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汶川地震的应变前兆（中）
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汶川8.0级地震发生前的2008年5月6日，地壳应力研究所郭启良团队在位于龙门山地震带青川一带作工程项目。在多个420m深的钻孔中开展水压致裂原地应力测量。在300～400m深度上测得最大水平主应力值高达21～22MPa，最小水平主应力值为13～14MPa，均大于垂直主应力。主应力方向NW至NWW向，与构造应力方向符合。表明龙门山断裂带此时水平构造应力强烈。青川正位于龙门山断裂带上。一个星期后汶川大地震发生。
大震发生后的7月初，郭启良团队又到青川测孔的各相同测段复测，发现大震前后的应力变化显著，大震后主应力值降低约30％。
地震是由贮藏在地壳硬岩层中的弹性应变能释放所致。汶川地震临震前，郭启良在发震断裂带上观测到的地应力高值异常是强震孕育和发生的警示标志，是汶川大地震在震源区被观测到的应变异常源兆。但原地应力测量的数据不能形成连续数据流，难以跟踪应力的变化。若在汶川地震震源区布置有多台能连续测量的分量钻孔应变仪测点，多台仪器同步的异常一定会引起地震监测部门的高度重视，海城地震7级地震成功预测避免数万人伤亡的事绩可能再次出现。
2003年美国公布“地球透镜”计划，计划在美国西部部署200台分量钻孔应变仪，监视板块运动和地震活动。消息传到中国，2004年在有关专家、院士建议下，确定在我国“十五数字地震观测网络” 中列入分量钻孔应变仪观测分项。2005年中国地震局对YRY-4型分量钻孔应变仪的各项性能指标进行严格测试，该型仪器入选。2006－2007年，在各方协作配合下38台YRY-4型分量钻孔应变仪在全国布设完成。图1是汶川周围地区20个钻孔四分量应变台站的分布。离汶川最近的是姑咱台。
图1汶川周围20个钻孔四分量应变台站的分布(三角形标识)。离汶川最近的是姑咱台（图件引自中国地震局钻孔应变学科管理组）
汶川地震后，中国地震局钻孔应变学科管理组对“十五”期间安装的38套四分量钻孔应变仪数据进行分析，结果表明离震中最近的姑咱台显示有明显前兆异常。
姑咱台处于北西向的鲜水河断裂带、北东向的龙门山断裂带和北南向的安宁河断裂带复合部位靠北的地段，座落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核部。
姑咱台离汶川140公里（图1）。仪器2006年10月28日安装，几天后就记录到清晰连续的固体潮汐。（图2）是任意截取2007年2月1日到3日，连续3天的固体潮曲线，曲线光滑、规则。表明姑咱台应变记录在汶川地震发生前是有正常背景的。
图2. 汶川地震十五个月前，姑咱台固体潮曲线光滑而规则。图为2007年2月1日到3日的记录。姑咱台应变记录在汶川地震发生前是有正常背景的。
从2007年4月中旬以后，原先光滑的固体潮曲线上，不时出现“压性脉冲”和“潮汐畸变”。随后，压性脉冲越来越严重。一直到5.12汶川大地震发生，几乎每一天的固体潮曲线都有“压性脉冲”和“潮汐畸变”。这种现象持续了13个月。（图3）是2007年6月22日到24日连续3天的纪录。
（图3）2007年4月以后，固体潮出现畸变和大量“压性脉冲”，图为2007年6月22日到24日的纪录
通常情况下，记录数据出现不规则变化我们首先要排除是否仪器故障。但四分量应变仪具有检验观测数据真实性的自检功能。自检条件为：
（图4）是从（图3）数据计算的（1+3）和（2+4）两条面应变曲线图，两曲线的相关系数达到0.996，据此判断异常应变记录并非仪器故障，确实是地层真实的应变变化。
图4. “压性脉冲”和“潮汐畸变”在（1+3）和（2+4）体应变同步，相关系数达0.996
随着5.12临近，固体潮曲线畸变和 “压性脉冲”越来越频繁，幅度越来越大。直到5月12日8.0级大地震发生。（图5）是震前三个月时，2008年2月14日到18日5天的连续记录。地层中大量的应变突变将正常的应变潮汐几乎完全掩盖，就像心脏病发作前后杂乱的心电图记录。
5. 对汶川地震应变前兆的再认识
2008年5月12日，汶川8.0级大地震发生，全国震惊。被赋予地震监测预报重任的中国地震局倍感压力。2008年9月初，中国地震局召开专门技术会议，分析各项前兆观测技术对汶川地震的前兆响应。
