0 引言

地球固体潮是可以预测和精确测量的一种自然现象。固体潮汐波的变化反映了地壳介质的物性变化，当介质的力学状态及外部观测环境保持不变时，固体潮汐应是一个不变的量。当地壳内应力积累到一定程度，力学状态明显改变时，介质物性发生变化，潮汐波就会发生明显变化（郑江蓉等，2011）。调和分析（郑毅等，2017）计算方法具有较高的抗干扰能力，是地震预报有效方法之一。

笔者认为，引起观测环境附近应变固体潮汐波发生变化的因素有内因、外因。外因可以是大气压力、地下水位、抽水、降雨对地应变场的干扰；内因可以分为海潮、太阳及月亮的引潮力、内部介质物性发生变化造成的潮汐波趋势变化。外因可以通过对比仪器所观测的潮汐波变化与辅助观测变化来加以排除；内因则可以通过与理论固体潮汐进行量化对比来加以分析。

钻孔应变观测除清晰记录到固体潮汐、地震波、震前异常等重要信息外，也同时记录到大气压力、地下水位、抽水、降雨等对地应变场的干扰。这些干扰并不直接作用于观测仪器，而是引起地应变场发生变化。加深对相关干扰因素的认识并进行有效识别，是进行数据合理分析及震前异常识别（邱泽华，2010）的前提和基础。

2017年5月9日琉球群岛M 6地震（24.47°N，126.29°E）发生前，佘山地震基准台（下文简称佘山台）YRY-4分量式钻孔应变仪观测S₂分量M₂波潮汐因子从4月25日出现加速向上趋势，震后变化趋势趋缓；S₄分量M₂波潮汐因子从4月25日出现加速向下趋势，震后趋势转折走平。笔者通过对气压及水位的相关性分析，认为S₂、S₄分量的M₂波潮汐因子破趋势变化，跟气压及水位影响无关，应与琉球群岛6级地震前周边地壳应力场力学状态（邱泽华等，2015）发生变化有关。

1 观测背景 1.1 地理环境

佘山台位于上海市西南，地处松江区佘山国家森林公园西佘山南麓，距市区约36 km，南临松江新城，北依青浦区，地理位置优越，交通便捷（图 1）。

1.2 地质构造环境

佘山台地处扬子地块东北段东南边缘，位于青浦—龙华断裂和枫泾—川沙断裂夹持的NEE向天马山火山岩构造盆地中央。姚家港—白鹤断裂穿过台站，早更新世有过活动，第四纪以来地震活动较弱。佘山NEE向沿线为上海露头基岩集中地，有小昆山、横山、天马山、辰山、佘山、凤凰山、北竿山等。

从地震地质构造看，上海及邻近地区位于华北地震区东南边缘，地震强度中等，频度较低。震源机制解反映本区受力状况与华北相似，主压应力轴以NEE向为主。海域强震主要集中分布在南黄海中部隆起两侧，历史最大震级达6.75；陆地强震主要沿茅山断褶带（扬州、镇江、溧阳一带）发生，历史最大震级为6。

1.3 仪器安装

佘山台钻孔应变仪观测井2000年10月成井，井深42 m，钻孔采用直径136 mm标准钢套管保护，用水泥浆压力封井，将护井套管与岩壁紧密团结。YRY-4分量式钻孔应变仪探头于2006年3月24日安装，布设在40 m深处无裂隙、无破碎的整体安山岩上，岩芯完整，无涌水和漏水现象，底部垫入30 mm厚的小石子，探头周边均匀灌入水泥石英砂进行固定耦合（苏恺之等，2005）。钻孔应变仪观测元器件方位布局参数见表 1。

