蘇愷之

(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100096)

0 引言

該文章的核心是要不斷深化對(duì)四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)中“四”的理解，逐漸做好做足面應(yīng)變和剪應(yīng)變分析的好文章。具體說(shuō)來(lái)，我們既然有了自認(rèn)為是很好的硬件(如圖1的四分量鉆孔應(yīng)變儀和它的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng))，那么，在我們的工作指導(dǎo)思想里就該輔助以足夠好的軟件(業(yè)務(wù)觀念的更新)。此為當(dāng)下和今后全局工作取勝之關(guān)鍵所在！

圖1 四分量應(yīng)變儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外殼示意圖Fig.1 The internal structure and shell diagram of a four-component strainmeter

1 四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)研究簡(jiǎn)史

1.1 對(duì)四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的認(rèn)識(shí)歷程

(1) 初始認(rèn)識(shí)。當(dāng)有了“四分量第一式”，確切說(shuō)來(lái)就是：1號(hào)和3號(hào)元件讀數(shù)的變化量之和，等于2號(hào)元件和4號(hào)元件的變化量之和(俗稱“1加3等于2加4”)，就可以用這個(gè)式子來(lái)表示和得知儀器或者資料的可靠性。在20世紀(jì)70年代初期，為了四分量?jī)x器的研究起步，最能得到支持的理由不是上述的式子，而是說(shuō)：“更何況，當(dāng)四個(gè)元件壞了一個(gè)，我們還可以照常得到應(yīng)變場(chǎng)的三個(gè)未知數(shù)”[1]。

(2) 進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在寫文章介紹儀器或資料時(shí)，可以很自然地加上一句：四分量的自檢結(jié)果如何，可以有力地說(shuō)明儀器好、資料可靠；或是年末檢查資料，數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)，都可以常規(guī)性地交代一下，符合這個(gè)第一式的具體數(shù)字。

(3) 再高些的認(rèn)識(shí)。兩個(gè)面應(yīng)變(指面積發(fā)生變化，但物體的形態(tài)沒有變化，這是在靜水圍壓情況下產(chǎn)生的變化特征)的相關(guān)系數(shù)竟可能達(dá)到(或經(jīng)格值矯正后提高到)幾個(gè)9，表征觀測(cè)水平[2-3]。

(4) 目前的認(rèn)識(shí)。兩個(gè)面應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)在地震前出現(xiàn)震前異常，此新發(fā)現(xiàn)和新的優(yōu)秀觀測(cè)資料正將把四分量觀測(cè)引入新階段。

1.2 四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)研究

對(duì)于四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)的研究，除了“四分量第一式”外，還應(yīng)考慮如何理解四個(gè)元件及其四條曲線、四組讀數(shù)。

(1) 四分量的四個(gè)元件。其讀數(shù)變化在應(yīng)用中常被分成兩組：?jiǎn)翁?hào)組和雙號(hào)組，四者被分為兩個(gè)“派別”。組內(nèi)兩者的變化量相加，得出兩個(gè)面應(yīng)變；組內(nèi)兩者的變化量相減，得出兩個(gè)剪應(yīng)變(物體的總面積或體積不發(fā)生變化，而形狀發(fā)生變形，例如將一塊橡皮南北方向加壓而東西向拉伸，兩個(gè)力的數(shù)值相等而符號(hào)相反，此時(shí)的應(yīng)變稱為剪應(yīng)變)。文中，“1-3，2-4”兩者的合成是真正彈性力學(xué)的剪應(yīng)變。兩條曲線的實(shí)用價(jià)值也正在被認(rèn)識(shí)。

(2) 觀測(cè)曲線。對(duì)之前觀測(cè)曲線的認(rèn)識(shí)，初級(jí)職稱者認(rèn)為是曲線圓滑、無(wú)突跳、有彎彎似固體潮；中級(jí)職稱者的認(rèn)識(shí)是“一加三等于二加四”；高級(jí)職稱者認(rèn)為，除了查看1+3、2+4兩條曲線外，還要注意查看1-3、2-4兩條曲線。

