樊俊屹 劉高川

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

鉆孔應(yīng)變地震監(jiān)測技術(shù)是監(jiān)測地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的一種精細(xì)觀測技術(shù)，該技術(shù)利用安裝在地下鉆孔中的鉆孔應(yīng)變儀來觀測地殼表層應(yīng)變，可掌握地震應(yīng)變前兆的(長)中期、短期、臨震以及震后調(diào)整的時、空分布與發(fā)展變化的規(guī)律。鉆孔應(yīng)變觀測對象分為體應(yīng)變和分量應(yīng)變，體應(yīng)變反應(yīng)的是鉆孔周圍巖石體應(yīng)變變化，分量應(yīng)變反應(yīng)的是鉆孔中水平應(yīng)變狀態(tài)的變化。地震發(fā)生時，斷層破裂活動可能會引起觀測臺站所在地的應(yīng)力場發(fā)生張、壓性變化，鉆孔應(yīng)變儀會記錄到同震變化，震級越大，同震變化越明顯。研究同震波動變化與地震的關(guān)系，有利于對前兆現(xiàn)象的認(rèn)識和理解，對于減輕次生災(zāi)害、追溯地震前兆、跟蹤后續(xù)地震以及研究地殼活動規(guī)律等均具有理論和實際意義。國內(nèi)外已經(jīng)開展的科研工作顯示，當(dāng)全球發(fā)生7級以上地震時，我國的各類鉆孔應(yīng)變儀器，大多可以觀測到地震引起的波動。邱澤華等(2005、2006、2007)首先利用體應(yīng)變記錄到的同震資料，對昆侖山MS8.1地震和蘇門答臘MS8.7地震引起的同震應(yīng)力觸發(fā)斷層活動進(jìn)行了研究；唐磊等(2011、2013)利用中國鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)記錄的93個臺站同震變化資料，分析了中國大陸主要活動斷裂可能受到日本MS9.0地震的影響程度，以及利用川滇地區(qū)的6套分量應(yīng)變儀記錄到的同震變化，對汶川MS8.0和蘆山MS7.0地震的同震應(yīng)變階進(jìn)行了分析。分析鉆孔應(yīng)變同震階變，探討同震應(yīng)變階的可靠性及影響因素，研究震源過程、應(yīng)力觸發(fā)、地球自由振蕩等問題，從而進(jìn)一步探討研究區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力釋放情況，分析研究區(qū)域未來的地震危險性。

2021年5月22日2時4分青海果洛藏族自治州瑪多縣(34.63°N，98.52°E)發(fā)生MS7.4地震，震中位于巴顏喀拉塊體，距離此次地震震中最近的斷層是甘德南緣斷裂帶。震源機(jī)制為走滑型破裂(鄧文澤，2021)，結(jié)合巴顏喀拉塊體內(nèi)部廣泛發(fā)育的不同級別的NW-SE向的左旋走滑斷裂系，說明東側(cè)區(qū)域斷裂系構(gòu)造應(yīng)力作用處于較強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，區(qū)域構(gòu)造背景應(yīng)力水平相對較高，且由震源機(jī)制解正演獲得地震同震造成的應(yīng)變場顯示，震中東、西兩側(cè)區(qū)域分別處于較強(qiáng)的擠壓和拉張狀態(tài)，該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)整體處于一種“東緊西松”的狀態(tài)(1)李瑜,2021.私人通訊.。我國鉆孔應(yīng)變監(jiān)測臺網(wǎng)中的鉆孔應(yīng)變儀記錄到本次地震的響應(yīng)特征各有差異，因此本文對比了TJ型鉆孔體應(yīng)變、YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀和RZB型分量鉆孔應(yīng)變儀這3種在網(wǎng)鉆孔應(yīng)變儀的同震應(yīng)變波，分析3種儀器的同震響應(yīng)特征和能力，為今后儀器的定型入網(wǎng)提供參考。

1 在網(wǎng)鉆孔應(yīng)變觀測儀器

目前納入中國地震局地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的鉆孔應(yīng)變儀包括TJ型鉆孔體應(yīng)變儀72套、YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀36套、RZB型分量鉆孔應(yīng)變儀29套(下文中分別簡稱為體應(yīng)變儀、YRY型應(yīng)變儀和RZB型應(yīng)變儀)，空間分布如圖1 所示。體應(yīng)變儀主要集中在中東部地區(qū)，YRY型應(yīng)變儀主要集中在青海、四川、云南、山西和江蘇等地，RZB型應(yīng)變儀主要集中在新疆、甘肅、重慶、山東和廣東等地。

