2018, Vol. 39
2. 中国云南 657000 昭通市防震减灾局渔洞地震监测站;
3. 中国云南 661699 开远市地震局
2. Yudong Earthquake Monitoring Station, Zhaotong Earthquake and Disaster Mitigation Bureau, Yunnan Province 657000, China;
3. Kaiyuan Earthquake Agency, Yunnan Province 661699, China
钻孔应变仪观测探头一般安装于钻孔下数十米的基岩或土层中，观测位移空间导数随时间的变化，具有良好的高频特性与高灵敏度的兼顾性，可以发现和掌握地应变前兆的长中期—短期—临震以及震后调整的时空分布与发展变化规律，构成重要的地震前兆观测手段（李海亮等，2010；邱泽华等，2013）。1966年邢台地震发生以后，李四光先生倡导使用地应力方法进行地震预报，各种钻孔应变仪器先后研发成功并投入使用。中国钻孔应变观测技术至今已开展50余年。“十五”期间，中国共建设40多个钻孔应变观测台站，钻孔应变观测得到较好发展，产出许多连续有效的地震前兆信息，为地震预报提供了大量可靠数据，如：汶川M 8.0地震前，姑咱、格尔木等地震台钻孔应变出现前兆异常，乌恰M 7.4、乌什M 6.4、昆仑山M 8.1、彝良M 5.7等地震前，库尔勒、乌什、高台、昭通等地震台钻孔应变观测到前兆异常（牛安福等，2011；师娅芳等，2013）。永胜地震台YRY-4型四分量钻孔应变观测仪观测数据连续，可靠性较高，具备开展相关地震研究的条件。
1 观测背景 1.1 台站永胜地震台（以下简称永胜台）始建于1964年，为国家级综合台站，隶属于云南省地震局，地处滇西北高原云南省丽江市永胜县县城东山脚下，台基岩性为第三纪石英砂岩。永胜县主要分布近NS走向的程海断裂带和NE向周城—清水断裂带，其南端在弥渡盆地的西北侧切过红河断裂。程海断裂全长近160 km，由多条平行断裂组成，地震活动频繁，公元1515年发生73/4级大地震。
1.2 YRY-4型四分量钻孔应变观测仪永胜台于2007年10月安装架设YRY-4型四分量钻孔应变观测仪（武汉地震科学仪器研究所研制），灵敏度高（应变量级达10-10）。观测井孔深43 m，安装时水位距井口9 m，套管下到38 m深，探头安装在深41.7 m的完整段，基岩为第三纪石英砂岩夹煤系地层。分量元件方位（相对磁南北）：第1分量：N32°W；第2分量：N13°E；第3分量：N58°E；第4分量：N103°E。同年11月4日钻孔应变观测数据入库，11月10日以后记录到固体潮。
YRY-4型分量钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器，在圆筒中布置安装4个分量的径向测微传感器，每个受力元件依次相差45°，呈“米”字布设（图 1），安装时将圆筒探头放入地层钻孔，使用耦合介质将探头与地层合为一体，通过仪器测量系统即可获得平面内4方向钻孔孔壁径向位移，从而求取地应变量。正方向变化为张性应变，负方向变化则为压性应变。该仪器具备自检功能，可以用来评价观测数据的可靠性。自检是依据在理论条件下，相互垂直的两分量应变观测之和相等，即自检关系可表示为
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图 1 YRY分量钻孔应变元件布设 Fig.1 Layout plan of YRY borehole strain component |
S1 + S3 = S2 + S4
式中：S1、S2、S3、S4分别表示1—4路应变观测分量。在分量钻孔应变仪中，1路和3路互相垂直，2路和4路互相垂直，1路+ 3路和2路+ 4路的结果越一致，就表示仪器探头与围岩耦合效果越好，记录的资料越可靠（李兴坚等，2015）。
笔者对永胜台2013年1月至2016年7月YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，自检曲线见图 2，可见(S1 + S3)与(S2 + S4)自检曲线相似，相关系数见表 1。分析发现，2013年和2014年(S1 + S3)和(S2 + S4)的数据结果一致性较差，主要原因是，在2013年初发生的几次地震前，永胜台钻孔应变出现前兆异常的1路和3路幅度明显较2路和4路大，且异常出现时间有些许出入，致使(S1 + S3)结果明显小于(S2 + S4)。而2013年年末至2014年年初异常幅度变化与2013年年初相反，致使(S1 + S3)结果明显大于(S2 + S4)。其他时段的仪器自检结果一致性较好，表明观测仪器工作正常，探头与围岩耦合效果较好，记录的资料可靠性较高。
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图 2 永胜台钻孔应变自检曲线 Fig.2 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station |
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表 1 永胜台钻孔应变观测（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Tab.1 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3) and (S2 + S4) at Yongsheng Seismic Station |
永胜台钻孔应变正常工作能记录到清晰的固体潮。图 3所示为2013年1月1日至3日永胜台钻孔应变正常观测分钟值曲线，可见每日固体潮形态清晰，上午3时和下午15时左右到达峰值，上午9时和下午21时前后到达谷值。当观测仪器受到干扰或出现地震前兆异常时，固体潮形态发生改变，出现高频扰动或固体潮畸变、应变速率突然增大等现象。笔者选取几次震前出现异常现象的典型震例，对永胜台分量钻孔应变观测资料进行前兆异常分析，并核实地震发生时段的观测日志及异常落实记录，发现在几次异常出现过程中，钻孔应变仪工作正常，无干扰因素，应为地震前兆异常。
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图 3 钻孔应变正常分钟值曲线 Fig.3 The normal minutely value curve of borehole strain |
影响永胜台钻孔应变观测的干扰因素主要有人为干扰、气压、降雨等。
（1）人为干扰。2015年1—3月永胜台进行台站围墙改造，施工对钻孔应变观测造成一定影响，观测记录出现高频扰动、突跳、阶变等变化，扰动曲线见图 4。
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图 4 2015年2月6日人为干扰 Fig.4 Anthropogenic interference on Feb.6, 2015 |
（2）气压干扰。大气压力的改变导致地表负荷，使对井孔垂直附加应力产生改变而影响观测记录（段莉莉等，2013），尤其以瞬时气压骤变对记录的影响更为明显，如大风降温、雷雨等强对流极端天气来临时，固体潮曲线发生畸变。永胜2013年12月15日—17日降雪，气温骤降，气压增大，16日—17日钻孔应变固体潮出现严重畸变，观测曲线见图 5。
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图 5 2013年12月气压干扰 Fig.5 The pressure interference in December, 2013 |
