随着前兆数字化观测的建设和发展,青海省地震局于2006～2007年相继在格尔木、德令哈、门源、湟源、乐都和玉树6个台站各架设了一套YRY-4型分量钻孔应变仪,目前已积累了近7年的连续观测数据。在仪器正常观测期间,青海省及周边发生了2008年四川汶川8.0级、2008～2009年青海海西6.3、6.4级和2010年青海玉树7.1级等强震,为研究分量钻孔应变在强震前的前兆异常变化特征和前兆异常信息提取提供了基础。

YRY-4型分量钻孔应变仪包括四分量应变探头、水位气压辅助观测探头,仪器系统应变分辨率5×10^-11,数采采样率为每分钟一次(池顺良等,2009)。近年来,随着观测资料的积累,获得了一些关于分量钻孔应变资料不同时间尺度前兆异常的研究成果(宋治平等,2003; 周龙寿等,2009; 尹继尧,朱元清,2012; 毕永强等,2013),如2013年四川芦山7.0级地震前出现的明显的应变阶跃异常有可能是强震的临震前兆信号(池顺良等,2013); 库尔勒钻孔应变观测记录到的固体潮畸变现象可能是震前的异常信号(王在华等,2011); 汶川地震前一年多,位于龙门山断裂带西南端的姑咱台钻孔应变仪开始记录到异常应变变化,这种异常变化以短周期(数分钟至数小时)的“毛刺”形态为特征(邱泽华等,2010)。上述研究提取和识别了一些震前的异常现象和特征,但综合各个方面的研究进展,全国40余套钻孔应变仪器在震前捕捉到相对较为可靠的前兆异常信息仍然相对偏少。

检验一个观测变化是否为地震前兆异常,需要3个判据:(1)有正常背景;(2)非干扰影响;(3)与地震相关(邱泽华等,2009)。经过7年左右的资料积累和前期基础研究工作的完成,对青海分量钻孔应变资料动态变化特征及主要干扰变化有了较深入的认识,这是研究分量钻孔应变资料在地震前异常变化的基础。本文利用青海钻孔分量孔应变资料的分钟值及整时值数据资料,对青海地区M≥6强震前的前兆异常信息进行了研究,并对异常特征进行了总结。

YRY-4型分量应变仪有4个独立分量,比平面应变三分量观测系统多一个分量的观测数据,具有检验观测数据真实性的自检功能。其中自检条件为:1路数据+3路数据≌2路数据+4路数据(≌为相似符号)(池顺良等,2009)。利用四分量钻孔应变仪器的自检功能对青海省6套钻孔应变资料进行了可靠性分析(门源台钻孔应变仪器第2分量损坏,无法分析),结果显示,格尔木、德令哈、湟源、乐都4个台站分量钻孔应变数据自检效果较好,1路数据+3路数据与2路数据+4路数据具有很高的相似性,且长趋势变化形态完全一致(图1)。这说明这些分量钻孔应变观测数据真实可靠,可以用于前兆异常信息的提取分析。在2010年4月14日玉树7.1级地震前,数据自检结果较好,地震发生后自检结果不理想,两项面应变计算结果呈反向变化趋势,于2011年初开始逐步恢复至相似趋势形态。玉树钻孔应变观测点位于玉树7.1级地震发震断裂带附近,距离震中仅40 km左右,因此出现的面应变不相似现象可能与玉树地震的发生密切相关。

图1 分量钻孔应变自检结果
(a)格尔木台数据;(b)德令哈台数据;(c)湟源台数据;(d)乐都台数据;(e)玉树台震前数据;(f)玉树台震后数据
Fig.1 Self-checking result of component borehole strain(a)data of Golmud Station;(b)data of Delingha Station;(c)data of Huangyuan Station;(d)data of Ledu Station;

根据以往的研究发现,由于观测点环境差异,分量钻孔应变资料的主要干扰因素存在明显差异(马震等,2011)。气压干扰最具普遍性,格尔木、门源钻孔应变资料的主要干扰为气压干扰; 水库蓄水是德令哈钻孔应变资料除气压干扰外最主要的干扰因素; 地下水位变化对湟源、玉树、乐都钻孔应变资料造成了明显干扰; 强降雨量对玉树钻孔应变资料造成了显著干扰(表1)。

表1 分量钻孔应变台站概况
Tab.1 General situation of component borehole strain stations

分量钻孔应变资料在一些近震及较远强震前可能存在固体潮畸变、阶跃等临震异常信息(王在华等,2011; 池顺良等,2013),但多数固体潮畸变或阶跃变化往往与观测仪器、地下水位及降水等干扰存在密切关系(卢双苓等,2012; 高丽娟等,2013)。

研究青海及邻区M≥6强震前3个月的分量钻孔应变资料变化特征,结果发现钻孔应变资料在震前出现的固体潮畸变和阶跃变化较少,这种现象与地震不存在明显的对应关系,在没有显著地震事件时也存在较多此类变化。

与气压、地下水位辅助观测资料进一步对比分析发现,分量钻孔应变出现的固体潮畸变现象多数与气压变化有关。青海境内6套钻孔应变资料中格尔木台的固体潮畸变现象最为普遍且幅度最大,频繁出现数倍于日变固体潮幅度的变化。以2013年1～4月格尔木钻孔应变第1分量数据为例,对比分析了钻孔应变资料出现的数倍于固体潮日变幅度的变化与同时段的气压变化的数据,发现该时段钻孔应变出现的所有数倍于固体潮日变幅度的畸变均与气压变化直接相关,并与气压呈负相关关系(图2)。因此,青海省分量钻孔应变资料中的固体潮畸变及阶跃现象地震前兆意义不明显。

图2 格尔木钻孔应变与气压数据曲线
Fig.2 Curve of borehole strain and air pressure recorded by Golmud Station

笔者分析了青海省6套分量钻孔应变资料后认为,出现较为可靠的震前异常的资料仅有格尔木和门源两个观测点,且均为2008年青海海西6.3级地震前出现的中短期趋势性异常。2010年青海玉树7.1级地震前,钻孔应变资料无明显异常变化。

格尔木和门源分量钻孔应变出现的前兆异常持续时间均为半年左右,分别在地震发生前1个月、半个月出现转折现象,此现象可能是临震异常信息。这两次异常回返现象的震例对我们今后利用分量钻孔应变资料判断地震发生时间具有参考意义。

出现较为可靠的前兆异常的测项格尔木和门源是6套钻孔应变测项中观测环境最好、资料最为稳定的两个测项。其余4个测项资料中包含有大量地下水位、水库蓄水及河流流量变化信息,这些干扰信息均较难剔除,对前兆异常的信息提取和震例总结工作带来巨大困难。德令哈钻孔应变观测点距离2008～2009年海西6.3、6.4级地震震中仅135 km左右,距离发震断裂带不足20 km,分析长趋势变化,德令哈钻孔应变资料在震后存在明显趋势转折现象,但该观测资料受水库蓄水干扰严重,无法提取短期前兆异常信息。因此,钻孔应变资料干扰因素的深入分析及干扰信息的定量剔除工作对有效利用观测资料具有重要意义。