* 发现应变固体潮汐响应各向异性现象

“十五”计划期间，布设了40台YRY-4型分量钻孔应变仪，积累了大量观测数据。由于新型四分量钻孔应变仪较好地解决了观测数据自检、各路格值一致性、高观测灵敏度与大动态范围等关键问题，从取得的这些数据中:“世界上首次发现了应变固体潮汐响应的各向异性现象，并提出这种各向异性由附近断层引起的成因解释，开拓了通过应变固体潮观测，了解断层走向及断层连接状态的新方法。为通过应变观测揭示断裂活动开辟了新途径。”（引自《中国科学院研究生院计算地球动力学重点实验室》简介）

我国应变固体潮观测历史已有30多年，很早就发现各台站实测潮汐因子（观测振幅与理论振幅之比）离散性很大，与理论值不符。同一测点不同测向潮汐因子也不相同，但因观测数据不能自检，研究者对观测数据可靠性存在怀疑，因而在多数情况下被归因于仪器格值不准而失去了发现潮汐响应各向异性的机会。

   （图1）是南京高淳台实测应变固体潮潮汐因子方位响应玫瑰图，具明显各向异性特性，响应的长轴轴线为北60°东方位，与台站附近茅山断裂方向平行。（图2）是南京高淳台附近断裂分布图，用黑三角标出的高淳台位于北东向茅山断裂西北侧。茅山断裂隔断了应变传递通道使垂直于断层方向的应变固体潮幅强烈衰减。

图1. 南京高淳台实测应变固体潮潮汐因子方位响应玫瑰图。

图2. 南京高淳台附近断裂分布图

图3 是格尔木、麻城、攀枝花、湟源台的玫瑰图。各台玫瑰图大小、形状各异，但长轴均与台站附近断层方向平行。

        图3  格尔木、麻城、攀枝花、湟源台的潮汐响应方向玫瑰图。

现有固体潮理论是在分层连续、均匀、弹性地球模型上建立的。上地壳存在大量断层，更接近于若干块体的拼合体。质量是引潮力的作用对象。地幔是地球质量主要部分，薄的地壳就如贴在地幔上的应变片，地表测到的应变固体潮主要由上地幔传来。安装在各地块上的应变仪接受到的应变固体潮必然受到断层隔离影响。与断层垂直方向，由于断层隔离了从深部地层传递到安装在浅地表处应变仪接收固体潮的应变通道，使得与断层垂直方向的潮汐因子取最小值，使潮汐玫瑰图呈“8”字形，图形的长轴方向与台站附近主要断层平行。

根据此现象，由观测数据通过潮汐分析就能判断观测点附近是否存在断层及断层走向。

在空间大地测量（GPS）数据处理中，固体潮汐位移修正是重要的摄动因素，但此前的修正是按无断层均匀地球模型进行的。应变固体潮汐响应各向异性的发现，对位移修正算法改进提供了思路。

* 发现潮汐因子超理论预期的变化

固体潮是地球科学中唯一精确知道作用力，可事先计算其变化的地球物理现象。固体潮响应观测成为了解地壳介质结构的方法。

断层隔离效应又受地块间接触状态影响。于是，强烈活动地块的潮汐玫瑰图时间变化剧烈，稳定地块的玫瑰图就相对稳定。

（图4）是处于少震区的南京江宁台潮汐玫瑰图的时间变化，从2007年11月到2008年2月，东西分量潮汐因子值只变化了0.32％ 。（图5）是处于地震活动区的玉树台潮汐玫瑰图的时间变化，从2007年8月到2008年4月不到一年时间，东西分量潮汐因子值竟变化了27.4％。如此大变化不可能用介质弹性模量变化解释，只可能是地块间接触状态改变所致。地块周边有一定数量应变仪同步观测到玫瑰图变化，有望追索地块间相互作用的方式及过程。

潮汐因子玫瑰图也为判断区域地震活动性提供了由应变实测数据计算的数值指标。

图4. 处于少震区的南京江宁台潮汐玫瑰图的时间变化。

图5. 处于地震活动区的玉树台潮汐玫瑰图的时间变化。

曾经认为，潮汐因子是个相对稳定的数值。影响潮汐因子的主要因素是地层的弹性模量等物性因子的变化。而弹性模量可能的变化幅度并不大，通常认为潮汐因子的变化幅度在1～5％内。但一些位于地震活动地区的潮汐因子在几个月中变化幅度达到20％以上，表明影响潮汐因子的主要因素不是弹性模量的变化，而是断层接触状态的变化。