圖1 3種鉆孔應(yīng)變儀空間分布

2 青海瑪多MS7.4地震引起的鉆孔應(yīng)變同震變化特征

鉆孔應(yīng)變觀測的同震效應(yīng)是指地震波傳播到鉆孔應(yīng)變觀測點所激發(fā)的近場局部應(yīng)力應(yīng)變的變化。為了方便對比分析，將分量鉆孔應(yīng)變儀的觀測值通過換算得出面應(yīng)變值(邱澤華等，2009)，與體應(yīng)變儀觀測值進(jìn)行對比。地震引起的鉆孔應(yīng)變同震變化有振蕩和階變2種類型(鄭江蓉等，2013；楊紹富等，2013；王小娟，2015)。

(1)振蕩型:一般由遠(yuǎn)震引起，表現(xiàn)為鉆孔應(yīng)變快速高頻振蕩、快速高頻衰減，鉆孔應(yīng)變振蕩持續(xù)時間、波動幅度與震級呈正比關(guān)系，持續(xù)時間為幾十分鐘至幾小時，振蕩幅度為10-9～10-6應(yīng)變。瑪多MS7.4地震引起的地應(yīng)變振蕩型變化特征如圖2 所示。

圖2 典型同震曲線

(2)階變型:一般由地方震及近地震引起或大震對較遠(yuǎn)觀測的應(yīng)力觸發(fā)引起，表現(xiàn)為地震波引起鉆孔應(yīng)變變化出現(xiàn)壓性階變、張性階變，持續(xù)時間及幅度亦與震級有關(guān)。幅度為10-9～10-6應(yīng)變，持續(xù)時間為幾十分鐘至幾小時，有時甚至產(chǎn)生永久性的應(yīng)變階變。

瑪多MS7.4地震引起的鉆孔觀測的張性階變變化特征及壓性階變變化特征如圖2 所示。通過初步分析可知，同震初到時間、波動幅度、持續(xù)時間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但同震階變等方面差異明顯，這可能和地震波的傳播路徑、臺站地質(zhì)環(huán)境、鉆孔與巖石的耦合及儀器自身特性有關(guān)。

此次地震在全國范圍共引起117個鉆孔應(yīng)變測點發(fā)生同震響應(yīng)(圖3)，其中包括56個分量鉆孔應(yīng)變測點和61個體應(yīng)變測點。在56個分量應(yīng)變測點中，10個測點的分量鉆孔應(yīng)變?yōu)閴盒噪A變，3個測點為張性階變，43個測點為振蕩型變化；在分量應(yīng)變測點中，震中距最近的為青海德令哈臺，約為322km，波動幅度約22168.5×10-10；震中距最遠(yuǎn)的為吉林通化臺，約2543km，波動幅度約3217.6×10-10。按照波動幅度變化分析，波動幅度最大的是震中距2009km的江蘇常熟臺，約31790.5×10-10；波動幅度最小的為震中距約971km的重慶墊江新民臺，其波動幅度僅5.7×10-10。

圖3 青海瑪多MS7.4地震鉆孔應(yīng)變同震響應(yīng)分布

在61個體應(yīng)變測點中，同震變化表現(xiàn)為壓性階變的測點有3個，表現(xiàn)為張性階變的有9個，表現(xiàn)為振蕩型變化的有49個。震中距最近的為四川甘孜臺，約366km，波動幅度約3257×10-10。震中距最遠(yuǎn)的為黑龍江牡丹江，約2901km，波動幅度約19.7×10-10。按照波動幅度變化分析，波動幅度最大的為震中距1728km的江蘇徐州臺，幅度約為89732×10-10，波動幅度最小的為震中距最遠(yuǎn)的黑龍江牡丹江臺，其波動幅度僅為197×10-10。

鉆孔應(yīng)變觀測的同震變化在空間分布上具有明顯的集聚特征，震中距在500km范圍內(nèi)多呈現(xiàn)振蕩變化。RZB型應(yīng)變儀多呈現(xiàn)壓性階變，主要分布在震中的東側(cè)，震中距在700km范圍內(nèi)，與震源機(jī)制解正演應(yīng)變場結(jié)果一致; YRY型應(yīng)變儀表現(xiàn)為同震壓性階變的分布范圍較廣，震中距在1300～2100km范圍內(nèi)；體應(yīng)變儀同震張性階變較為集中的區(qū)域為山東和江蘇，震中距在1700～2000km范圍內(nèi); 3種儀器同震振蕩的測點分布范圍廣，震中距為322～2901km不等，集聚性特征不明顯。