一般說(shuō)來(lái)，面應(yīng)變和剪應(yīng)變的變化幅度在平日里不會(huì)差別很大，日常要積累其數(shù)值量級(jí)的概念；但在異常情況時(shí)，也許后兩條相減的曲線更有研究意義?，F(xiàn)已有研究者更看重通過1-3、2-4兩條剪切曲線的分析。

(3) 日常的常規(guī)性繪圖曲線。顯然1+3、2+4、1-3、2-4是四條最核心的曲線，是來(lái)自四個(gè)元件的原始曲線(基本曲線)。當(dāng)然，該文絕不排斥用元件的原始曲線作為核心的傳統(tǒng)做法。但在四分量正處于新發(fā)展期的現(xiàn)在，提出此建議，要以新的視角、新的方法來(lái)研究附加的地應(yīng)變場(chǎng)隨時(shí)間的變化。

四分量再加上面應(yīng)變和剪應(yīng)變，是該文的核心思想。即，單憑一個(gè)或幾個(gè)元件的原始曲線，直接“看圖識(shí)字”般地得到最后結(jié)論，這種研究方法快要“過時(shí)”了。下面，以云南玉溪地震臺(tái)的部分原始曲線(見圖2)為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖2 云南玉溪地震臺(tái)記錄的應(yīng)變觀測(cè)部分原始曲線Fig.2 The original strain observation curve recorded by Yuxi Seismic Station in Yunnan Province

圖2中，云南玉溪黃草壩地震臺(tái)距2018年兩次地震的震中距分別為39 km和120 km(孔向陽(yáng)提供)，震前,單個(gè)元件顯示出明顯的異常。由于距離震中較遠(yuǎn)，異常圖像呈現(xiàn)緩慢的“彎彎”。對(duì)于圖2，傳統(tǒng)的工作模式只是查看各個(gè)元件的原始曲線，這時(shí)所能做出的判據(jù)較少；而由四分量給出的面應(yīng)變和剪應(yīng)變曲線之后，情況會(huì)大有改觀。甚至可以說(shuō)，四個(gè)元件的曲線只能算是“原始曲線”，除非震中恰好和某元件測(cè)量方位一致(如圖2那樣)，可以方便地對(duì)號(hào)入座。這原始曲線多數(shù)情況下的用途是：一旦核心曲線有莫名的突跳、飄移，可以立即從這四條原始曲線查找問題根源。

由上分析可知，在日常觀測(cè)中，需要的曲線有：四個(gè)元件的原始曲線；1+3、2+4、1-3、2-4，最重要的曲線；兩個(gè)面應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)(或者是兩個(gè)面應(yīng)變之差、相當(dāng)于殘差曲線，有待實(shí)踐)；主應(yīng)變方位角曲線(方位角計(jì)算，目前有經(jīng)驗(yàn)者不多，普及工作缺失)，當(dāng)然也有人認(rèn)識(shí)到，一旦1-3、2-4兩個(gè)曲線分叉，自然是方位角有了變化；水位、氣壓曲線是不可少的輔助項(xiàng)。以上就是12條曲線。能看到，目前我們很缺乏一些實(shí)用性很強(qiáng)的小軟件。

(4) 日常工作中需查看的曲線。如何有序查看日常曲線，有時(shí)由此也能看到你的思維邏輯，日常的經(jīng)驗(yàn)，也能檢驗(yàn)出你的工作水平、能力。當(dāng)然，如果能掌握井下元件的原理式子，具備應(yīng)變基礎(chǔ)知識(shí)，也就可以更深刻理解這里的討論。和從事其他觀測(cè)手段相比，鉆孔應(yīng)變資料的分析者需要付出更多努力，學(xué)習(xí)許多力學(xué)、數(shù)學(xué)知識(shí)，認(rèn)識(shí)到的概念就會(huì)距離地震發(fā)生的物理圖像更近一些。

