2017-08-09 07:27新疆维吾尔自治区精河县发生6.6级地震，微观震中为44.27°N、82.89°E，位于新疆博尔塔拉蒙古自治州精河县城以南约40 km的山区，震中海拔1 300 m。本次地震的震源机制为逆冲型，发震构造为库松木契克山前断裂东段。对本次地震的前兆异常的分析和震后反思很多^[1-2]。本文主要对震中附近钻孔应变仪观测资料的异常进行识别和再分析，通过计算相对应变进一步讨论震区周围主应变大小及方向的变化。精河6.6级地震前，新疆多台分量式钻孔应变出现显著的加速变化异常，经核实，并无干扰因素，这些异常是否与地震有关值得讨论。

钻孔应变测量的目标是与时间过程有关的构造应变场在测点处的变化，因此可以很好地服务于地震预报。池顺良等^[3]研究发现，芦山7.0级地震前有明显的应变阶跃异常，可能是强震的临震前兆信号；邱泽华等^[4-5]用超限率分析法研究汶川地震前姑咱台的钻孔应变异常变化；蒋靖祥等^[6-7]通过系列震例图像及异常统计，总结钻孔应变异常持续时间、幅度、类型配套性和叠加性等特征。经过几十年的发展，分量钻孔应变观测已积累了大量震例，成为当今地震预报的有效手段之一。地震蕴育的能量来源于地壳运动过程中产生的应变能积累，因此对区域地壳相对应力场也会有重要影响，进行现今地壳应力活动微动态定量信息的观测与研究对地震预测十分重要。本文根据几个钻孔应变台资料进行相对应变解算，尝试了解相对应变大小及方向在精河6.6级地震前是否存在显著变化。

1 基础资料简介

表 1为2014年以来新疆陆续架设安装的分量式钻孔应变仪观测资料的基本情况。资料积累最长达4 a，多在3 a左右；钻孔深度最深的石梯子台为178 m，最浅的乌鲁木齐榆树沟台为35 m，其他台多在100 m左右。这些台站主要分布在天山中段。

2 计算原理与观测资料评价

主应变和主方向求解公式为^[8]：

$ \left\{\begin{array}{l}{\varepsilon_{1}=\frac{1}{4 A} s_{a}+\frac{1}{4 B} \sqrt{s_{13}^{2}+s_{24}^{2}}} \\ {\varepsilon_{2}=\frac{1}{4 A} s_{a}-\frac{1}{4 B} \sqrt{s_{13}^{2}+s_{24}^{2}}} \\ {\phi=\frac{1}{2} \arctan \left(\frac{s_{24}}{s_{13}}\right)+\theta_{1}}\end{array}\right. $

(1)

本文主要考虑2个时刻的应变变化。

对于分量钻孔应变观测，描述自洽程度的信度是一个关键指标。这里定义C₉₅为钻孔应变观测的信度，用来刻画观测的自洽程度^[8](脚标“95”表示去掉5%的坏点，用剩余95%的数据来进行统计):

$ \begin{array}{*{20}{c}} {{C_{95}} = 1 - \frac{{{m_{sc}}}}{{{m_{sa}}}} = }\\ {1 - \frac{{\sum\limits_{{N_{95}}} {\left| {\left( {{s_1} + {s_3}} \right) - \left( {{s_2} + {s_4}} \right)} \right|} }}{{\frac{1}{2}\sum\limits_{{N_{95}}} {\left| {{s_1} + {s_2} + {s_3} + {s_4}} \right|} }}} \end{array} $

(2)

一般地，比较自洽的观测数据的信度应该接近1。选取2016-01~2018-03的原始整点值，计算C₉₅时选取差分值进行研究。

如表 2差分值结果所示，除了新源和呼图壁台数据信度较差外，其他台经相对标定校正后的数据观测信度C₉₅都达到了0.75以上，其中6个台达到了0.8以上。一般地，k值应在1附近，越接近1越好，但往往因为各种原因，有些台k值偏差较大，稳定性差(表 2中黑体数据)，例如新源和呼图壁。若有异常变化时，也可能影响观测信度值，例如小泉沟台，该台资料在呼图壁6.2级、精河6.6级地震前都频繁出现类似阶变、脉冲突跳等高频信号异常，这些信号有时4个分量准同步，有时又不同步，造成观测数据的不自洽。因此，巴伦台、榆树沟、库米什、石场、吉木萨尔、尼勒克、巩留和石梯子台观测信度相对较高，可应用于日常分析预报。

