2012年6月24日永寧地震西昌沙層應(yīng)變的地震前兆信息

胡德軍，趙 晶,鞠 岷，張建民

(四川省地震局西昌地震中心站，四川 西昌 615022)

2012年6月24日永寧地震西昌沙層應(yīng)變的地震前兆信息

胡德軍，趙 晶,鞠 岷，張建民

(四川省地震局西昌地震中心站，四川 西昌 615022)

分析了西昌沙層應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)，在云南永寧5.7級(jí)地震前，儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化似乎出現(xiàn)了一個(gè)與地震發(fā)生相關(guān)的加載、相持、卸載、短臨及臨震各階段變化過程。結(jié)合沙層應(yīng)變的孕震物理模型認(rèn)為，西昌沙層應(yīng)變觀測(cè)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)與其周圍發(fā)生的地震有時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

沙層應(yīng)變；觀測(cè)數(shù)據(jù)，變化特征；統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2012年6月24日，在西昌西南約150 km的云南省寧蒗縣永寧鎮(zhèn)發(fā)生了5.7級(jí)地震，該地震發(fā)生前，西昌沙層應(yīng)力儀記錄到明顯的與該地震相關(guān)的變化信息。西昌SW-Ⅱ型沙層應(yīng)力儀是由北京普精信科技有限公司研制生產(chǎn)[1-2]，該儀器于2011年3月15日在西昌地震中心站安裝并正式記錄。該儀器的工作原理簡(jiǎn)單說明如下。當(dāng)孕育地震的作用力使附近巖石層塊產(chǎn)生滯滑(stick-slip)移動(dòng)，并漸次推動(dòng)其他巖石層塊滯滑位移時(shí)，層塊位移的切變作用就會(huì)導(dǎo)致土層擠壓形變，從而使埋于土層沙坑中的傳感器接收到形變信號(hào)。地球是非均勻介質(zhì)體，其巖石層由板塊、斷層和其間的斷層泥構(gòu)成，在足夠?qū)挼姆秶蓪r石層看作大尺度顆粒物質(zhì)，沙層應(yīng)變探測(cè)方法和原理的關(guān)鍵就是將應(yīng)變傳感器放置于顆粒介質(zhì)中，并將巖石層作為顆粒物質(zhì)處理。顆粒物質(zhì)是普遍存在的一類離散態(tài)物質(zhì)體系，它不同于一般的固體和流體，具有其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)行為，沙坑中的沙子離散態(tài)特性使傳感器對(duì)形變信號(hào)有良好的響應(yīng)，因此可探測(cè)到地震前兆信息。

儀器的數(shù)采技術(shù)指標(biāo)簡(jiǎn)單說明如下。信號(hào)采集頻率為1次/秒；16路雙端電信號(hào)；標(biāo)準(zhǔn)輸入電阻信號(hào)為2 000 Ω；輸入電阻范圍為10～10 000 Ω；輸入雙端電信號(hào)為0～±2 500 mV；輸出信號(hào)為±2 500 mV；視值分辨率為1.0 mV；數(shù)字分辨率為0.1 mV；整機(jī)靈敏度為10-9～10-10。儀器的傳感器技術(shù)指標(biāo)為：軸向最大位移3 μm；線性范圍為±2 000 Ω/(±2) μm；位移靈敏度為1.0 Ω/10 nm；儀器傳感器示值精確度為1.0 mV/1.0 nm；頻寬為0～20 Hz。儀器傳感器還具有其他特殊性能：對(duì)外界微小作用敏感、具有自組織能力，能夠適應(yīng)地震及地殼活動(dòng)、具有不穩(wěn)定的線性和非線性響應(yīng)與地殼特性一致、與地殼顆粒介質(zhì)容易耦合。

1 孕震物理模型及有效監(jiān)測(cè)范圍

圖1 單一震源孕震物理模型

一般來說，沙層應(yīng)變儀的有效監(jiān)測(cè)范圍分別為5級(jí)地震100 km；6級(jí)地震200 km；7級(jí)地震500 km；8級(jí)地震1 200 km。單一震源作用下的孕震物理模型是通過沙層應(yīng)變儀長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的，5級(jí)以上中強(qiáng)地震從孕育到發(fā)震是一個(gè)完整的、具有階段性的連續(xù)過程，每一階段都有其固有的特征信息，地震是這個(gè)過程的一個(gè)結(jié)果[3]。對(duì)于單一震源其孕震物理模型參見圖1，其中，ζ為用mV記錄的微應(yīng)變，t為時(shí)間，異常面積S=ζ×t，這些參數(shù)與震級(jí)M和震中距相關(guān)。孕震物理模型分為加載、相持、卸載、短期和臨震五個(gè)階段，其中加載和相持的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在1至數(shù)月之間，趨勢(shì)較為一致，卸載和短臨持續(xù)時(shí)間較短，一般在數(shù)天到數(shù)十天，且短臨階段因?yàn)楸O(jiān)測(cè)臺(tái)點(diǎn)與震中的相對(duì)位置、震中距、及地質(zhì)條件的不同會(huì)有不同的變化趨勢(shì)，會(huì)出現(xiàn)圖1中a、b、c、d各種不同形態(tài)。