(5) 可以根據(jù)需要，繪出面應(yīng)變和切應(yīng)變視角下的下述某些物理量的曲線。如，水位、氣壓、降雨、潮汐因子、突跳、抖動(dòng)等的面應(yīng)變、切應(yīng)變曲線。并檢驗(yàn)一下，是否比用元件的曲線，或主應(yīng)變的反映曲線，效果要好些。若此，研究曲線的數(shù)量可能有所增加，每個(gè)研討項(xiàng)目都是從這兩條曲線出發(fā)，使我們的眼界變寬。

1.3 彝良地震的震前異常形態(tài)分析

結(jié)合上述討論，分析一個(gè)震例。2012年9月7日11時(shí)19分，云南省昭通市彝良縣與貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧縣交界發(fā)生M5.7地震，震源深度14 km；12時(shí)16分，彝良縣又發(fā)生M5.6地震，震源深度10 km。發(fā)震構(gòu)造均系NE走向的石門斷裂。由圖3彝良地震臺(tái)(震中距12 km)記錄的震前應(yīng)變異常曲線(孔向陽(yáng)提供)可以看出如下信息。

(1) 剪應(yīng)變的變化幅度大于面應(yīng)變幅度(5倍以上)，雙震都是剪切破裂為主，機(jī)理一致。

(2) 在地震前十幾天到幾天，兩種應(yīng)變各有小幅度的異常，其震源模式似預(yù)位移式的模式。

(3) 彝良地震臺(tái)的位置在震源的北面偏東少許，使得1-3曲線發(fā)生大的變化，大于2-4曲線的變化幅度，是很自然的。

(4) 兩個(gè)面應(yīng)變曲線由重合變?yōu)椴缓苤睾希绻?jì)算相關(guān)系數(shù)則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的異常。地震時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最低值(最差值)。

(5) 昭通地區(qū)得到第一條自檢因子異常曲線。

圖3 彝良地震臺(tái)記錄彝良地震前的應(yīng)變異常Fig.3 The strain anomaly before the Yiliang earthquake recorded by Yiliang Seismic Station

圖4是圖3中面應(yīng)變和剪應(yīng)變的局部，兩個(gè)大的階躍對(duì)應(yīng)著這兩個(gè)相隔23 h的地震。這幾乎是我們首次在小的震中距情況下，如此細(xì)膩地觀察到的面應(yīng)變、剪應(yīng)變的真實(shí)變化圖像，是個(gè)完整的近場(chǎng)曲線，是首次得到。

由圖4還可知，目前在昭通得到的面應(yīng)變異常，以壓性為多。這和池順良給出的玉樹地震的震前異常一致。此外，地震時(shí)刻的同震階躍在近場(chǎng)觀測(cè)中，尤其是剪應(yīng)變曲線，是很陡峭的，和遠(yuǎn)震條件下的并不陡峭的上升圖像(見圖5，池順良提供)不同；面應(yīng)變異常的幅度小于切應(yīng)變異常的幅度，意味著必定是走滑斷層的表現(xiàn)；地震時(shí)刻面應(yīng)變的變化幅度竟然小于震前幾天內(nèi)的緩慢變化幅度，此情況在魯?shù)榈卣饡r(shí)也有類似的表現(xiàn)(見第35頁(yè)圖6)。大小分配和我們的慣性思維圖像差別很大；在震前一兩天，兩個(gè)面應(yīng)變曲線嚴(yán)重分開，剪應(yīng)變的兩個(gè)曲線亦是，這些細(xì)微之處都更值得震源機(jī)制研究者進(jìn)行深入探索和思考；地震時(shí)刻，剪應(yīng)變曲線有陡峭的上升，表明高頻信息尚未被巖石介質(zhì)所衰減，是近場(chǎng)觀測(cè)才能得到的。如圖2地震發(fā)生前后的變動(dòng)曲線可知，地震時(shí)刻附近的曲線已僅剩下速率不快的變化。

圖5是兩個(gè)面應(yīng)變曲線的分叉，剪應(yīng)變的大幅度突變及其形態(tài)更具研究意義。

圖4 彝良地震臺(tái)記錄彝良地震前的面應(yīng)變(下)和切應(yīng)變曲線(上)局部Fig.4 Local surface strain (lower) and shear strain curves (upper) before the Yiliang earthquake recorded by Yiliang seismic station

