qū)的應(yīng)變觀測(cè)達(dá)到了一定的密度。

圖1顯示該次地震發(fā)生在牛東斷層和高陽－博野斷裂帶附近。離震中最近的臺(tái)站為天堂河地震臺(tái)和易縣地震臺(tái)。大興天堂河臺(tái)位于北京市大興區(qū)天堂河醫(yī)院院內(nèi)，距離震中約89km，是首都圈Sacks體應(yīng)變綜合觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的一個(gè)子站，南苑－通縣斷裂在附近通過。井下探頭使用的是美國華盛頓卡內(nèi)基研究所研制的Sacks－Evertson鉆孔應(yīng)變儀，能記錄到清晰的固體潮變化，穩(wěn)定性好。2001年9月完成數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)分鐘值采樣和數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。

易縣地震臺(tái)位于保定市西北部，在易縣縣城西20km 處，距離震中約95km，該臺(tái)為形變綜合臺(tái)，其中，SS－Y 型伸縮儀和TJ－II型鉆孔體應(yīng)變儀自2001年起正式運(yùn)行以來，儀器工作正常，產(chǎn)出觀測(cè)資料連續(xù)率良好，穩(wěn)定可靠。位于河北省易縣縣城西20km 處，太行山山前大斷裂和西部紫荊關(guān)大斷裂之間，其附近有次級(jí)斷裂構(gòu)造（大紅門斷層）。

圖1 首都圈定點(diǎn)應(yīng)變觀測(cè)臺(tái)站分布圖

昌平地震臺(tái)位于北京市昌平區(qū)十三陵風(fēng)景區(qū)臥虎山腳下，距離震中150km，構(gòu)造上位于北東向南口－山前活動(dòng)斷裂和北西向南口－孫河活動(dòng)斷裂交匯部位以東7.5km 處，屬于應(yīng)力變化敏感區(qū)。其中，RZB－1分量應(yīng)變儀在2008年6月以前儀器各分量運(yùn)行狀態(tài)基本正常，TJ－II型體應(yīng)變儀于2005年3月18日安裝并啟用。

小辛莊觀測(cè)山洞為部隊(duì)?wèi)?zhàn)備山洞，位于薊縣城東15km，薊縣臺(tái)臺(tái)站東約4.5km，距離震中約19km，山洞處于陰山緯向構(gòu)造體系東部的東西向壓性斷裂帶的許家臺(tái)－薊縣－遵化山前斷裂區(qū)，與新華夏系華北沉降帶東北邊緣相接。1983年底小辛莊山洞改造建設(shè)竣工并投入使用，架設(shè)了SSY－Ⅱ石英伸縮儀。

張家口地震臺(tái)地處京西北、晉冀蒙交界地區(qū)，位于陰山東西向構(gòu)造帶與山西地震帶北端、張家口－渤海地震帶西北端的交匯部位，距離震中最遠(yuǎn)，約為245km。該臺(tái)的TJ－Ⅰ型鉆孔體應(yīng)變儀和SS－Y 型伸縮儀工作正常，產(chǎn)出觀測(cè)資料連續(xù)率良好，穩(wěn)定可靠。

表1 文安地震前應(yīng)變異常統(tǒng)計(jì)

2 觀測(cè)資料分析

本文對(duì)上述5個(gè)臺(tái)站應(yīng)變觀測(cè)資料的日均值和分鐘值進(jìn)行了初步分析，并對(duì)易縣觀測(cè)站和張家口觀測(cè)站的伸縮應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 時(shí)序變化

從表1 所示的5 個(gè)臺(tái)站8 套應(yīng)變儀器來看，200km范圍內(nèi)的多數(shù)臺(tái)站存在同震效應(yīng)。圖2 顯示了4個(gè)體應(yīng)變臺(tái)的臨震和震后的分鐘值變化曲線，可以看出在震前4天昌平、易縣、張家口臺(tái)的應(yīng)變幅度在7月1—4日均呈下降趨勢(shì)，在震后的7月5日達(dá)到最低，從7月6日開始應(yīng)變幅度呈上升趨勢(shì)；僅天堂河臺(tái)的應(yīng)變幅度在7月1—4日呈上升趨勢(shì)，在7月6日達(dá)到最高。同時(shí)，4個(gè)臺(tái)的峰谷幅度差值逐漸降低，在地震當(dāng)天達(dá)到最低，震后峰谷差值逐漸增加。