2 多震源作用下的孕震物理模型

圖2 多個(gè)單一震源作用下的孕震物理模型的疊加

實(shí)際情況中像單一震源模型的情況較少，由于發(fā)震構(gòu)造宏偉，地震孕育過程可能有多處地應(yīng)力集中的地方，會(huì)同時(shí)或先后發(fā)生地震，或者在不同發(fā)震構(gòu)造上同時(shí)或先后發(fā)生多次地震。因此常見的是在多個(gè)單一震源作用下孕震物理模型疊加而發(fā)生地震(參見圖2)。這些情況反映了不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下、孕育不同發(fā)展階段的多個(gè)大小不同的地震前兆信息疊加表現(xiàn)。

2.1 地震前兆各階段的信息特征

加載階段的應(yīng)變量隨時(shí)間增長(zhǎng)而變大，觀測(cè)結(jié)果表現(xiàn)為向上的趨勢(shì)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超低頻的擾動(dòng)現(xiàn)象。相持階段出現(xiàn)大幅度的應(yīng)變擾動(dòng)，一般來說，擾動(dòng)幅度越大，未來地震的震級(jí)就越大，或者地震距離觀測(cè)點(diǎn)越近。卸載階段應(yīng)變量隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低，表現(xiàn)為向下的趨勢(shì)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)超低頻擾動(dòng)現(xiàn)象。短臨階段正常日變規(guī)律中的地脈動(dòng)和干擾基本看不見，從卸載到短臨的過渡是連續(xù)的，短臨時(shí)間長(zhǎng)則幾天或十幾天，短則幾小時(shí)。臨震階段會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)或幾組大于脈動(dòng)幅度3倍以上的脈沖，地震多發(fā)生在此信號(hào)出現(xiàn)后的72小時(shí)內(nèi)。

2.2 西昌沙層應(yīng)變?cè)技罢Ｈ兆兦€形態(tài)

西昌沙層應(yīng)變儀器傳感器按南北、東西、北西(平行于則木河斷裂)三個(gè)方向布設(shè)，傳感器的信號(hào)接入數(shù)采后分別是，1#元件對(duì)應(yīng)NS向，2#元件對(duì)應(yīng)EW向，3#元件對(duì)應(yīng)NW向。圖3是西昌沙層應(yīng)變儀器近4年來觀測(cè)整點(diǎn)值變化曲線。其中1#元件在2014年2月份出現(xiàn)故障后數(shù)據(jù)變化幾乎為直線，但是其它兩個(gè)元件工作正常。圖中加標(biāo)了有效監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的幾次地震，以便討論數(shù)據(jù)變化與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從曲線整體形態(tài)來看，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)幾次明顯的上升(加載)、相持、下降(卸載)的變化過程，從放大后的觀測(cè)曲線可以看出正常的數(shù)據(jù)日變規(guī)律。以3#元件為例，其日變幅差約200 mV，而其中的突變脈沖可能為車輛起動(dòng)產(chǎn)生的干擾(參見圖4)。

圖3 沙層應(yīng)變觀測(cè)整點(diǎn)值觀測(cè)曲線

圖4 突變脈沖為車輛起動(dòng)干擾

3 永寧地震西昌沙層應(yīng)變特征信息

3.1 震前加載、相持、卸載過程

西昌沙層應(yīng)變儀器經(jīng)過2012年4月初至5月下旬近兩個(gè)月的觀測(cè)，三個(gè)方向幾乎同時(shí)出現(xiàn)了從加載到相持的過程，NS向開始加載的時(shí)間是滯后的，其間伴隨低頻擾動(dòng)，以EW向最為明顯，最大擾動(dòng)幅度差別約為1 500 mV。從5月底到6月初的幾天時(shí)間內(nèi)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化似乎是基本完成了一個(gè)卸載過程，以EW向下降幅度最大，5天時(shí)間里面一共下降了2 400 mV。在這次大的加載、相持、卸載過程背景中還包含了幾次小的加載、相持、卸載過程，曲線的這種特征表明，在不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下、觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化表達(dá)了不同發(fā)展階段的多個(gè)大小不同的地震前兆信息。事實(shí)上，除了在有效監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)發(fā)生了6月24日的云南永寧5.7級(jí)地震外，還于6月底前在有效監(jiān)測(cè)范圍外發(fā)生了一系列5級(jí)以上地震，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化是否與這些地震有關(guān)還需要進(jìn)一步研究(參見圖5)。