圖5 玉樹臺(tái)記錄到的玉樹地震的異常Fig.5 Anomalies of Yushu earthquake recorded by Yushu station

1.4 具有新內(nèi)涵的做圖

除上面關(guān)于每日常規(guī)性制圖的討論，再來(lái)考慮幾條帶有新內(nèi)涵的曲線。

(1) 系數(shù)A、B的計(jì)算及曲線繪制。從下面的理論計(jì)算式子，把理論上推導(dǎo)出來(lái)的應(yīng)變固體潮汐幅度(面應(yīng)變值和剪應(yīng)變值)植入，得到具體的A、B數(shù)值(是實(shí)地觀測(cè)到的有效A、B值，和從測(cè)量元件在完整巖石里所表現(xiàn)出來(lái)的靈敏系數(shù)A、B的理論計(jì)算值有區(qū)別)的計(jì)算式，并可以每日接替出該曲線的新尾部。

當(dāng)然，還可以用類似nakai檢驗(yàn)做更嚴(yán)格的A、B式計(jì)算。這里的理論值是指潮汐的理論幅度，這樣導(dǎo)出系數(shù)A、B的實(shí)測(cè)數(shù)值，繪制其曲線，肯定是接近1的潮汐因子。如此，就不會(huì)出現(xiàn)幾乎達(dá)到10的潮汐因子了。對(duì)此需要深入討論之處多多。

(2) 氣壓水位干擾系數(shù)的再審視。前已述，除傳統(tǒng)的按元件來(lái)查看水位氣壓的干擾之外，還可以分為對(duì)面應(yīng)變、剪應(yīng)變的干擾系數(shù)兩者。值得一說(shuō)的是，不少的鉆孔水位變化會(huì)產(chǎn)生出切應(yīng)變，來(lái)自巖石的各向異性，或是來(lái)自孔壁有裂隙。還可注意到，臺(tái)灣有人發(fā)現(xiàn)了氣壓干擾系數(shù)的變動(dòng)異常與其后大地震的因果關(guān)系。

(3) 同震階躍的分析。以面應(yīng)變和剪應(yīng)變的視角來(lái)查看遠(yuǎn)方大震帶來(lái)的階躍，更能清晰地看到斷層的錯(cuò)動(dòng)方向。如果是近場(chǎng)觀測(cè)，得到的是發(fā)震斷層產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)的靜態(tài)階躍；而對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)，得到的還可能有在地震波誘發(fā)下產(chǎn)生的次生效應(yīng)，即本地附近的斷層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加應(yīng)變場(chǎng)。這個(gè)資料或許能顯露出附近斷層儲(chǔ)備著怎樣的勢(shì)能，即這是一次“試探”，可得知這個(gè)斷層今后要表現(xiàn)出怎樣的活動(dòng)性特征。

由此展開說(shuō)來(lái)，山西省的地震人在平日里必須做好基本資料(背景資料)的儲(chǔ)備并不斷的調(diào)研研究和消化，可謂之“備戰(zhàn)”工作。一是本地區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)絕對(duì)值的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，即本地構(gòu)造帶的展布，哪一個(gè)或幾個(gè)斷層對(duì)我們來(lái)說(shuō)是最重要的，它的水平運(yùn)動(dòng)方向。附近地區(qū)內(nèi)，較大地震的震源機(jī)制解是怎樣的。這些基礎(chǔ)資料對(duì)于應(yīng)急工作中的緊急研判、應(yīng)急分析等很是有益。

2 四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)研究的困惑

結(jié)合上一節(jié)對(duì)四分量的核心認(rèn)識(shí)，以懂得正確思想觀念的重要。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)自上世紀(jì)六十年代，來(lái)自國(guó)外、彈性力學(xué)。那時(shí)，開始知道平面應(yīng)變狀態(tài)有三個(gè)未知數(shù)：最大、最小主應(yīng)變和最大主應(yīng)變的方位角。為得到這三個(gè)未知數(shù)，需要得到三個(gè)測(cè)量值(已知數(shù))。于是無(wú)論是儀器，還是觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算，都需要有如下這個(gè)方匣子(大計(jì)算式)：