3 3種儀器震中距與同震響應(yīng)量關(guān)系

為進(jìn)一步說明3種儀器的不同響應(yīng)特征，分析了3種鉆孔應(yīng)變儀器對青?，敹嗟卣鹜痦憫?yīng)的波動幅度、初動時間、持續(xù)時間、頻率等多個參量的關(guān)聯(lián)性。

3.1 響應(yīng)波動幅度

分析鉆孔應(yīng)變儀器響應(yīng)波動幅度變化與震中距的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：

(1)震中500km范圍內(nèi)，YRY型應(yīng)變儀響應(yīng)明顯；震中距大于500km時，3種儀器響應(yīng)波動幅度變化較為接近。

(2)YRY型和RZB型應(yīng)變儀在震中距1500km以上的波動幅度大于震中距500～1000km 范圍內(nèi)的波動幅度，且大部分YRY型應(yīng)變儀的響應(yīng)波動幅度大于RZB型應(yīng)變儀。

(3)體應(yīng)變儀波動幅度變化與震中距的相關(guān)性較另2種儀器高(表1)。

表1 鉆孔應(yīng)變儀器波動幅度變化與震中距的相關(guān)系數(shù)

3.2 響應(yīng)時間

同震響應(yīng)最早的臺站是體應(yīng)變儀的云南陸良臺、內(nèi)蒙古烏加河臺、山東相公莊臺、山東長清臺，YRY型應(yīng)變儀的海原小山臺，RZB型應(yīng)變儀的烏什臺。使用體應(yīng)變儀的臺站中，同震響應(yīng)最晚的是西藏拉薩臺和河北張家口臺，在震后16min才開始響應(yīng)；使用YRY型應(yīng)變儀的臺站中最晚響應(yīng)的是上海松江佘山臺，在震后11min開始響應(yīng)；使用RZB型應(yīng)變儀的臺站中響應(yīng)最晚的是山東青島臺和甘肅劉家峽臺，震后26min開始響應(yīng)。

通過對儀器響應(yīng)時間與震中距關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)：震中距500km內(nèi)，YRY型應(yīng)變儀響應(yīng)最早。震中距500～1000km范圍內(nèi)，YRY型應(yīng)變儀響應(yīng)最快，體應(yīng)變儀次之，RZB型應(yīng)變儀最慢；震中距1000～2000km范圍內(nèi)，3種儀器響應(yīng)速度持平；震中距大于2000km時，大部分體應(yīng)變儀響應(yīng)早于其他儀器。

為了更好地對比分析3種類型儀器在瑪多地震中表現(xiàn)出的同震變化，根據(jù)震中距大小，選取震中距相近且3種類型儀器均存在的區(qū)域，按由近及遠(yuǎn)進(jìn)行分段，通過綜合對比分析，初步結(jié)果如下：

(1)在震中距300～500km范圍內(nèi)，符合條件的有8套儀器(表2)，其中YRY型應(yīng)變儀觀測到的同震波動幅度最大，體應(yīng)變儀波動幅度次之，RZB型應(yīng)變儀波動幅度最?。煌痦憫?yīng)的持續(xù)時間基本相同；RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀可能存在授時問題，記錄的此次地震的初動時間與理論值差別較大。

表2 震中距300～500km范圍內(nèi)3種儀器的響應(yīng)對比

(2)震中距900～1000km范圍內(nèi)，符合條件的有6套儀器，其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大，YRY型應(yīng)變儀次之；有2套RZB型應(yīng)變儀和1套體應(yīng)變儀的波動幅度變化極小，難以從背景變化中進(jìn)行區(qū)分，這3套儀器的地震響應(yīng)持續(xù)時間較短；YRY型應(yīng)變儀和1套體應(yīng)變儀持續(xù)時間較長。

(3)震中距1000～1100km范圍內(nèi)，符合條件的有6套儀器，其中RZB型應(yīng)變儀波動幅度變化最大，體應(yīng)變儀次之；有2套RZB型應(yīng)變儀波動幅度變化極小，難以從背景變化中進(jìn)行區(qū)分，還有1套儀器雖然波動幅度變化較大，但難以從背景變化中區(qū)分出持續(xù)響應(yīng)變化，這3套儀器地震響應(yīng)持續(xù)時間較短；YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較長。

