閆 勛, 高曙德, 姜振海, 李 娜, 武善藝, 柴 源, 曹 喜

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2. 蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

鉆孔應(yīng)變儀可以記錄到豐富的同震信息及震前異常變化,前人對鉆孔應(yīng)變儀同震響應(yīng)、同震應(yīng)變階特征及其成因分析做了大量工作,并計(jì)算出鉆孔應(yīng)變主方位角、主應(yīng)變等參量結(jié)合GPS運(yùn)動(dòng)方位、區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、震源機(jī)制解來進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分析。唐磊等[1]分析日本9.0級(jí)地震引起的中國大陸鉆孔應(yīng)變臺(tái)同震應(yīng)變階,發(fā)現(xiàn)該地震引起華北、華東、東北地區(qū)鉆孔形變場的拉張變化;李玉麗等對格爾木臺(tái)站記錄到的四川汶川8.0級(jí)、蘆山7.0級(jí)、玉樹7.1級(jí)等地震的同震曲線特征、震前異常變化特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)格爾木臺(tái)可以記錄到連續(xù)突跳及階躍等同震曲線形態(tài),且在地震前出現(xiàn)轉(zhuǎn)折趨勢、差應(yīng)變曲線分離等現(xiàn)象[2]。張敏等對青海地區(qū)鉆孔應(yīng)變青海玉樹7.1級(jí)、日本本州9.0級(jí)、四川蘆山7.0級(jí)地震同震規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)站同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間、震幅變化與震中距成反比[3]。龔正、卜祝源等將構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、震源機(jī)制解與鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)、主方位角、主應(yīng)變相結(jié)合分析呼圖壁M6.2地震,發(fā)現(xiàn)其主應(yīng)變張性壓性變化與傾向北的高角度逆沖盲斷層震源機(jī)制解吻合[4-5]。陳永前等結(jié)合區(qū)域構(gòu)造和鉆孔應(yīng)變潮汐變化、主方位角、主應(yīng)變變化分析山西地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)狀態(tài),發(fā)現(xiàn)山西地區(qū)主應(yīng)變場方向與該區(qū)域主要活動(dòng)斷裂方向相一致[6]。上述研究中,分析了同震曲線和震前異常的變化特征,利用主方位角、主應(yīng)變對區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證和分析,但使用主方位角、最大主應(yīng)變進(jìn)行地圖投影來研究同震變化、區(qū)域應(yīng)變場時(shí)空演化的震例較少。自1997年瑪尼7.5級(jí)地震以來,中國大陸7級(jí)以上強(qiáng)震都發(fā)生青藏高原北部地區(qū),巴顏喀拉塊體周緣斷裂發(fā)生過2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震、2008年汶川8.0級(jí)地震等,巴顏喀拉東北角擠壓與走滑變形帶上發(fā)生過2017年九寨溝7.0級(jí)地震、2021年瑪多7.4級(jí)地震、2022年1月8日青海門源MS6.9地震、1月23日青海德令哈MS5.8地震,說明祁連山地震帶目前仍是中國大陸地震活動(dòng)的主體,所以研究祁連帶地球物理測項(xiàng)變化對監(jiān)視祁連山地震帶的震情活動(dòng)具有現(xiàn)實(shí)意義。本文選取甘—青地區(qū)運(yùn)行可靠的鉆孔應(yīng)變臺(tái)站觀測數(shù)據(jù),利用2021年數(shù)據(jù)精度、面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制,計(jì)算主方位角、主應(yīng)變并進(jìn)行地圖投影,結(jié)合震源機(jī)制解、水平位移場分析2022年1月8日門源6.9級(jí)地震前后甘青地區(qū)鉆孔應(yīng)變臺(tái)網(wǎng)的應(yīng)變場變化與地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變化之間的聯(lián)系,進(jìn)而為該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究、地震危險(xiǎn)性跟蹤及短臨跟蹤提供參考。

1 臺(tái)站數(shù)據(jù)選取及地質(zhì)構(gòu)造背景

1.1 臺(tái)站數(shù)據(jù)選取

本研究選取甘青地區(qū)地球物理臺(tái)網(wǎng)中的高臺(tái)、安西、北道(天水)、靜寧、臨夏、劉家峽、兩水(隴南)、德令哈、湟源、門源等臺(tái)站的鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。上述臺(tái)站與2022年1月8日門源MS6.9地震空間相對位置如圖1所示,各臺(tái)鉆孔應(yīng)變儀架設(shè)信息見表1所列。