 这一发现让我们有可能通过对地块周边若干台站潮汐玫瑰图的时间变化中追索地块活动方式。

其实，由图3所示的格尔木、麻城、攀枝花、湟源四个台玫瑰图图形大小的悬殊，就可以想到，潮汐因子可能的时间变化会更大。人类观测天体的历史虽然很短，但通过对大量星体的观测，了解了恒星在数十亿年演化中其亮度会发生巨大的变化。这四个台玫瑰图图形大小的悬殊很可能就是处于地质演变不同阶段的反映：格尔木台距2001年昆仑山8.1级地震断裂带不到80公里。大地震后断裂完全松动，潮汐应变因断裂隔离强烈衰减。玫瑰图长轴只有江宁台的不到三分之一。如果该台在2001年前即已工作，就可能记录到玫瑰图在大震前后的显著变化。

* 发现汶川8.0级地震的震前应变异常

我国开展钻孔应变观测的主要目标是为地震预测寻找可信的应变前兆。图6是十五期间布设的39台YRY-4型分量钻孔应变仪分布图。图中红圈是汶川8.0级地震震中，靠近震中的小三角是姑咱地震台。

          图6.  YRY-4型分量钻孔应变台站分布图

汶川地震前一年多开始，位于龙门山断裂带西南端的姑咱台记录到异常应变变化。在全国一百多个钻孔应变台中，姑咱台距震中最近，也只有该台记录到这种异常变化。钻孔应变观测良好的自检结果（面应变1与面应变2形态相同），说明了观测应变变化的可靠性（图7）。这种异常变化以短周期（数分钟～数小时）的“毛刺”形态为特征，可以用高通滤波提取。超限率分析显示：这种异常变化汶川地震主震前逐渐增大，震时特别剧烈，震后逐渐衰减，显示了与该地震相当密切的相关性。这种变化的机制可能是当地附近的小尺度岩石破裂。

图7    姑咱台面应变1、面应变2、数量超限率和强度超限率曲线

（2006年12月～2010年1月）

图8～图12 是姑咱台在汶川地震前记录的正常固体潮背景及临近地震前固体潮背景上逐渐出现并越来越严重的“潮汐畸变”和“压性脉冲”异常应变信号，一直到5.12汶川大地震发生，这种现象持续了13个月。汶川地震18个月后， “压性脉冲”和“潮汐畸变”又逐渐消逝，光滑的固体潮曲线又开始出现，表明钻孔应变异常确与汶川地震相关。

                图8  姑咱台2007年4月前规则而光滑的固体潮记录

                图9  2007年4月中旬后出现“固体潮畸变”和“压性脉冲”。

    图10  脉冲和畸变满足自检，相关系数0.99，表明是地下真实应变变化

图11  汶川地震前2008.02.14－18五天的应变记录

图12  汶川地震16个月后，“潮汐畸变”和“压性脉冲”渐趋消失

汶川应变异常在2007年7月就引起了关注，作者在上报的‘十五项目实施情况报告’中指出该异常需要关注，随着该异常加重，在08年3月中旬向中国地震局汇报，并按局有关部门指示到现场勘察，与四川省局协商尽快增设观测站点以确认异常范围及方向，恰逢当地闹民族事件及在落实钻孔经费问题时地震发生了。

在地震预测研究的现阶段，每一次大地震发生后，从地震中学习地震，认真总结前兆异常的真实性及规律是极为重要的事。因为如果没有前兆异常，地震预报就是不可能的。认识前兆异常是地震预测的基础。

判断是否地震前兆至少必须满足如下判据：

1）：有正常背景。

2）：非干扰影响。

3）：与地震相关。

姑咱台记录到的汶川地震应变前兆是满足这些判据的。如果我们在汶川周围有若干个台同步记录到应变异常，就能进一步圈出异常区范围，追踪地震孕育过程。

在多年地震预测实践中，我国地震科学家提出了大陆强震孕育的活动地块相互作用理论。据此理论，汶川地震应与相邻地块的相互作用有关。活动地块理论得到地块边界带上地震震源机制、GPS观测等资料的支持。直接的地层应变观测如果能够实时记录到地块间相互作用产生的应变变化，无疑对活动地块相互作用理论的深入研究有重要价值。图13是位于龙门山西北方向格尔木台4年半的观测资料。