（3）降雨干扰。降雨负荷致使地下岩层中孔隙水压力增加，使岩体应变产生压缩变形，短时大雨造成的干扰更为明显（段莉莉等，2013）。永胜雨季集中在每年6月—9月，2015年8月7日—9日强降雨天气过程，降雨量超过100 mm，钻孔应变速率突然增大（图 6）。
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图 6 2015年8月降雨干扰 Fig.6 The rainfall interference in August, 2015 |
2013年11月16日，位于永胜台东南224 km处的东川发生4.5级地震。此次地震发生前，钻孔应变NS分量11月11日—12日加速张性变化，上升幅度达29.38×10-8，之后应变速率恢复；EW分量11月9日至11日13点缓慢压性变化，下降幅度达13.68×10-8，11日14时至12日10时转为张性变化，上升幅度达13.45×10-8，后转为压性应变，11月13日后应变速率恢复正常；NE分量11月9日—14日持续压性加速变化，下降幅度达43.19×10-8；NW分量11月11日—12日9时张性变化，上升幅度达4.15×10-8，12日9时以后至15日转为压性变化，下降幅度达13.25×10-8。在各分量异常结束后1—4天发生东川4.5级地震（图 7）。
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图 7 2013年11月永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.7 The hourly value curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in Nov., 2013 |
笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，见图 8，发现2013年11月9日—17日（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表 2，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。
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图 8 2013年11月永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.8 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in Nov., 2013 |
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表 2 2013年11月永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Tab.2 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3) and (S2 + S4) at Yongsheng Seismic Station in Nov., 2013 |
2014年1月15日，位于永胜台NE向46 km处的华坪发生4.4级地震。永胜台分量钻孔应变于2013年12月24日—28日记录到各分量应变加速变化异常现象。NS分量12月24日—26日张性应变速率突增，上升幅度达28.57×10-8；EW分量12月24日—25日20时张性应变速率缓慢增大，上升幅度达7.39×10-8，后转为压性应变加速变化，至27日下降幅度达13.10×10-8，之后应变速率缓慢恢复；NE分量12月24日—28日压性应变突增，下降幅度达45.15×10-8；NW分量12月24日—25日19时张性应变速率增大，上升幅度达3.58×10-8，后转为压性应变加速变化，至28日下降幅度达9.38×10-8。在各分量异常结束后18—20天，发生华坪4.4级地震（图 9）。
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图 9 2013年12月20日—2014年1月22日永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.9 The hourly value curve of borehole strain at Yongsheng Station from Dec.20, 2013 to Jan.22, 2014 |
笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，见图 10，可见2013年12月21日至2014年1月20日钻孔应变仪（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表 3，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。
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图 10 2013年12月21日—2014年1月20日永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.10 Self-test data of borehole strain at Yongsheng Seismic Station from Dec. 21, 2013 to Jan. 20, 2014 |
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表 3 2013年12月—2014年1月永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Tab.3 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3) and (S2 + S4) at Yongsheng Seismic Station from December 2013 to January 2014 |
2015年3月1日永胜台西南405 km处沧源发生5.5级地震，3月3日该台西南396 km处耿马发生4.5级地震。永胜台分量钻孔应变NS分量2月27日—3月2日张性应变速率突增，上升幅度达33.61×10-8；EW分量2月27日—28日17时压性应变增大，下降幅度达5.85×10-8，后转为张性应变快速变化，至3月1日沧源5.5级地震发生前，上升幅度达12.50×10-8，震后至3月1日23时张性应变持续增加，后转为压性应变，至3月2日19时应变速率恢复，于3月3日发生耿马4.5级地震；NE分量2月27日开始出现压性应变加速变化，沧源5.5级地震前有所减缓，震后持续压性应变加速变化，至3月3日耿马4.5级地震发生前变化结束，总下降幅度达46.9×10-8；NW分量2月25日—3月1日沧源5.5级地震前张性应变加速变化，上升幅度达6.24×10-8，震后持续张性变化，3月2日1时结束，后转为压性应变加速变化，至3月3日9时结束，下降幅度达7.01×10-8，之后发生耿马4.5级地震（图 11）。