表1 鉆孔應(yīng)變儀器信息

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

本次門源MS6.9地震發(fā)生在青藏高原東北緣。青藏高原由歐亞板塊受印度板塊的推擠和持續(xù)碰撞而形成,由于青藏地塊NE向的強(qiáng)烈擠壓作用,使得該區(qū)域受到阿拉善地塊阻擋,導(dǎo)致地殼物質(zhì)沿SE向的擠出,形成了以左旋走滑及逆沖斷裂系為主的構(gòu)造體系,其最大主壓應(yīng)力軸呈現(xiàn)NE到NEE方向的變化。本次地震發(fā)生在地殼速度場具有強(qiáng)烈控制作用的廣義海原斷裂帶西段的冷龍嶺斷裂與托萊山斷裂上,震中50 km內(nèi)發(fā)生過2016年青海門源MS6.4地震(震源機(jī)制為逆沖型),震中100 km內(nèi)震級(jí)最大的為1927年甘肅古浪M8地震[7-8]。

2 區(qū)域鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

2.1 鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

在鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)分析過程中,對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制是預(yù)處理步驟之一[9-10]。鉆孔應(yīng)變儀沿順時(shí)針方向在4個(gè)以45°為間隔的方向上順次安裝觀測原件，數(shù)據(jù)代碼分別為：S1,S2,S3,S4;當(dāng)鉆孔應(yīng)變儀器探頭與圍巖的耦合處于理想狀態(tài)時(shí),S1+S3和S2+S4的形態(tài)近似,相關(guān)系數(shù)較高。但在實(shí)際觀測中,因安裝環(huán)境等因素影響,四分量儀器數(shù)據(jù)并不一定滿足自洽方程,故需要對儀器進(jìn)行標(biāo)定,通過參數(shù)校正提高數(shù)據(jù)自洽程度和數(shù)據(jù)可靠性[11-12]。分析各臺(tái)數(shù)據(jù)相關(guān)性后,高臺(tái)、德令哈、湟源站觀測數(shù)據(jù)自洽較好,未做相對標(biāo)定,其他臺(tái)站數(shù)據(jù)均進(jìn)行相對標(biāo)定。預(yù)處理后采用唐磊提出的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)對觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[12],計(jì)算公式如下:

(1)

式中:r表示相關(guān)系數(shù);S13表示S1+S3,S24表示S2+S4;N表示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。當(dāng)r越接近1,觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。通過對各站分量式鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),除了兩水臺(tái)站外(0.414),甘青地區(qū)鉆孔應(yīng)變臺(tái)站2021年面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)均大于0.96,表現(xiàn)為高度相關(guān),說明所選分量鉆孔應(yīng)變臺(tái)數(shù)據(jù)可靠。

表2 鉆孔應(yīng)變面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)

通過調(diào)和分析方法求解一個(gè)月長度的鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)資料M2波振幅因子(潮汐因子),計(jì)算M2波振幅因子均方差,即為數(shù)據(jù)精度。本文使用臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的2021年月報(bào)文件中鉆孔應(yīng)變精度數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)臺(tái)站資料(圖2)。依據(jù)《數(shù)字地震及前兆觀測技術(shù)規(guī)范(地殼形變觀測)》中鉆孔應(yīng)變的數(shù)據(jù)精度指標(biāo),所選臺(tái)站鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)2021年精度滿足Ⅰ類臺(tái)精度要求[13]。

圖2 鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)精度(2021-01—2021-12)Fig.2 Accuracy of borehole strain data (2021-01—2021-12)

2.2 鉆孔應(yīng)變同震數(shù)據(jù)變化特征

繪制2022年1月8日01:00至04:00所選臺(tái)站鉆孔應(yīng)變分鐘值數(shù)據(jù)如圖3。對各站鉆孔應(yīng)變同震曲線信息計(jì)算統(tǒng)計(jì)如表3所列。

圖3 各站鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)(2022-01-08 T01:00-2022-01-08 T04:00)Fig.3 The borehole strain data at different stations (2022-01-08 T01:00-2022-01-08 T04:00)