中国地震局《汶川8.0级地震总结与反思地震预报工作组》在“2008年汶川8.0级地震科学总结与反思报告”中写道：“地震预报是当今世界科技难题之一，汶川8.0级地震的大量资料不仅是今天地震预报研究的宝贵财富，也是今后开展地震预测研究的宝贵财富；不仅是我国地震预报研究的宝贵财富，也是全世界地震预报研究的宝贵财富。为此，全国乃至全世界的地震科学家，都希望通过对汶川8.0级地震总结与反思，为历史留下一份宝贵的资料。”
姑咱台从汶川地震一年多前就记录到的，随着大震的临近越来越强烈的应变异常究竟是不是汶川地震的应变前兆呢？
中国地震局钻孔应变学科管理组的研究人员在分析资料的过程中经历一次认识的转变。
2008年底，中国地震局钻孔应变学科管理组的邱泽华、唐磊等在“2008年汶川8.0级地震前分量式钻孔应变仪台网观测的变化”一文中叙述了这一转变。
文中谈到：“我们对汶川地震区周围‘十五’期间新建立的分量式钻孔应变台站的数据采用常规的处理方法进行了初步分析，结果表明地震之前没有可靠的明显异常。” 但在“采用新的数据处理方法后，得到了较为可靠的震前异常信息。”
邱泽华等用他们提出的“超限率分析法”，对钻孔应变仪的数据进行分析。“发现离震中最近的姑咱台资料的短周期变化，确实与汶川地震有相当明显的相关性”。
2009年10月，邱泽华、周龙寿等在《大地测量与地球动力学》杂志上发表文章，“确认汶川地震前姑咱台钻孔应变仪观测到的频繁的脉冲变化，是地震前兆信号”。文章还将姑咱的前兆异常“与唐山地震前钻孔应力观测到的前兆异常变化比较，引人注意的是，二者都是以周期比较短的频繁的脉冲为特点”。
若地震后，这些异常又逐渐消失，固体潮又能逐渐恢复光滑，那么就有更大的把握可以下“这就是汶川地震应变前兆”的论断。
地震发生后，姑咱台钻孔应变仪的“压性脉冲”和“潮汐畸变”仍未消失，但随着时间的流逝，“压性脉冲”和“潮汐畸变”的频度和幅度逐渐减少。在汶川地震一年半后，固体潮曲线果然又慢慢开始恢复光滑了。
（图6）是2009年10月6日到8日三天连续记录。固体潮曲线逐渐恢复到光滑状态。
图6. 姑咱台2009年10月6日到8日的记录曲线，固体潮曲线已大体恢复正常。
2010年8月，《中国科学：地球科学》上刊登了邱泽华等“汶川地震前姑咱台观测的异常应变变化”一文。该文指出：“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钻孔应变仪，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。在全国100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。姑咱台钻孔应变观测良好的自检结果，说明了观测应变变化的可靠性。这种持续出现的异常变化与季节变化明显不同步，不是环境干扰因素造成的。异常变化与长期趋势变化以及同震阶跃变化的一致性，进一步说明这种异常应该是构造运动的表现。超限率分析结果显示：这种异常变化在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。小波分解结果表明：主震前，比较长周期的异常成分出现得比较晚，这是破裂尺度在增大的表现。”
文章又指出：“在钻孔应变观测资料中发现姑咱台观测到的这种震前异常，这是第一次，但是，1976年唐山地震之前，位于震中区内的赵各庄台和陡河台钻孔应力（电感法）仪，也曾观测到类似的异常变化．尽管赵各庄台和陡河台的钻孔应力仪精度不高（比姑咱台钻孔应变仪约低3个量级），观测记录也只有日均值，但是因为同时有两个台站记录到类似的变化，因此具有相当大的可靠性．这两个台站观测到的异常变化同样表现为频繁的跳动，并且这种跳动也是震前一年多就开始了．” “这样可比的两个震例的观测资料，说明这种异常可能具有普遍意义．”“姑咱台观测到的异常应变变化可能是极其重要的．如果应变地震前兆是这种形态的，那么中短期地震预报研究就有希望迈出关键的一步，这不仅因为这种应变变化包含丰富的信息，还因为它与正常变化以及众多干扰影响都不同，容易识别，并且是持续发展的，使我们有可能把握其进程作出比较可靠的判断．针对这种难得的观测资料，要做的研究工作很多，特别是应结合震源机制建立应变场变化的模型进行对比．我们的这种时间序列分析为进一步的研究打下了比较可靠的基础．”
因为有正常背景、非干扰影响、与地震相关，姑咱台的异常应变被认证为汶川大地震的应变前兆。
我国分量钻孔应变观测台网第一次在一个观测点上捕捉到了一次8级特大地震近场应变经历平稳－紊乱－恢复平稳变化的完整过程。这在国际上也是第一次。
2012-06-20
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