上面的通用基本觀念是絕對(duì)正確的，也一直延續(xù)了下來(lái)。在上世紀(jì)60-70年代，我國(guó)引入了三分量鉆孔儀器的工作式(表達(dá)式)?？上М?dāng)時(shí)，由Ψ權(quán)威人給出地應(yīng)變求解式，也是上面的式子，那時(shí)沒做更多的說(shuō)明講解。此后，逐漸地不怎么關(guān)注這個(gè)方匣子里面的內(nèi)容，甚至沒怎么細(xì)看過。其實(shí)，一直使用著的這個(gè)方匣子里面，實(shí)際是由兩部分捆扎在一起的：

ε1=(兩個(gè)主應(yīng)變之和的計(jì)算式+
兩個(gè)主應(yīng)變之差的計(jì)算式)/2

，

ε11=(兩個(gè)主應(yīng)變之和的計(jì)算式-
兩個(gè)主應(yīng)變之差的計(jì)算式)/2

。

作為對(duì)比，再來(lái)看敘述的四分量計(jì)算過程，先把元件的讀數(shù)變化值相互加減之后進(jìn)入算式(如下大計(jì)算式)，由算式一步性地得到所需的面應(yīng)變和剪應(yīng)變。

于是，這幾十年以來(lái)，覺得的最大、最小主應(yīng)變這兩個(gè)未知數(shù)是最基本、最單純的基本量，也是“最直接得到的”或“最先得到的”，這最后的半句話是有紕漏的。所以，需重新審視最基本、最核心的工作原理式。即當(dāng)元件之間夾角均勻分布45度時(shí)，各個(gè)元件感受到的位移變化量U為

U1=A(εⅠ+εⅡ)+B(εⅠ-εⅡ)cos2(Ψ)

，

(1)

U2=A(ε1+εⅡ)+B(εⅠ-εⅡ)cos2(Ψ+45°)

，

(2)

U3=A(ε3+εⅡ)+B(εⅠ-εⅡ)cos2(Ψ+90°)

，

(3)

U4=A(εⅠ+εⅡ)+B(εⅠ-εⅡ)cos2(Ψ+135°)

，

(4)

式中：U為元件的測(cè)量值依時(shí)間的變化量(或稱增量)；Ψ為最大主應(yīng)變方位角(從正北向起算，逆時(shí)針為正，系三角幾何定義)；εⅠ、εⅡ?yàn)閹r石的最大、最小主應(yīng)變。這是100年前誕生的通用形式的式子，有人以為是我們發(fā)明的。

從計(jì)算過程來(lái)看，元件通過鋼筒所直接感受到的物理量，是如下的兩個(gè)“核”：

A(εⅠ+εⅡ)和B(εⅠ-εⅡ)。

這正是問題的核心。A、B為儀器(元件)對(duì)面應(yīng)變和剪應(yīng)變的靈敏系數(shù)[4]。當(dāng)知道了A、B的數(shù)值，就立即得到了面應(yīng)變、剪應(yīng)變的測(cè)值。

對(duì)于A、B需要說(shuō)明的是，A、B兩個(gè)系數(shù)的表示式并不相同，B值的表示式更復(fù)雜一些，即它倆的比例數(shù)值在不同情況下是不同的，除鉆孔內(nèi)器件極少的“空孔法測(cè)量”之外，通常的高靈敏度觀測(cè)，都不能拿哪一個(gè)系數(shù)乘某個(gè)常數(shù)來(lái)代替另一個(gè)。(有人問，元件測(cè)量位移本是一個(gè)靈敏系數(shù)，怎么在此出現(xiàn)兩個(gè)靈敏系數(shù)？回答這個(gè)問題可以從“元件是測(cè)量鋼筒內(nèi)徑的位移，而鋼筒是在感受巖石里的應(yīng)變”來(lái)理解。鋼筒對(duì)巖石的狀態(tài)是同時(shí)感受著面應(yīng)變和剪應(yīng)變，是這兩者。)所以，面應(yīng)變和剪應(yīng)變才是井下儀器所直接觀測(cè)到的物理量。即最先得到的、最直接的結(jié)果。