表3 鉆孔應(yīng)變同震最大振幅

門源MS6.9地震鉆孔應(yīng)變同震曲線以連續(xù)突跳形態(tài)為主,除北道臺(tái)站外,其他臺(tái)站同震曲線形態(tài)出現(xiàn)同震應(yīng)變階(圖3)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)大部分臺(tái)站初動(dòng)基本在地震發(fā)生1 min后開始,同震效應(yīng)持續(xù)時(shí)間從16～113 min不等,同震最大振幅在14.66×10-10～14 387.63×10-10范圍變化(表3)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,祁連山地震帶(甘青地區(qū))鉆孔應(yīng)變臺(tái)站同震曲線變化受各臺(tái)站儀器自身靈敏度、儀器穩(wěn)定性、噪聲水平、臺(tái)址條件等因素共同影響,即便是同類的YRY、RZB型儀器之間同震變化幅度也存在差異。

2.3 主方位角主應(yīng)變時(shí)空變化特征分析

本文采用邱澤華提出的主方位角、主應(yīng)變計(jì)算方法計(jì)算各臺(tái)主方位角、主應(yīng)變[14]。當(dāng)觀測數(shù)據(jù)精度和面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)較高時(shí),對觀測值進(jìn)行替換計(jì)算:

S13=S1-S3

(2)

S24=S2-S4

(3)

Sa=(S1+S2+S3+S4)/2

(4)

最大主應(yīng)變?chǔ)?、最小主應(yīng)變?chǔ)?、主方位角φ則可用下列公式計(jì)算得出:

(5)

(6)

(7)

式中:θ1為元件1的方位角;A,B為觀測固體潮和理論固體潮耦合系數(shù)(采用2021年1月1日至2022年1月6日的鉆孔應(yīng)變數(shù)據(jù)絕對標(biāo)定得出,見表1)。對于中國大陸發(fā)生的中強(qiáng)級(jí)天然地震,震源深度一般在10～20 km,臺(tái)站應(yīng)變四分量儀器探頭安裝在同一口井中,所以臺(tái)站觀測井相對于震源距離可以忽略它的曲率,幾乎可以看做一個(gè)點(diǎn)(即假設(shè)觀測附近的介質(zhì)為各向同性)。本研究中計(jì)算主應(yīng)變、主方位角程序采用邱澤華的相關(guān)matlab程序模塊進(jìn)行計(jì)算,該程序中使用各向同性模型,故應(yīng)變等同為應(yīng)力?；谏鲜黾僭O(shè),計(jì)算了2022年1月8日所選臺(tái)站分量式鉆孔應(yīng)變分鐘值觀測數(shù)據(jù)的主方位角、最大、最小主應(yīng)變相對于當(dāng)天00:00數(shù)據(jù)變化(圖4),對同臺(tái)站最大最小主應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,然后以φ為主應(yīng)力方向,將同臺(tái)站主應(yīng)變中歸一化后的最大主應(yīng)變進(jìn)行地圖投影(圖5)。

結(jié)合圖4、圖5可知,青海門源MS6.9地震引起甘—青地區(qū)鉆孔應(yīng)變主方位角的偏移變化和主應(yīng)變的反復(fù)拉張、壓縮變化,高臺(tái)、臨夏、兩水、德令哈、門源、湟源臺(tái)站地震前后主方位角、主應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯的階躍變化。地震發(fā)生后鉆孔應(yīng)變主方位角、主應(yīng)變投影的劇烈變化持續(xù)到02:40左右結(jié)束。

圖4 主方位角、主應(yīng)變同震變化曲線(2022-01-08 01:00—4:00)Fig.4 Coseismic data of principal azimuth and principal strain (2022-01-08 01:00—04:00)

圖5 鉆孔應(yīng)變主方位角、最大主應(yīng)變地圖投影(2022年1月8日01:40—03:30時(shí)間間隔10 min)Fig.5 Projection of principal azimuth and maximum principal strain (2021-01-08 01:40—03:30,10-min interval)