2 自洽检验

观测资料分析前进行自洽检验（池顺良等，2014），通过四分量应变观测的自洽方程式：S₁+ S₃= S₂+ S₄，检验观测数据正确与否。

目前，钻孔应变仪观测以弹性力学中无限大平板内的圆孔受力变形问题的解为理论依据，观测对象是地表附近水平面内的应变变化。一般，当远处出现均匀水平主应力ε₁和ε₂时，方位角为θ的孔径产生相对变化：S_θ = A(ε₁+ ε₂) + B(ε₁ + ε₂)cos2(φ – θ)，式中φ为ε₁的方位角，而A和B是与套筒内径、外径与套筒材料有关的扬氏模量和泊松比及围岩等效扬氏模量和泊松比有关的系数。因为四分量应变的4个应变分量呈夹角45°排列（图 2），分别用S₁、S₂、S₃、S₄来表示，计算方程式如下

$ \left\{ \begin{align} & {{S}_{1}}={{S}_{{{\theta }_{1}}}}\text{=}A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)+B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\cos 2\left({{\theta }_{1}}-\varphi \right) \\ & {{S}_{2}}={{S}_{{{\theta }_{1}}+{\text{ }\!\!{\scriptscriptstyle {\pi}\!/\!{ }_4}\!\!\text{ }}}}\text{=}A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)-B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\sin 2\left({{\theta }_{1}}-\varphi \right) \\ & {{S}_{3}}={{S}_{{{\theta }_{1}}+{\text{ }\!\!{\scriptscriptstyle {\pi}\!/\!{ }_2}\!\!\text{ }}}}\text{=}A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)-B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\cos 2\left({{\theta }_{1}}-\varphi \right) \\ & {{S}_{4}}={{S}_{{{\theta }_{1}}+{\text{ }\!\!{\scriptscriptstyle {3\pi}\!/\!{ }_4}\!\!\text{ }}}}\text{=}A\left({{\varepsilon }_{1}}+{{\varepsilon }_{2}} \right)+B\left({{\varepsilon }_{1}}-{{\varepsilon }_{2}} \right)\sin 2\left({{\theta }_{1}}-\varphi \right) \\ \end{align} \right. $

理论上，元件l和元件3观测数据相加（S₁+S₃），应与由元件2和元件4观测数据相加（S₂ + S₄）的曲线形态基本相同。将佘山台2017年1—6月4个元器件的观测数据，按照自洽方程进行计算，得到该时间段钻孔应变观测数据检验结果，见图 2。由图 2可见，根据自洽公式计算的（S₁+S₃）与（S₂+S₄）曲线变化趋势几乎一致，证实佘山台YRY-4分量应变观测稳定、可靠，可以用于地震预报科学研究；而应变观测曲线4月5日至7日出现的大幅度向下漂移，检查发现为设备电源系统故障所致，与仪器性能无关，具体原因为，隔离电源发电机皮带断裂，对蓄电池停止充电，蓄电池长时间工作后电力不足致使仪器断电，由此造成观测曲线大幅度漂移。

3 环境排查

2017年5月9日琉球群岛6级地震发生后，佘山台钻孔应变观测曲线发生变化，为排除环境干扰影响，对台站进行环境排查。调查发现，佘山台周边1 km范围内无大型基建施工，无湖泊、工厂等；观测井附近无抽注水现象发生；上海地铁九号线距佘山台3.5 km以上，自2007年12月29日运营至今，未发现明显地铁干扰迹象；佘山台钻孔应变观测井水位在1月2日至10日及3月15日至4月15日2个时间段出现水位上升，均由降雨造成，对应变观测曲线未造成实质影响。

4 M2波潮汐因子计算

收集2017年5月9日琉球群岛6级地震发生前后1月1日至5月10日佘山台数字化钻孔应变观测资料，运用MapSIS进行固体潮汐调和分析（郑毅等，2017），分别得到S₁、S₂、S₃、S₄、气压、水位的半日波（M₂）波潮汐因子γ值，计算结果见表 2，并绘制琉球群岛6级地震前后各因子对比观测曲线，见图 3。