從現(xiàn)在開始，我們的思想觀念要完成這場(chǎng)“變革”，或是提升：不是單單地用最大、最小主應(yīng)變作為唯一的計(jì)算結(jié)果，而是也可以把面應(yīng)變和剪應(yīng)變作為最首選的表達(dá)方式，并在多方面得到運(yùn)用。在此向大家推薦多用面應(yīng)變和剪應(yīng)變的視角，原因有三：

(1) 兩者的系統(tǒng)誤差明確，均來(lái)自一個(gè)靈敏系數(shù)決定其系統(tǒng)誤差量，而不是像最大、最小主應(yīng)變，其誤差來(lái)自兩個(gè)靈敏系數(shù)的系統(tǒng)誤差而且不穩(wěn)定，因?yàn)樗€取決于兩個(gè)主應(yīng)變的數(shù)值大小之比。

(2) 不少情況下，分析、了解面應(yīng)變和剪應(yīng)變，物理圖像更清晰，直觀效果是距離震源模式、物理預(yù)報(bào)更近些，堅(jiān)信不久后就可以看到實(shí)踐的證明。

(3) 當(dāng)四分量遇上了面應(yīng)變和切應(yīng)變觀念，計(jì)算式顯得很簡(jiǎn)潔、方便、實(shí)用。似乎，四分量更像是為這兩個(gè)應(yīng)變量的觀測(cè)而專門設(shè)計(jì)的。兩個(gè)面應(yīng)變式子為：

(εⅠ+εⅡ)1=(U1+U3)/2A

，

(5)

(εⅠ+εⅡ)2=(U2+U4)/2A

。

(6)

剪應(yīng)變式子為：

(7)

最大主應(yīng)變的方位角為：

(8)

總之，有了四分量，面應(yīng)變和剪應(yīng)變的計(jì)算更方便。對(duì)于我們，既有了硬件(儀器)，又有了軟件(面應(yīng)變和切應(yīng)變的思想認(rèn)識(shí)、觀念—思想認(rèn)識(shí)和工作的方法)，就可做更多的研究和探討。

3 相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷和引來(lái)的新課題

再來(lái)討論兩個(gè)面應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)。在2012年9月彝良M5.7地震后，昭通市地震局繪制的震前、震時(shí)和震后面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)曲線出現(xiàn)了短時(shí)間的異常，且否定了干擾或儀器故障；兩年后的2014年魯?shù)镸6.5地震，鄰近4個(gè)地震臺(tái)站中有2個(gè)得到明確的應(yīng)變異常，且3個(gè)地震臺(tái)出現(xiàn)較確切的相關(guān)系數(shù)“自檢因子”異常，不得不正視這種從未見過、聽過的現(xiàn)象(孔向陽(yáng)等，2015)。同一時(shí)間段，池順良也在思索四川姑咱等地應(yīng)變儀四分量數(shù)據(jù)的“失恰”現(xiàn)象，即在震前、臨震、震時(shí)和震后的幾個(gè)時(shí)間段，面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)值有逐步下降和逐步恢復(fù)的過程[3]。

2種型號(hào)的四分量應(yīng)變儀在不同地點(diǎn)對(duì)幾個(gè)不同的中強(qiáng)地震，分別給出統(tǒng)計(jì)或曲線式的相關(guān)系數(shù)異常，或許具有其客觀性，確都直對(duì)著“尷尬”困境：原本只是用來(lái)證實(shí)資料可靠的參數(shù)，卻在應(yīng)變異常出現(xiàn)時(shí)伴隨著自身異常。這個(gè)發(fā)現(xiàn)有待得到進(jìn)一步證實(shí)，也需要足夠的如漁洞臺(tái)2014年的疑似“反面”震例(無(wú)明顯異常的震例)，有利于做全面的分析。再有，是怎樣的力學(xué)機(jī)理，使得彈性力學(xué)計(jì)算式的前提條件(如，鉆孔周圍數(shù)十倍鉆孔直徑范圍以內(nèi)的巖體不再均勻完整、各向同性)受到某種暫時(shí)的破壞或擾動(dòng)？