2.4 與震源機(jī)制解及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的融合分析

為進(jìn)一步分析此次地震的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征,選取所選臺(tái)站2022年1月8日01:44及03:00主方位角、最大主應(yīng)變投影參數(shù)分別作為震前、震后時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖投影。使用箭頭表征其擠壓、拉伸應(yīng)力狀態(tài),結(jié)合中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心公布的門源MS6.9級(jí)地震震源機(jī)制解討論(圖6),同時(shí)列表對比分析震前(01:44)、震后(03:00)相對于起始點(diǎn)00:00的主方位角、主應(yīng)變(拉張為正,壓縮為負(fù))、相對于起始點(diǎn)的主應(yīng)變趨勢變化(表4)。

圖6 地震前后主方位角、主應(yīng)變投影變化Fig.6 The projection change of principal azimuth and principal strain before and after earthquake

表4 震前震后主方位角、主應(yīng)變變化

地震前后高臺(tái)、德令哈、門源、湟源主方位角發(fā)生較為明顯的偏移(表4、圖6),安西、門源、湟源、臨夏、劉家峽、北道、兩水主應(yīng)變發(fā)生明顯的拉伸壓縮變化(圖6)。安西震前、震后均表現(xiàn)為應(yīng)力主方向?yàn)镋W向的拉伸變化;高臺(tái)由震前的應(yīng)力主方向?yàn)镋W向的壓縮變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷髴?yīng)力主方向?yàn)镋S-WN向的壓縮變化;德令哈震前震后均為應(yīng)力主方向?yàn)镋W向附近的拉伸變化;門源由震前應(yīng)力主方向?yàn)闁|西向附近的拉伸變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷髴?yīng)力主方向?yàn)镋W-WN向的壓縮變化;湟源由震前應(yīng)力主方向?yàn)榻麰W向的壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷髴?yīng)力主方向?yàn)镋N-WS向的拉伸變化;靜寧震前震后均為應(yīng)力主方向?yàn)镹S向的拉伸變化;臨夏震前震后均為應(yīng)力主方向?yàn)镋S-WN向的拉伸變化;劉家峽、兩水、北道震前震后均為應(yīng)力主方向?yàn)镋N-WS向的壓縮變化。

萬永革等反演的2022年1月8日青海門源MS6.9周圍地表同震位移場(圖7左)、水平主應(yīng)變場(圖7右)及此次地震震源機(jī)制解(圖6)[7],表明此次地震震中東北和西南兩側(cè)的物質(zhì)涌入震中,呈拉張應(yīng)變變化,與震中西南方向的德令哈投影變化一致;東南和西北兩側(cè)物質(zhì)向外涌出,呈擠壓應(yīng)變變化,與震中西北方向的高臺(tái)、東南方向的門源、劉家峽、北道、兩水投影變化一致,但與安西、湟源、臨夏投影變化不一致,可能與這幾個(gè)臺(tái)站所處的臺(tái)站位置、構(gòu)造位置存在差異有關(guān)。整體上看,鉆孔應(yīng)變主方位角、主應(yīng)變投影的震前震后的空間分布特征與震中小區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征相一致。地表同震位移場、水平應(yīng)變場中,震中西南方向的拉張應(yīng)變變化區(qū)域中存在小塊擠壓應(yīng)變變化區(qū)域,東南方向的擠壓應(yīng)變變化區(qū)域中存在小塊拉張應(yīng)變變化區(qū)域(圖7),這種非均勻分布是否在大區(qū)域應(yīng)變分布場中存在也有待深入分析。

圖7 青海門源MS6.9地震地表同震位移場及水平應(yīng)變場[7]Fig.7 Calculated coseismic surface displacement field and horizontal strain field of Menyuan, Qinghai MS6.9 earthquake[7]