圖5 曲線變化與有效監(jiān)測(cè)范圍外發(fā)生了一系列5級(jí)以上地震

3.2 短臨階段特征

2012年5月下旬至6月5日期間，觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化如果與地震的發(fā)生有關(guān)的話，似乎可以理解為經(jīng)過了一個(gè)相持和加速卸載而進(jìn)入短臨的階段，之后三個(gè)方向出現(xiàn)了不同程度的日變幅差減小或消失的現(xiàn)象，NS向是從5月20日開始，到6月12日基本結(jié)束的。EW向和NW向則是從6月12日開始，到18日基本結(jié)束。觀測(cè)數(shù)據(jù)的脈沖突跳出現(xiàn)在6月4、5、6、7、11、12，19、26、27日，共計(jì)9次，最大幅差約 1 200 mV，而以NW向?yàn)樽蠲黠@，其中前6次突跳后發(fā)生了幾次在有效監(jiān)測(cè)范圍外的5級(jí)以上地震，這些地震發(fā)生以后，NS向觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變規(guī)律才基本恢復(fù)。而EW和NW向也于這個(gè)時(shí)刻后才開始進(jìn)入震前平靜期，表現(xiàn)為日變幅差減小或消失。直到6月19日再次突跳后，NW向觀測(cè)數(shù)據(jù)的日變規(guī)律恢復(fù)，而EW向觀測(cè)數(shù)據(jù)日變幅仍很小。5天后于6月24日發(fā)生了距西昌約150千米的永寧5.7級(jí)地震；6月26日和27日兩次突跳后于6月30日在有效監(jiān)測(cè)范圍外發(fā)生了新疆6.6級(jí)地震。另外一個(gè)突出的短臨特征是EW向從5月31日開始出現(xiàn)高頻振蕩波形，振蕩幅度約300 mV，表明控制這次應(yīng)力異常的主要地震震源來自EW方向(參見圖6)。

圖6 觀測(cè)曲線變化與地震的對(duì)應(yīng)

3.3 臨震信號(hào)

西昌沙層應(yīng)變儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化曲線于6月19日出現(xiàn)臨震信號(hào)，波形幅值達(dá)1 200 mV，同時(shí)儀器的三個(gè)方向出現(xiàn)間斷式高頻振蕩波形，以EW向最為明顯(參見圖7)，之后5天發(fā)生了永寧地震，這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化似乎可以理解為臨震信號(hào)。

圖7 高頻振蕩波形變化與地震的對(duì)應(yīng)

4 結(jié)束語(yǔ)

西昌沙層應(yīng)變儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)在2012年6月24日永寧地震前的階段性變化，如果與儀器有效監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)發(fā)生的地震相聯(lián)系的話，似乎有一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)和再現(xiàn)了地震前明顯的加載、相持、卸載過程，雖然三個(gè)方向的短臨和臨震階段特征信息出現(xiàn)的時(shí)間和規(guī)模上不一樣，但仍符合沙層應(yīng)變?cè)姓鹞锢砟Ｐ偷淖兓Ｊ?，這些為今后破壞性地震的預(yù)測(cè)提供了啟示。

[1] 陸坤權(quán)，厚美瑛，王強(qiáng)，孫威，等.顆粒介質(zhì)中探測(cè)地震前兆和前兆應(yīng)力—應(yīng)變傳播模型[J].中國(guó)科學(xué)，2011，56(6)：383-390.

[2] 陸坤權(quán)，劉寄星.軟物質(zhì)物理學(xué)導(dǎo)論[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.645.

[3] 孫威.破壞性地震是可以預(yù)測(cè)的—孕震物理模型及臨震信號(hào)[J].中國(guó)工程科學(xué)，2007，9(7)：7-17.

[4] 孫威，孫曉明.印度洋8.7級(jí)與8.5級(jí)地震的物理前兆[J].中國(guó)工程科學(xué)，2008，10(2)：14-25.

The possible connection between the Yongning Earthquake on 24 June 2012 and the data changes of the strain meter installed in sand pit in Xichang Seismic Central Station

Hu Dejun, Zhao Jing, Ju Ming, Zhang Jianmin

(Xichang Seismic Central Station, Earthquake Administration of Sichuan Province, Sichuan Xichang 615022, China)

We use the observation data of the strain meter installed in sand pit in Xichang Seismic Central Station to discuss the possible connection between the data change procedure and the Yongning Earthquake on 24 June 2012. The data change procedure includes the loading, stalemating, unloading, short-term and impending phases. We relate these data changes to the physical model of an earthquake preparation. So we think that the data change may indicate the occurring of an earthquake around.

strain meter installed in sand pit; observation data; change character; statistical relation

2015-03-27；

2015-04-28

胡德軍(1968-)，男，四川省樂至縣人，工程師.

P315.727

B

1001-8115(2015)03-0013-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2015.03.004