下面圖6是魯?shù)榈卣鹋_(tái)記錄魯?shù)?.5級(jí)地震時(shí)的異常曲線。震中距26 km，此值已接近于震源的破裂段長(zhǎng)度。計(jì)算相關(guān)系數(shù)的窗口寬為25 h。震前數(shù)天出現(xiàn)較大的應(yīng)變異常，伴隨著自檢因子的明顯突變，出現(xiàn)負(fù)值；面應(yīng)變和剪應(yīng)變的變化形態(tài)并不相同：面應(yīng)變?cè)谡鹎白兓?，震時(shí)的反應(yīng)卻很?。患魬?yīng)變?cè)谡鹎?、震時(shí)、震后都有明顯的幅度較大的變化。曲線最右端的變動(dòng)來(lái)自降雨，但降雨沒有帶來(lái)相關(guān)系數(shù)的擾動(dòng)。說(shuō)明這個(gè)自檢因子的變化不是來(lái)自地表。

在此，對(duì)相關(guān)系數(shù)的特點(diǎn)(習(xí)性？)作試探性分析。其確實(shí)是一個(gè)很好的工具，方便實(shí)用，且有了相關(guān)的計(jì)算軟件。它對(duì)緩慢的飄移反應(yīng)遲鈍，卻對(duì)小幅度的波動(dòng)反應(yīng)靈敏，有時(shí)憑肉眼看不出兩條曲線的相似度如何，但相關(guān)系數(shù)卻能給出定量的結(jié)果。

概略上述，歸結(jié)出如下的初步認(rèn)識(shí)及新的疑問：

(1) 相關(guān)系數(shù)在日常(地震平靜期)無(wú)明顯變化的觀測(cè)點(diǎn)，出現(xiàn)和識(shí)別這種異常最為可靠和容易，無(wú)需數(shù)據(jù)處理，該異常資料亦就最可靠。

(2) 異常主要是短期和臨震的異常，隨著資料的梳理，異常的時(shí)間似乎在向前擴(kuò)展，按池順良的研究可以有半年的異常，在昭通則沒有看出這樣長(zhǎng)時(shí)間的異常信息；沒有很長(zhǎng)時(shí)間的異常也許反而是個(gè)優(yōu)點(diǎn)—少有多地震的信息互相攪擾。

(3) 只對(duì)較大的地震敏感，對(duì)小地震不敏感，例如小于5級(jí)的地震？

(4) 只是對(duì)不很遠(yuǎn)處的地震有反應(yīng)，如何反應(yīng)遠(yuǎn)處的地震？如5級(jí)30公里？6級(jí)70公里？7級(jí)200公里？(池順良給出的對(duì)玉樹地震的反應(yīng)可達(dá)450公里許)。

(5) 不具有記憶力，地震后沒有明顯的殘留效應(yīng)，這也可算一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

(6) 目前，還未發(fā)現(xiàn)地表因素的干擾(如，降雨)。

(7) 反面的例子(無(wú)地震有異常，有異常無(wú)地震)目前還很缺乏注：在這次講座的討論中，池順良提到，有的觀測(cè)點(diǎn)存在有斷層的緩慢運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成兩個(gè)面應(yīng)變之間的差異，兩個(gè)剪應(yīng)變曲線斜率的差異，此時(shí)或許會(huì)有相關(guān)系數(shù)的下降。。于是，從學(xué)科發(fā)展的角度、或從實(shí)用的角度出發(fā)，都需對(duì)之前質(zhì)量好的四分量資料再做一次相關(guān)系數(shù)的計(jì)算和審視，查看其曲線有無(wú)異常且有無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系(即做一次相關(guān)系數(shù)的“回頭看”)。對(duì)于現(xiàn)今和未來(lái)的現(xiàn)實(shí)工作，地震觀測(cè)人、資料分析人都應(yīng)“嚴(yán)陣以待”，平日里可以將它作為“報(bào)平安”的依據(jù)。也可看出，密集型臺(tái)網(wǎng)是重點(diǎn)危險(xiǎn)監(jiān)視區(qū)監(jiān)測(cè)的重要措施。

