1 研究背景

北京时间2022年9月5日12时52分，四川甘孜州泸定县发生M_S 6.8地震（29.59°N，102.08°E），震源深度16 km。此次泸定M_S 6.8地震发生在鲜水河断裂带南端，鲜水河断裂是中国大陆地壳运动最强烈的断裂带之一，与甘孜—玉树断裂、东南部的安宁河、则木河、小江断裂等共同构成了川滇活动块体的北东边界，该区域构造复杂，川滇地区绝大部分强震发生于该断裂系。

川滇地区的地震活动与地球物理等观测资料记录到了此次地震的同震及震前异常变化，对不同资料的变化特征进行分析，有助于解析发震断层的构造和孕震特征，更好地认识整个川滇地区强震孕育—发生的动力学过程。倾斜应变等多个测点的地壳形变观测资料出现大幅度异常变化（薛艳等，2022），在此基础上，对全国的钻孔应变观测资料进行梳理，初步发现泸定地震附近的姑咱台和天全台钻孔应变观测记录到了明显的同震变化，且天全台在此次地震前十天左右出现了非常明显的压性异常变化。为了更好解析钻孔应变记录的这些变化，本文从力学角度开展了深入分析。

2 研究内容、理论基础和研究方法

四分量钻孔应变观测的是近地表近地面的线弹性变形，属于二维问题。根据胡克定律，当远处存在主应力σ₁和σ₂时，实测钻孔会出现变形，在均匀各向同性介质中钻孔的变形会呈现椭圆形态。实际观测中，钻孔的变形椭圆会出现3种情况：①钻孔区域受张—压应力相互作用，受挤压方向孔径减小，受拉张方向孔径增大；②钻孔区域受拉张应力作用，各方向孔径均增大；③钻孔区域受压应力作用，各方向孔径均减小。这些变形椭圆可以全面描述钻孔区域的二维应变状态，而四分量钻孔应变观测可记录到4个不同方向的变形信息（S₁、S₂、S₃、S₄表示4个方向的观测值），进而通过分析可得到钻孔区域的应力应变状态。需要特别说明的是，钻孔应变观测的是地壳应力及应变某时段的相对变化，因此本文的应力应变只是附加应力应变。

泸定地震震中100 km范围内共有2个四分量钻孔应变观测台站：姑咱（震中距59 km）、天全（震中距85 km），用来观测局部区域水平方向的应力应变。本文根据如公式（1）所示的应变换算方法（Qiu et al，2013），解算2个台站的最大主应变、最小主应变及主方向等应变参数，利用这些应变参数和应力应变状态判定方法（唐磊等，2023），分析泸定地震的震前应力应变状态、同震应力应变状态及震前异常变化。

$ \left\{\begin{array}{l} \varepsilon_1=\frac{1}{4 A} S_{\mathrm{a}}+\frac{1}{4 B} \sqrt{S_{13}^2+S_{24}^2} \\ \varepsilon_2=\frac{1}{4 A} S_{\mathrm{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)

其中，$\varepsilon_1$和$\varepsilon_2$表示主应变, $\phi$是主方向，A和B是耦合系数。S_a表示观测面应变，S₁₃和S₂₄表示2组观测差应变，θ₁是S₁方向的方位角。

3 研究结果 3.1 同震应力应变状态

地震会引起发震断层附近的应力场扰动，钻孔应变可以观测到同震阶变。泸定地震发生后，姑咱台和天全台记录到明显的同震应变阶[图 1（a）和图 1（b）中S₁、S₂、S₃和S₄曲线]。与震前观测相比，姑咱和天全2个台的S₁和S₂分量均呈附加的张性变化，S₃和S₄分量均呈现附加的压性变化，说明了此次地震在2个台所处区域产生了张压性相互作用的附加应力。根据公式（1）得到姑咱台主压应变方向为N7°W，天全台主压应变方向为N52°E，进而判定两个台站同震时刻的应力应变状态，给出2个台钻孔的变形和受力状态[图 1（c）]。结合余震精定位方法给出的震源参数和泸定地震同震破裂模型反演结果，基于Okada弹性位错理论，给出了泸定地震震源处及邻区同震应力场变化。结果显示姑咱台和天全台附近地区模拟的主压应力方向分别为NNW—SSE和NEE—SWW向，2个台实测主压应变方向为N7°W和N52°E，模拟与实测的同震主压应力应变方向基本吻合。

我们曾利用门源台的资料研究了门源M_S 6.9地震的同震主应力场与实测的同震应力应变状态，实测的主压应变方向指向震中（唐磊等，2023）。通过图 1（c）可知，位于模拟压应力区的姑咱和天全实测的同震主压应变方向也都指向震中，据此可以推断张应力区实测的同震主张应变方向可能也指向震中。压应力区台站的实测主压应变方向和张应力区台站的实测主张应变方向均指向震中，这一特征需要更多的震例去验证。

3.2 天全台震前异常变化

天全台在泸定地震前出现了明显的异常变化[图 2（a）]，4个分量均于2022年8月23日开始出现了压性转折变化。图 2（b）是对观测数据相对校正后的2组面应变S₁ + S₃和S₂ + S₄，2组面应变在8月23日前趋势变化完全一致，具有强相关性，满足公式自洽方程，但8月23日后2组面应变的相关性降低。泸定地震前出现的压性变化并未造成较大的主方向变化[图 2（c）]。根据应力状态的判定方法(唐磊等，2023)，8月23日出现的异常变化主要受最大主压应力方向为N38°W的附加应力引起[图 2（b）]。而天全台附近区域震前主要受N56.8°E方向的最大主张应力和N33.2°W方向的最小主张应力的附加应力作用[图 2（c）]。2种附加应力综合作用致使钻孔区域张性变化速率变小，但N38°W的最大主压应力在震后仍然持续作用，使得天全台最大主张应变方向顺时针偏转，至2022年12月15日共偏转1.2°，达到N58°E。台站工作人员实地调研未发现台站附近存在干扰源，本文研究认为天全台在泸定地震前出现的异常变化可能是震中附近断层活动引起区域附加应力调整的一种反应。

4 结束语

泸定M_S 6.8地震附近区域四分量钻孔应变观测分析表明，同震时刻的应力应变状态与根据震源参数、基于Okada弹性位错理论模拟的同震应力场变化特征基本吻合，实测与模拟可以相互补充，四分量钻孔应变观测的同震应力应变状态可以作为区域同震应力场的实测依据。同时初步发现，台站所在压应力区的实测主压应变方向和张应力区的实测主张应变方向均指向震中，这种近地表的同震应变特征可用于震源及破裂过程研究，但需要更多震例验证。天全台在泸定地震前十天左右开始出现的压性异常变化主要受N38°W方向的附加应力引起，这可能反映了震中附近断层活动引起了区域附加应力调整。本文研究表明，四分量钻孔应变观测与其他地球物理观测相比，可以准确判定产生附加应力而引起异常变化的力源方位，可为震情跟踪和异常核实提供支撑。