由图 3可见，在M₂波潮汐因子变化趋势中，水位与应变观测没有明显相关性；应变观测与气压的相关性较好，体现在：S₁、S₃受气压影响较大，且S₁与气压呈正相关性；S₃与气压呈现负相关性；S₂、S₄的趋势变化幅度至少2倍于S₁、S₃；S₂潮汐因子2017年2月至4月末潮汐波幅度越来越小，4月25日前后开始向上变化，呈现直线上升趋势；S₄潮汐因子同期清晰可见具有明显周期特征的潮汐波，4月25日前后急剧下降，呈现压性变化，周期特征消失。表明S₂、S₄不只受到气压影响，造成其主要变化的应为观测环境力学状态的改变，深入分析该形态异常变化，对地震预报研究具有重要意义。

根据2017年1月1日至5月7日以来，佘山台气压趋势变化，选取1月30日至2月9日（气压上升）、2月9日至3月17日（气压下降）、3月17日至3月31日（气压上升）及3月31日至5月7日（气压下降）共4个气压变化区间，统计S₁、S₂、S₃、S₄、气压、水位等γ值的变化幅度，结果见表 3。

表 3中气压γ值的变化幅度在3月31日至5月7日期间为0.004 1，与前3个时间段的变化幅度相比，无明显突降、突升现象；水位γ值的变化幅度也比较平均，无明显突降、突升现象。

假设观测环境周边地壳内应力场变化均匀，地质结构稳定，引起4个应变分量γ值的趋势变化的主要成因是气压上下波动，则可得出以下结论：在无任何地震背景应力突变或缓变情况下，钻孔应变4分量M₂波γ值应与气压γ值的变化幅度和趋势符合一定条件的相关性，且变化幅度应在一定范围内。而由表 3统计结果可知：3月31日至5月7日S₁的γ值变化幅度大约2倍于之前3个时段，S₂、S₄的γ值变化幅度远大于之前3个阶段。由此判定，气压的γ值变化不会造成S₂及S₄的大幅度趋势变化，该大幅度波动应与琉球群岛6级地震成因有关。

采用S₁、S₂、S₃、S₄等的γ值变化幅度值（表 2中相应γ值），按照表 3给出的4个时段，分别与气压、水位（表 2中相应γ值）进行对比计算，求取应变与气压、水位等的γ值变化幅度相关系数比值，从而得到佘山地区气压、水位的相关系数合理估值区间，进一步判断异常。根据S₁、S₂、S₃、S₄与气压、水位等γ值变化幅度的相关系数比值大小，将1月至3月31日时段相关系数比值定义为正常背景值，3月31日至5月7日时段的相关系数比值变化认定为异常背景值。由于计算样本太少，时间跨度小，根据S₁、S₂、S₃、S₄与气压、水位γ值变化幅度的相关系数比值波动的上下限范围，大概给出气压及水位对S₁、S₂、S₃、S₄的变化幅度影响的相关系数估算区间，结果见表 4。由表 4可知：①正常背景下，气压与应变的相关系数区间为1.0—3.0，水位与应变的相关系数区间为0.0—1.5，超出该区间的数值，笔者认为非气压、水位干扰所致；②在3月31日至5月7日时段内，S₁、S₂、S₄与气压M₂波的γ值变化幅度相关系数比值偏大，分别为6.5610、11.878 0、18.390 2，均远大于与气压的相关系数估算区间1.0—3.0，故判定S₁、S₂、S₄产生了短临异常趋势变化，应与琉球群岛6级地震前周边地壳应力场力学状态发生变化有关。

5 结论

综上所述，可知2017年5月9日琉球群岛M 6地震发生前，采用Venedikov调和分析方法，发现S₂、S₄的M₂波潮汐因子均出现破趋势变化，且S₂的M₂波潮汐因子加速向上，S₄在急速向下过程中发生转折。排除气压及环境因素的干扰，证明应用调和分析方法可以在地震来临前抓捕到一些中短期前兆异常。