图13  汶川地震前格尔木台附加应力方向发生明显转向

该台仪器安装于2006年9月21日。到2007年1月，两路差应变已趋稳定。2007年10月前两路差应变变化平缓，10月以后两路差应变发生趋势性变化，计算表明附加应力方向指向东西方向。7个月之后，汶川发生8.0级大地震。地震之后，两路差应变又恢复到平缓变化状态。该台数据（1+3）与（2+4）自检情况良好，两路差应变的变化是真实可信的。由此我们推测，汶川8.0级地震前，发生过西部地块对龙门山断裂加速挤压的过程。汶川以西台站稀少，如有两个以上台站同步记录到类似变化，就能更好地确定8.0级大地震前存在加速挤压过程。

* 玉树7.1级地震

玉树台分量应变仪于2007年6月16日安装。该台位于地震活动区，玉树－治多断裂在台站附近通过。受到周围地块活动影响，该台潮汐因子稳定性很差。图5显示玉树台潮汐因子在汶川地震前超乎寻常的变化，但其中的联系尚无人进行研究。图14是仪器安装后到2010年4月14日发生7.1级地震期间全部记录数据。图中显示在7.1级地震前9个月，即从2009年7月10日开始，面应变发生向受压方向的明显变化，（2－4）剪应变的变幅更大。图15是图13小方框中（2－4）剪应变的局部放大图。在大幅度的应变变化过程中，叠加其上的固体潮汐清晰可见。

图14 玉树台7.1级地震发生前全部记录资料

         图15 玉树台2009年7月10日开始延续了1个半月的剪应变异常

汶川和玉树地震前，应变仪接受到应变异常信息表明强震是有应变前兆的。依靠地震活动性、空间对地观测等多学科、多兵种协作，实现强震预测的概率将显著提高。

*  “慢地震”的发现

发现“慢地震”是钻孔应变观测的一项重要成果。美国在圣安德列斯断层上布设了Sacks体积应变仪和和Gladwin分量应变仪。1992年12月，一台体应变仪（SRL DIL）和一台分量应变仪（SJT）同时观测到了应变的同步变化，经过分析和研究，确认这种缓慢的应变变化是断层错动引起。这种断层错动的速率比每秒几公里的地震破裂速率小得多，因而没有震波发射。也就是说，积累的构造应变能可以以破坏性的断层剧烈错动的方式释放，也会以相对平缓的断层间的缓慢蠕滑的方式释放。这种不发射震波的断层滑动事件被称为“慢地震”或“静地震”。图16 是这次慢地震事件的应变记录。地震仪由于观测频带的限制是观测不到“慢地震”的。

“慢地震”的发现丰富了地震学家的认识。进一步的问题是：通过“慢地震”释放的构造应变能占的比例有多少，是否需要建立“慢地震”目录……

在发现“慢地震”过程中，几台仪器同步记录到同一事件十分重要，既可相互佐证，排除仪器故障的可能，还能在空间上有个分布，给出更多的信息。

图16 圣安德列斯断层上的体积应变仪和分量应变仪记录到“慢地震”

我国应变网也记录到一些类似“慢地震”应变事件。但我国应变网密度很稀疏，台站布局设计的考虑也不够周到，一次事件往往只有单台仪器记录到，难以确证。这是今后需要加以改进的。

* 地震应变阶

大地震引起大范围应力场调整，应变仪记录上出现的“震时应变阶”反映了应力场调整，由众多应变仪记录的应变阶可绘出全国应力场调整图。对于一次大震后震情发展的分析有很重要的参考价值。

图17 是海原台记录的汶川大地震的震时应变阶。

图17 海原台记录的汶川大地震的震时应变阶。

强震预测最大的难点是时间预测，预测的准确度必须相当高，才具有可操作性（如准确到天）。从观测技术角度看，时间误差缩小就必然要求观测仪器能接受如微震、极微震、声发射、地声等更高频的信号。下篇博文将介绍分量应变仪向高频端拓宽观测频带，接收高频微破裂与地声信号的可能。