(4)震中距1350～1405km范圍內(nèi)，符合條件的有7套儀器，其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大，2種分量應(yīng)變儀次之；有1套體應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，雖然初始波動幅度變化值大，但后續(xù)變化幅度小，難以從背景變化中進(jìn)行區(qū)分，這套儀器的地震響應(yīng)持續(xù)時間較短；其他儀器持續(xù)時間較長。

(5)震中距1643～1651km范圍內(nèi)，符合條件的有4套儀器，其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大，RZB型應(yīng)變儀次之；有1套體應(yīng)變儀和1套RZB型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，雖然波動幅度變化值大，但難以從背景變化中區(qū)分出持續(xù)響應(yīng)變化，地震響應(yīng)持續(xù)時間較短；其他儀器影響持續(xù)時間較長。

(6)震中距1699～1728km范圍內(nèi)，符合條件的有8套儀器，其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大，YRY型應(yīng)變儀次之；有1套體應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，雖然波動幅度變化值大，但難以從背景變化中區(qū)分出持續(xù)響應(yīng)變化，地震響應(yīng)持續(xù)時間較短；其他儀器影響持續(xù)時間長。

(7)震中距2169～2236km范圍內(nèi)，符合條件的有8套儀器，其中RZB型應(yīng)變儀波動幅度變化最大；體應(yīng)變儀和YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，雖然波動幅度變化值大，但持難以從背景變化中區(qū)分出續(xù)響應(yīng)變化，地震響應(yīng)持續(xù)時間短；其他儀器影響持續(xù)時間較長。

另外，還選取同一臺站有2種類型儀器的山西大同臺、山東泰安臺、江蘇徐州臺和青海高臺臺4個臺站，進(jìn)行了綜合對比分析，其中高臺臺的2種儀器為YRY型應(yīng)變儀和測震寬頻帶地震儀。由圖4 和表3 所示，①大同臺和泰安臺的2套儀器初動時間相同，徐州臺的YRY型應(yīng)變儀比體應(yīng)變儀晚1min，高臺臺的寬頻帶地震儀比YRY型應(yīng)變儀早1min；②大同臺和徐州臺YRY型應(yīng)變儀的持續(xù)時間大于體應(yīng)變儀，泰安臺體應(yīng)變儀的持續(xù)時間大于RZB型應(yīng)變儀，測震儀器的持續(xù)時間大于YRY型應(yīng)變儀。

表3 同臺站不同儀器響應(yīng)對比

圖4 同臺站不同儀器曲線對比

對比響應(yīng)波形發(fā)現(xiàn)同一臺站的2種儀器存在差異，3個震中距大于1000km臺站的體應(yīng)變儀的波動幅度大于分量應(yīng)變儀器，說明體應(yīng)變儀的敏感度較高，接收到地震波動后引起的振幅變化較大，但并未清晰地反應(yīng)實際波動情況。徐州臺的體應(yīng)變儀表現(xiàn)的是張性階變，而YRY型應(yīng)變儀表現(xiàn)的是壓性階變，這些差別可能與儀器性能、參量設(shè)置、場地響應(yīng)有關(guān)。寬頻帶地震儀初動時間僅早于YRY型應(yīng)變儀1min，由于YRY型應(yīng)變儀為分鐘值采樣，接收到的地震信號延遲1min響應(yīng)；寬頻帶地震儀的持續(xù)時間大于YRY型應(yīng)變儀21min，說明YRY型應(yīng)變儀的同震變化持續(xù)時間是相對完整有效的，而寬頻帶地震儀采用率高，觀測到的信號比YRY型應(yīng)變儀豐富。