選取2021年1月1日至2022年1月7日各臺(tái)站鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)計(jì)算其相對于2021年1月1日主方位角、主應(yīng)變變化日均值圖(圖8)并將其進(jìn)行地圖投影(圖9,以20天間隔)對震前背景變化進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)2021年整體趨勢為祁連山斷裂帶西段(安西)應(yīng)力主方向?yàn)镋W向的壓縮變化;祁連山斷裂帶中段(德令哈、高臺(tái)、門源和湟源)整體表現(xiàn)為祁連山斷裂帶中段北側(cè)(高臺(tái))應(yīng)力主方向?yàn)镋N-WS向(2021年1—5月)轉(zhuǎn)變?yōu)镋S-WN方向(2021年6—12月)的壓縮變化,南側(cè)德令哈應(yīng)力主方向?yàn)閃N-ES向壓縮變化,湟源為應(yīng)力主方向?yàn)榻麰W向的壓縮變化,門源為應(yīng)力主方向近NS向(2021年1—2月)轉(zhuǎn)為近EW(2021年3—12月)的拉伸變化,2021年12月以來出現(xiàn)近EW向的壓縮變化;祁連山斷裂帶東南(劉家峽、臨夏、北道、靜寧和兩水)劉家峽地區(qū)為應(yīng)力主方向?yàn)榻麰W向的拉伸變化;臨夏地區(qū)為應(yīng)力主方向?yàn)榻黈N-ES向的拉伸變化;北道為應(yīng)力主方向?yàn)榻黈N-ES向的拉伸變化,靜寧地區(qū)為應(yīng)力主方向?yàn)镋N-WS方向的壓縮變化;兩水地區(qū)為應(yīng)力主方向?yàn)榻麼S向的壓縮變化,除在2021年5月22日青海瑪多MS7.4地震前后、2022年1月8日青海門源MS6.9地震發(fā)生前部分臺(tái)站數(shù)據(jù)有明顯變化外(這個(gè)變化另文介紹),其他時(shí)期臺(tái)站主方位角、主應(yīng)變變化較為緩慢和穩(wěn)定?？臻g分布特征與卜玉菲等利用震源機(jī)制解反演甘肅及鄰區(qū)地殼應(yīng)力場研究中發(fā)現(xiàn)青藏高原板塊內(nèi)緣最大主壓應(yīng)力呈NE向分布,外緣最大主壓應(yīng)力由西向東呈現(xiàn)出順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特征,即最大主壓應(yīng)力軸由西段近NS向轉(zhuǎn)向中段NNE向,到東段轉(zhuǎn)至NNW向的結(jié)論基本一致[15]。

圖8 主方位角、主應(yīng)變變化(2021-01-01—2022-01-07)Fig.8 Change of the principal azimuth and principal strain (2021-01-01—2022-01-07)

圖9 2021年1月1日至12月27日鉆孔應(yīng)變主方位角、最大主應(yīng)變投影(切片步長20天)Fig.9 The projection of principal azimuth and maximum principal strain(2021-01-01—2021-12-27,20-day interval)

3 結(jié)論與探討

通過對2022年1月8日青海門源MS6.9地震前后的甘—青地區(qū)鉆孔應(yīng)變主方位角、最大最小主應(yīng)變、主方位角與最大主應(yīng)變投影分析后發(fā)現(xiàn):

(1) 青海門源MS6.9地震發(fā)生后,地震周邊臺(tái)站均記錄到此次地震的同震變化,其形態(tài)大部分為連續(xù)突跳,部分臺(tái)站記錄到較為明顯的同震應(yīng)變階形態(tài),但持續(xù)時(shí)間和變化幅度因儀器自身原因和臺(tái)址條件存在差異;

(2) 甘—青地區(qū)鉆孔應(yīng)變主方位角、主應(yīng)變及其地圖投影在長趨勢背景變化及短趨勢同震變化都與相應(yīng)的構(gòu)造地質(zhì)變化具有一定的對應(yīng)性。

上述研究表明鉆孔應(yīng)變主方位角、主應(yīng)變、主方位角最大主應(yīng)變地圖投影整體上反映區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變化。在后續(xù)研究中,可以通過進(jìn)一步增大鉆孔應(yīng)變觀測臺(tái)站密度、使用更高采樣率數(shù)采結(jié)合地震學(xué)的有關(guān)參數(shù),進(jìn)一步對地震應(yīng)力場跨斷層傳遞過程進(jìn)行更精細(xì)的判斷,研究其傳遞連續(xù)性;可以連續(xù)對區(qū)域主方位角、最大主應(yīng)變地圖投影進(jìn)行分析和監(jiān)測,捕捉應(yīng)力累積區(qū)相對于背景應(yīng)力場異常變化,為后續(xù)的地震監(jiān)測、預(yù)測提供參考。

致謝:對邱澤華研究員提供鉆孔應(yīng)變相關(guān)計(jì)算程序,萬永革研究員seismology小組公眾號(hào)發(fā)布的相應(yīng)震源機(jī)制解匯總及地表同震位移場、面應(yīng)變場圖件,審稿老師的修改意見使本文研究更加完整,在此一并表示感謝！