圖2 易縣、昌平、天堂河、張家口體應(yīng)變7月1—10日分鐘值原始變化曲線圖

圖3為易縣（a）、張家口（b）、小辛莊（c）的洞體應(yīng)變?cè)挤昼娭底兓€圖，從圖上可以清晰地看出，3臺(tái)的各分量曲線在1—10日出現(xiàn)上升趨勢(shì)，其峰谷差值也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而地震恰恰發(fā)生在峰谷差值最低點(diǎn)的7月4日。

圖3 易縣（a）、張家口（b）和小辛莊（c）洞體應(yīng)變7月1—10日分鐘值原始變化曲線圖

圖4顯示了昌平臺(tái)鉆孔應(yīng)變的NS分量應(yīng)變幅度在7月6日出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，由升高轉(zhuǎn)為下降，而NE 和NW 分量應(yīng)變幅度在7月6日變化速率加快，但總體變化趨勢(shì)一致。

圖4 昌平鉆孔應(yīng)變7月1—10日分鐘值原始變化曲線圖

圖5為小辛莊臺(tái)2006年各分量的日均值曲線變化圖，可以看出自2006年3月底至6月底期間，先是在3月底至4月初出現(xiàn)輕微的膨脹變化，然后出現(xiàn)急劇的壓性下降狀態(tài)，直到地震前出現(xiàn)階躍變化。

圖6為易縣臺(tái)伸縮儀三分量觀測(cè)曲線，NS 向觀測(cè)在2001—2005年呈下降的壓性變化，2006年初由下降轉(zhuǎn)為上升變化，在上升和下降過程中發(fā)生了文安5.1 級(jí)地震，2007年恢復(fù)壓性下降狀態(tài)，2010年初再次轉(zhuǎn)為向上的膨脹變化，2012年恢復(fù)。EW 向觀測(cè)在2001—2004年呈下降的壓性變化，2005年變化趨勢(shì)逐漸穩(wěn)定，2011年再次轉(zhuǎn)為下降的壓性變化。NE 向于2005年下半年轉(zhuǎn)為向下的壓性變化，2006年出現(xiàn)短暫的平緩變化，2007年恢復(fù)壓性下降狀態(tài)，2009年以后曲線呈相對(duì)緩慢的壓性下降狀態(tài)，2011年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

圖5 小辛莊洞體應(yīng)變2006年日均值變化曲線圖

圖6 易縣臺(tái)2001—2012年洞體應(yīng)變?nèi)站涤^測(cè)曲線圖

上述臺(tái)站均屬華北北部、首都圈地區(qū)，在文安地震前，從短臨的分鐘值曲線和長期的日均值曲線來看，鉆孔應(yīng)變、體應(yīng)變和洞體應(yīng)變?cè)谂R震前出現(xiàn)了大范圍同步轉(zhuǎn)折變化，其現(xiàn)象表明，在區(qū)域應(yīng)力、震源應(yīng)力的共同作用下，大范圍地殼不同層位巖石的應(yīng)力積累達(dá)到較高水平。有研究［2］表明，斷層活動(dòng)的強(qiáng)弱是區(qū)域主壓應(yīng)力強(qiáng)弱的表現(xiàn)，亦是孕育地震強(qiáng)弱的一個(gè)標(biāo)志。

2.2 應(yīng)變參數(shù)變化

在力學(xué)中，應(yīng)變狀態(tài)是以主應(yīng)變、剪切應(yīng)變、主應(yīng)變方向等參數(shù)來描述的。在應(yīng)力場(chǎng)作用下，剪應(yīng)變的變化更能體現(xiàn)巖石破裂過程中的作用，雖然剪應(yīng)變不可直接觀測(cè)到，但可通過伸縮儀3個(gè)方向的應(yīng)變組合觀測(cè)，計(jì)算出平面應(yīng)變參數(shù)：剪應(yīng)變、主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變以及主應(yīng)變方向等［8］，從而分析區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的變化，進(jìn)一步研究地表平面應(yīng)變狀態(tài)與地震和構(gòu)造的關(guān)系。