圖6 魯?shù)榈卣鹋_(tái)記錄魯?shù)?.5級(jí)地震的異常曲線Fig.6 Anomaly curve of Ludian M6.5 earthquake recorded by Ludian seismic station

4 結(jié)語(yǔ)

四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)研究已經(jīng)觸及地震前出現(xiàn)的應(yīng)變異常，這些初步顯露出來(lái)的異常秉性和隱約的形態(tài)實(shí)屬空前。我深知獲得它的不易，也自感有幸，在蕪湖會(huì)議(全國(guó)第一屆地應(yīng)力專業(yè)會(huì)議)三十多年后終算是有機(jī)會(huì)看到了震前異常的模樣，也算是一種回報(bào)。這些空前的第一手資料在數(shù)量上還不夠多，也不夠豐富(缺少旁證資料等)，筆者對(duì)它的研究也較粗淺，仍處在起步階段。目前，這個(gè)關(guān)鍵性的新起步已經(jīng)邁出，此前關(guān)于四分量觀測(cè)是否應(yīng)該繼續(xù)下去的議論，有了答案。

鉆孔應(yīng)變觀測(cè)在技術(shù)和理性思維上確有進(jìn)步。甚至說(shuō)，目前得到的觀測(cè)資料和粗略分析是地形變學(xué)科的諸多手段所不曾得到也不曾想到的，現(xiàn)在已經(jīng)著手的高頻段觀測(cè)領(lǐng)域里更有許多誘人的未知境界。面對(duì)喜憂參半、思緒紛雜的十字路口，我們從業(yè)者感到肩上的重任，要正視現(xiàn)實(shí)中的各種管理與協(xié)調(diào)等問題。我們要做的事情還很多，如，專業(yè)隊(duì)伍業(yè)務(wù)水平的總體提升，對(duì)儀器生產(chǎn)存在的諸多技術(shù)問題的解決和疏導(dǎo)(如，鉆孔挖掘質(zhì)量的保證和檢查方法；建立井下儀器的技術(shù)體系和培養(yǎng)工匠精神，保障探頭長(zhǎng)壽命；儀器質(zhì)量的獎(jiǎng)懲制度、數(shù)據(jù)采集與入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)等也急需指導(dǎo)與協(xié)調(diào))。

遙想60年代末，曾有河北和山西省的群測(cè)群防觀測(cè)點(diǎn)，自發(fā)制作土辦法的土層應(yīng)力儀，那是用汽車的內(nèi)胎灌滿了水，填埋在幾米深的土層里，經(jīng)過橡皮導(dǎo)管連接到地面，再用玻璃細(xì)管觀測(cè)該水面的高度，可謂第一個(gè)體積應(yīng)力儀。這也成為山西地震預(yù)測(cè)的歷史。如今，小型四分量鉆孔應(yīng)變觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)已開始建設(shè)，它將以高靈敏度、高采樣率、高密度、高可靠性，力圖取得非同往常的新觀測(cè)結(jié)果，值得祝賀。

在41年前安徽蕪湖召開的“全國(guó)第一屆地應(yīng)力觀測(cè)專業(yè)會(huì)議”上，圍繞“解放思想，發(fā)力前行”的主題，提出了幾種鉆孔儀器的研制設(shè)想，并提出四分量鉆孔儀數(shù)據(jù)自檢的“第一式”。此后的實(shí)踐也證明了“思想前行”的重要意義。

在此，我們還要深切懷念鉆孔應(yīng)力觀測(cè)的倡導(dǎo)者李四光先生，學(xué)習(xí)他對(duì)地震工作的執(zhí)著精神和對(duì)實(shí)地觀測(cè)工作的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。