3 计算结果分析

利用中国地震局地壳应力研究所邱泽华研究员编制的钻孔应变构造应变场计算程序，选取巴伦台、尼勒克和小泉沟4个方向的钻孔应变观测整点值(2016-11~2018-03)进行应变换算，得到构造应变变化及其主方向。

1) 最大主应变ε₁变化分析。分量钻孔观测数据增大表示拉张变化，减小表示挤压变化。如图 1所示，巴伦台、尼勒克台和小泉沟台最大主应变变化率分别约为11.7 ns/月、-225.1 ns/月和-205.5 ns/月，ns表示纳应变。巴伦台最大主应变在2017-08-01张应变突然减小，由579 ns迅速减小到62.7 ns，在53 d内变化516.3 ns，应变变化率为-291.7 ns/月，是平均速率的25倍。异常变化过程中发生精河6.6级地震，震后44 d异常恢复。尼勒克台最大主应变在2017-03-25开始加速压缩，截止到震前，由-624.5 ns变为-2 612 ns，136 d内变化1 987.5 ns，变化率为-441.7 ns/月，是平均速率的2倍，震后速率变化慢慢变缓。小泉沟台最大主应变在2017-01开始，由压缩变化转为拉张变化，由-444.9 ns变为-47.3 ns，于03-08恢复压缩变化，66 d变化397.6 ns，应变变化率为189.3 ns/月。

2) 最小主应变ε₂变化分析。3个台的最小主应变在精河6.6级地震前的异常与最大主应变变化准同步出现，形态相似，只是数值大小不一样。由图 2所示，巴伦台、尼勒克台和小泉沟台最小主应变变化率分别约为-50.4 ns /月、-601 ns/月和-233 ns/月。巴伦台异常期间最小主应变变化率为-363.3 ns/月，是平均速率的7倍，异常变化过程中发震。尼勒克台异常期间最小应变变化率为-849.1 ns/月，是平均速率的1.4倍，震后速率变化慢慢变缓，趋于平稳。小泉沟台异常期间最小主应变变化率为44.7 ns/月，以拉张为主。最大和最小主应变变化趋势分别为：巴伦台整体趋势上升，表明该区处于稳定拉张的构造运动状态；尼勒克和小泉沟台整体趋势下降，表明这些区域处于稳定受压的构造变化状态。3个台主应变变化特征表明，巴伦台是在稳定拉张的背景下反向压缩变化，尼勒克台是在压缩背景下加速压缩，小泉沟台是在压缩背景下反向拉张变化。

3) 最大主应变方向。这里主方向是以地理坐标北为起点，顺时针旋转来定义的。选取2016-11~2018-03巴伦台、尼勒克和小泉沟台分量钻孔应变数据，分别计算得到异常期间最大主应变的方向，如图 3所示。巴伦台、尼勒克和小泉沟台的主方向分别为148°、167°和114°，整体呈NNW或NWW向。在北天山西段(包括中天山地区)主要构造为NNW走向，其断层性质为走滑兼逆冲，58%的地震震源断错为走滑错动。天山地震带主应力轴以SN向为主，局部区域呈现NNE、NNW向，而天山中部地区表现出较明显的NNW向作用力。由此可知，3个台最大主应变方向与观测点附近的构造走向较一致，也与天山中部地区NNW向背景应力场较一致。对照精河M_S6.6地震的震源机制解(表 3、图 4)，P轴方位为178°，可见尼勒克台最大(小)应变异常变化的主方向与震源机制P轴方位角较一致，巴伦台的主方向与P轴方位相差30°，而小泉沟台的主方向与P轴方位差异更大，相差64°。蒋靖祥等^[6]通过系统研究新疆地区的震例发现，一些地震前最大主应力方向与震源机制P轴方位一致，部分震例也存在差异较大的例子。这3个台的最大应变变化和方向与精河地震是否存在关联，值得探讨。