圖7 應(yīng)變張量在不同坐標(biāo)系框架下的轉(zhuǎn)換

目前的應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)的定點(diǎn)伸縮儀觀測(cè)站具有3個(gè)方向觀測(cè)，除了2個(gè)正交方向的觀測(cè)外，還有一個(gè)斜邊觀測(cè)。根據(jù)測(cè)得的3個(gè)方向的應(yīng)變值，按照主應(yīng)變、剪應(yīng)變計(jì)算公式，即可計(jì)算出主應(yīng)變、剪應(yīng)變、主應(yīng)力方向。圖7所示的觀測(cè)方向?yàn)槟壳按蟛糠钟^測(cè)站的測(cè)線方向，以張家口和易縣臺(tái)的觀測(cè)方向?yàn)槔?，張家口觀測(cè)站斜邊觀測(cè)為NW 向，易縣觀測(cè)站斜邊觀測(cè)為NE向。

為探索文安地震前的應(yīng)變狀態(tài)變化，本文特對(duì)距離震中較近的易縣地震臺(tái)和較遠(yuǎn)的張家口地震臺(tái)的洞體應(yīng)變進(jìn)行了應(yīng)變各參數(shù)（最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變和主應(yīng)變方向）進(jìn)行了計(jì)算。圖8為易縣臺(tái)平面應(yīng)變參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以看出，最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變和最大剪應(yīng)變曲線在文安地震前后都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。在2010年初也發(fā)生同步轉(zhuǎn)折；主應(yīng)變方向在2006年7月出現(xiàn)大幅度的轉(zhuǎn)折變化，其后恢復(fù)，至2012年12月，未再出現(xiàn)明顯的異常變化。

圖9為張家口臺(tái)的各種應(yīng)變參數(shù)曲線?？梢钥闯觯畲笾鲬?yīng)變、最小主應(yīng)變和最大剪應(yīng)變?cè)?001—2008年變化較為平穩(wěn)，2009年出現(xiàn)同步轉(zhuǎn)折，加速上升或下降，2011年再一次發(fā)生轉(zhuǎn)折。主應(yīng)變方向在2005年出現(xiàn)向下的加速變化，2009年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其后變化較穩(wěn)定。以上所述的異常變化在時(shí)間上可對(duì)應(yīng)2005年8月31日蔚縣4.0 級(jí)地震，該地震距張家口臺(tái)約100km，而2006年7月4日文安地震前該臺(tái)沒有異常顯示。

圖8 易縣臺(tái)應(yīng)變參數(shù)變化曲線

圖9 張家口臺(tái)應(yīng)變參數(shù)變化曲線

3 認(rèn)識(shí)與討論

本文分析了文安地震前200km 范圍內(nèi)觀測(cè)站及張家口地震臺(tái)的洞體應(yīng)變、鉆孔應(yīng)變和體應(yīng)變的變化形態(tài)，從震前的分鐘值變化，中短期的日均值變化到應(yīng)變的各參數(shù)變化，在華北北部、特別是首都圈地區(qū)應(yīng)變資料出現(xiàn)了大范圍、同步轉(zhuǎn)折變化，部分臺(tái)站出現(xiàn)畸變變化。其現(xiàn)象表明，文安地震前在區(qū)域應(yīng)力、震源應(yīng)力的共同作用下，大范圍地殼不同層位巖石的應(yīng)力積累達(dá)到較高水平。