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图 11 2015年2月20日—3月10日永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.11 The hourly value curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station from Feb. 20 to March 10, 2015 |
笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，见图 12，可见2015年2月25日—3月7日钻孔应变仪（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表 4，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。
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图 12 2015年2月—3月永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.12 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station from Feb. to March in 2015 |
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表 4 2015年2月25日—3月7日永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Tab.4 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3) and (S2 + S4) at Yongsheng Seismic Station from February 25 to March 7 in 2015 |
2016年5月18日永胜台西南140 km、136 km处分别发生云龙5.0级和洱源4.6级地震。永胜台分量钻孔应变NS分量5月11日—12日张性应变加速变化，上升幅度达22.93×10-8，之后转为压性应变，至16日下降幅度达16.41×10-8；EW分量5月11日—12日15时张性应变加速，上升幅度达13.54×10-8，之后转为压性应变快速变化，至16日结束，下降幅度达20.99×10-8；NE分量5月5日开始张性应变缓慢加速，至11日上升幅度达17.96×10-8，之后转为压性应变加速变化，至13日变化结束，下降幅度达22.40×10-8；NW分量5月7日—12日张性应变加速，上升幅度达12.68×10-8，之后转为压性应变加速变化，至13日变化结束，下降幅度达7.74×10-8。在各分量异常结束后2—5天，发生云龙5.0级、洱源4.6级地震（图 13）。
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图 13 2016年5月永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.13 The hours value curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in May, 2016 |
笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪的观测资料进行仪器自检，见图 14，可见2016年5月5日—20日钻孔应变仪（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表 5，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。
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图 14 2016年5月永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.14 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in May, 2016 |
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表 5 2016年5月永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Tab.5 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3) and (S2 + S4) at Yongsheng Seismic Station in May, 2016 |
（1）异常特征。综上所述，在几次云南省地震发生前，永胜台分量钻孔应变仪均出现应变速率突然增大和张性与压性应变交替变化的异常现象，统计结果见表 6。但异常持续时间和变化幅度与地震发生的震级和震中距之间相关性较弱，可能与使用单台资料进行分析有关，使用多台资料综合分析，对异常与震中方位的对应判断可靠性会更高。
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表 6 永胜台分量钻孔应变异常统计 Tab.6 Anomalies statistics of borehole strain at Yongsheng Seismic Station |
（2）地震异常。据统计：2013年1月至2016年7月云南境内发生4.0级以上地震（去除余震）40次，其中22次地震前永胜台钻孔应变记录到前兆异常，占55%（表 7）。可见永胜台钻孔应变对云南省4.0级以上地震具有一定前兆意义。
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表 7 云南省2013年1月—2016年7月地震与钻孔应变异常统计 Tab.7 The statistic of earthquakes in Yunnan Province and anomalies of borehole strain from January 2013 to July 2016 |
从永胜台钻孔应变异常与相关地震间距看，震中距最短5—46 km，占22次地震异常中的2例；3次震例震中距在130—200 km，其他17次震例震中距在220—560 km。此现象表明，钻孔应变异常多数情况下可能反映了与地震孕育过程有关的“场兆”现象，真正来自于潜在震源的信息数量较少（牛安福等，2011）。
4 结论（1）钻孔应变观测有时受人为或自然环境等干扰而出现与地震前兆异常相类似的变化，需要及时跟踪异常现象并落实，排除干扰，确定异常成因是否与地震有关。
（2）永胜台分量钻孔应变在几次云南省M 4.4—5.5地震发生前，均出现较为明显的短期异常。异常特征主要表现为，震前多分量出现应变速率突然增大和张性与压性应变交替变化现象，异常结束后1—20天发震。由此可见，永胜台分量钻孔应变观测的地震前兆异常信息与云南省中强地震具有一定对应关系。
（3）永胜台钻孔应变仪自安装使用以来运行状况良好，产出应变观测资料可靠性较高。虽然并非每次云南省中强震前都能记录到前兆异常，但综合上述震例可知，永胜台钻孔应变观测对云南省4.0级以上地震具有一定前兆意义。
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