根据以往震例显示，主应变方向异常变化特征是最大(小)主应变方向震前急剧偏转。1987-01-24乌什6.4级地震前，利用库尔勒台的地应力观测反演计算的最大主应力方向偏转52°。如图 5所示，2016-12-08呼图壁6.2级地震前，2个台的最大主应变方向发生了明显偏转，巩留台在震前5个月最大偏转103°，库米什台在震前1个月最大偏转117°。2017-08-09精河6.6级地震前也存在类似异常变化，巩留台震前3个月偏转35°，小泉沟台震前4个月偏转48°，库米什台震前3个月偏转145°。主应力方向的动态变化有一个长期偏转的过程，在长期偏转的背景下有快速偏转加剧的过程。这种加剧过程可能与地震相关，但也可能是应力场调整的结果。判断一个地震台站应变资料出现的异常变化是否是地震前兆异常，需要判断这些异常是否满足地震前兆的3个必要判据：1)有正常背景；2)非干扰影响；3)与地震相关^[4]。首先，3个台的资料积累时间都较短，目前还无法给出正常的背景状态，且积累的震例太少。其次，3个台的异常变化出现后都第一时间进行了现场核实，没有发现明确的干扰源，但钻孔应变观测还受到钻孔耦合、介质各向异性、仪器漂移等一系列因素的影响，这些往往在异常核实中无法检查，使得准确判定异常的信度研究还面临较多困难。最后，讨论与地震是否相关。这点难以明确说明，作者仅发现最大应变异常变化发生在震前，时间上可能相关；距离震中最近的是尼勒克台(64 km)，然后是巴伦台(341 km)，再后是小泉沟台(354 km)，空间范围内可能符合预报经验距离。因此在没有充分证据否定之前，本文暂作为现象列出，为后人的继续研究提供资料。

4 结语

2017-08-09精河6.6级地震是北天山西段继2011年尼勒克与巩留交界6.0级地震、2012年新源与和静交界6.6级地震和2016年呼图壁6.2级地震之后的又一次6级地震活动。该地震发生在新疆地区地震前兆监测能力较强的地区，且2014~2015年依托援疆项目等天山中段又新架设26套钻孔倾斜仪和分量式钻孔应变仪，本次6级地震前，部分观测项目(尤其是分量式钻孔应变)出现显著短期突变异常变化，为震前作出预测预报提供了重要依据。通过计算这些新架设分量钻孔应变的主应变-主方向等构造应变场参数，分析精河6.6级地震前它们的变化特征。

1) 最大-最小主应变变化特征显示，震前某时段主应变月变化率明显高于平均变化，巴伦台最为显著，尼勒克台次之，小泉沟台变化最小。巴伦台和小泉沟台都属于主应变反向加速，即异常变化的性质与背景变化的性质不一致，巴伦台是由拉张转为压缩，小泉沟是由压缩转为拉张；尼勒克台属于主应变加速，它只是速率的变化，性质一致，即受压的背景环境下加速。尼勒克由于距离震中近，更多是受震源区域应力变化的影响，表现出与震源机制逆断性质一致的变化。

2) 最大主应变方向变化特征显示，尼勒克台最大(小)应变异常变化的主方向与震源机制P轴方位角较一致，巴伦台的主方向与P轴方位相差较小，而小泉沟台的主方向与P轴方位差异最大。最大主应变方向时间序列结果表明，呼图壁6.2级和精河6.6级地震前发生明显偏转。震源机制解是地震时刻的应力作用方式，在一定程度上代表着区域应力场。精河地震的震源机制解和最大相对应变的结果一致，在一定程度上说明地震的相对应变也可能代表现今区域应变状态。相对应变更具有动态性，可以反映区域应变场随时间的演化过程，这种应变场的动态变化可检测性对地震的监测预报具有重要的实际意义。

3) 对于最大-最小主应变状态，巴伦台相对应变整体呈拉张趋势，小泉沟和尼勒克整体呈压缩趋势。李瑶等^[9]研究精河6.6级地震产生的静态应力变化发现，地震产生的水平应力场展布南北侧物质主要受到指向震中的拉张力作用，东西两侧物质主要受到因震中过剩物质EW向排出产生的东西向挤压力作用。巴伦台与震中相对位置更偏向外围西侧，该位置相对应变呈拉张作用，而小泉沟相反，位置上更偏向震中外围区域南侧，相对应变表现出压缩特征。这2个台的相对应变表现出与静态应力结果正好相反的态势。上述研究结果主要是针对震中较小区域范围内的应力变化，而距离震中较远的外围区域相对于震中可能就会表现出相反的变化态势。

致谢: 感谢中国地震局地壳应力研究所邱泽华研究员提供帮助。