離震中最遠(yuǎn)的張家口NS 向、NW 向觀測(cè)曲線和最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變曲線在2009年同步出現(xiàn)了加速上升或下降，且變化幅度很大，2011年初又同步發(fā)生轉(zhuǎn)折。而離震中較近的易縣NS向、EW 向觀測(cè)曲線2011年發(fā)生同步轉(zhuǎn)折，最大主應(yīng)變和最大剪應(yīng)變?cè)?010年也出現(xiàn)了同步加速上升變化。以上2個(gè)臺(tái)及臺(tái)內(nèi)不同應(yīng)變參數(shù)之間發(fā)生的同步轉(zhuǎn)折，可以認(rèn)為這種變化不是偶然的，表明了首都圈西部區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)在2011年前后發(fā)生了變化。但首都圈及附近地區(qū)近年來除文安地震外，并沒有中強(qiáng)以上地震發(fā)生，經(jīng)分析認(rèn)為這可能反映了引發(fā)周邊特大地震的板塊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化，在時(shí)間上恰好與2011年3月11日日本本州東海岸附近海域發(fā)生的M9.0地震對(duì)應(yīng)。日本9級(jí)地震發(fā)生在日本島弧的日本海溝地震帶，該地震帶屬于西太平洋地震帶，日本島弧位于太平洋板塊、菲律賓板塊、歐亞板塊與北美板塊相沖的地方。日本島弧與中國東部地塊構(gòu)造及應(yīng)力場(chǎng)具有統(tǒng)一性，這無論是從板塊構(gòu)造角度還是地質(zhì)力學(xué)的角度都能解釋［9］。在日本海溝地區(qū)，由于太平洋板塊的斜向俯沖運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生持續(xù)形變、積累應(yīng)力，并孕育大地震。隨著太平洋板塊俯沖運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)，在板塊邊界發(fā)生變形的同時(shí)，陸地一側(cè)的應(yīng)變也不斷地增加?？梢哉J(rèn)為，太平洋板塊的俯沖運(yùn)動(dòng)為歐亞大陸地震的發(fā)生提供了力源。華北地區(qū)位于歐亞板塊東面，它受到太平洋板塊向西俯沖的力較為直接。因此，多個(gè)臺(tái)及各個(gè)臺(tái)內(nèi)不同應(yīng)變參數(shù)之間發(fā)生的同步轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，可能反映的是引發(fā)周邊特大地震的板塊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的變化。

通過上述分析，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）在文安地震前，各種分析證明，距震中200 km 范圍內(nèi)的臺(tái)站部分伸縮儀的原始觀測(cè)曲線和計(jì)算的應(yīng)變參數(shù)曲線在震前均出現(xiàn)張性或者壓性轉(zhuǎn)折變化，或者階躍變化。

（2）地表潮汐平面應(yīng)變與地震存在一定的關(guān)系，而且在中強(qiáng)地震前后地表平面應(yīng)變狀態(tài)表現(xiàn)出不同的變化特征。

（3）在中強(qiáng)地震發(fā)生前，最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變加速上升或下降，然后發(fā)生轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折時(shí)或轉(zhuǎn)折后發(fā)生地震；有的地震發(fā)生在趨勢(shì)上升或下降過程中。平面應(yīng)變參數(shù)曲線也可能在地震后1～2年發(fā)生轉(zhuǎn)折。2011年前后發(fā)生同步轉(zhuǎn)折變化，且變化幅度很大，但首都圈及附近地區(qū)并沒有中強(qiáng)以上地震發(fā)生，經(jīng)分析認(rèn)為這可能與引發(fā)2011年3月日本9.0級(jí)特大地震的板塊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化有關(guān)。

［1］ 王武星，石耀霖，張晶，等.河北文安5.1級(jí)地震前后重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化［J］.地震，2009，（2）：40－47.

［2］ 韓勇，塔拉.工程水準(zhǔn)復(fù)測(cè)垂直形變分析［J］.華北地震科學(xué)，2013，31（3）：23－28.

［3］ 焦青，邱澤華，范國勝.北京地區(qū)八寶山－黃莊－高麗營斷裂的活動(dòng)與地震［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，25（4）：50－54.

［4］ 張晶，陳榮華，王武星，等.文安地震與區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)變化綜合研究［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28（1）：28－31.

［5］ 池順良.分量鉆孔應(yīng)變儀記錄的汶川、蘆山強(qiáng)震前兆應(yīng)變異常［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2013，31（12）：27－30.

［6］ 周文斌.敦化臺(tái)鉆孔應(yīng)變前兆異常特征分析［J］.科學(xué)前哨，2012，24：49－52.

［7］ 彭華，馬秀敏，姜景捷.山丹地應(yīng)力監(jiān)測(cè)站體應(yīng)變儀的地震效應(yīng)［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，14（2）：97－107.

［8］ 王紫燕，劉序儼，鐘繼茂.利用漳州深井4分量鉆孔應(yīng)變求測(cè)區(qū)應(yīng)變場(chǎng)［J］.華北地震科學(xué)，2012，30（3）：22－26.

［9］ 李文英，王秀英.華北地區(qū)與日本海溝地震的相關(guān)性分析［J］.地震，1996，16（3）：219－224.