3.3 響應(yīng)頻率

鉆孔應(yīng)變頻譜分析的常規(guī)方法是時頻類分析方法，該方法可以較方便地進(jìn)行信號頻譜的動態(tài)研究(劉琦等，2011、2013、2014；李文軍等，2014)。常用的時頻類分析方法較多，包括短時傅立葉變換、Gabor展開、小波變換、wignel-ville分布、Cohen類分布等方法，本文選用連續(xù)小波變換CWT方法，從頻率域方面研究3種觀測儀器記錄的同震響應(yīng)。連續(xù)小波變換具有頻帶更為連續(xù)的特點，特別適合全局時頻特征的總體把握，可以反映在整個同震時段的頻譜演變整體特性(侯海龍，2007)。選取同時有2種以上儀器觀測的山西大同臺、山東泰安臺和江蘇徐州臺3個臺站，采用上述時頻分析方法，分別繪制了3個臺站記錄的此次地震的同震變化時段的時頻曲線，如圖5 所示。綜合分析認(rèn)為，3種儀器對此次地震的響應(yīng)頻帶存在差別，大同臺YRY型應(yīng)變儀的主要頻帶為2～4min，體應(yīng)變儀為2～3min，YRY型應(yīng)變儀記錄的頻帶較寬；泰安臺RZB型應(yīng)變儀的主要頻帶為2～3min，體應(yīng)變儀為2～4min，RZB型應(yīng)變儀記錄的頻帶范圍非常小，體應(yīng)變儀記錄的頻帶較寬；徐州臺YRY型應(yīng)變儀的主要頻帶為2～5min，體應(yīng)變儀為2～3min，YRY型應(yīng)變儀記錄的頻帶也較寬。分析認(rèn)為，可能是觀測點介質(zhì)的各向異性造成了觀測點場地局部的應(yīng)變差異。對比發(fā)現(xiàn)，同一臺站2種儀器的同震響應(yīng)的頻帶差別較大，可能與儀器性能、參量設(shè)置、場地響應(yīng)和鉆孔與有關(guān)。但總體上來說，YRY型應(yīng)變儀記錄的頻帶范圍最大，體應(yīng)變儀次之，RZB型應(yīng)變儀最小，說明YRY型應(yīng)變儀記錄同震信息的能力最強(qiáng)。

圖5 同一臺站3種觀測儀器的同震時頻對比白色虛線為影響錐

3.4 多個參量相關(guān)性特征分析

進(jìn)一步分析多個參量的相關(guān)性，分別從數(shù)據(jù)分布和斜率來對比震中距、初動時間、持續(xù)時間與波動幅度之間的關(guān)系(胡春美，2019)。由各參量之間關(guān)系的矩陣圖(圖6)可知：①在震中距1000km范圍內(nèi)，3種儀器數(shù)量相當(dāng)；②YRY型應(yīng)變儀的同震響應(yīng)的初動時間最早，RZB型應(yīng)變儀次之，體應(yīng)變儀最晚，但體應(yīng)變儀和RZB型應(yīng)變儀存在響應(yīng)滯后情況，這可能與儀器自身性能有關(guān)，也可能與儀器的GPS授時有關(guān)；③在同震變化持續(xù)時間上，約有一半的RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，僅少部分YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，由于觀測信號變化幅度減弱，使其后期的同震響應(yīng)與余震或背景變化重合，已無法區(qū)分；④RZB型應(yīng)變儀在波動幅度上的變化是3種儀器中最小的。

圖6 3種儀器的震中距與初動時間、持續(xù)時間、波動幅度關(guān)系

4 結(jié)論

通過對3種鉆孔應(yīng)變儀記錄的瑪多MS7.4地震的同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析，初步得出以下結(jié)論：

(1)在震中距700km范圍內(nèi)，RZB型應(yīng)變儀的記錄多呈現(xiàn)壓性階變，主要分布在震中的東側(cè)，與震源機(jī)制解正演應(yīng)變場結(jié)果一致。

(2)YRY型應(yīng)變儀的開始響應(yīng)時間早于RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀，體應(yīng)變儀和RZB型應(yīng)變儀存在響應(yīng)滯后現(xiàn)象，此次地震中，部分儀器的初動時間與理論初動時間差別較大，可能與儀器GPS授時有關(guān)；約有一半的RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀的同震變化持續(xù)時間較短，僅少部分YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短，說明YRY型應(yīng)變儀記錄的同震變化信息更豐富。

(3)全國所有臺站的鉆孔應(yīng)變儀均記錄到青海瑪多MS7.4地震的同震響應(yīng)，但RZB型應(yīng)變儀記錄的波動幅度變化最小，變化幅度與震中距相關(guān)性也最小。

(4)3種型號的儀器記錄的同震響應(yīng)頻帶存在差別，可能是觀測點介質(zhì)的各向異性造成了觀測點場地局部的應(yīng)變差異，但總體來說，YRY型應(yīng)變儀記錄同震信息的能力最強(qiáng)。

總體上，鉆孔應(yīng)變儀觀測記錄同震變化的初動時間、波動幅度和持續(xù)時間等與震中距存在一定的關(guān)系，但在同震應(yīng)變階、張壓性變化等方面差異較大，造成此差異的原因尚需進(jìn)一步研究。

致謝：中國地震臺網(wǎng)中心李瑜提供了利用GNSS計算出的瑪多地震區(qū)域構(gòu)造背景應(yīng)力，在此表示衷心感謝!