博文
格尔木台五年应变记录与汶川8级、日本东海9级地震的关联
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1.前言
我们对地球仍然了解得十分不够：至今仍不知道瞬间夺去数十万生命的大地震是在什么力量推动下逐渐积累起能量的；也不知道高大雄伟的大山是如何拔地而起的。要找到这些问题的答案，除理论研究外，必须有观测数据支持。这两个问题都与“力”有关。开展应变（应力）观测成为寻找问题答案必经的途径。
中国地震局2004年开始筹划，2007年底完成的由40个YRY-4型钻孔应变台站组成的分量应变观测网络就是为探索上述科学问题所作努力的一部分。从5年多不间断观测积累的宝贵观测数据中我们似乎窥视到了造成强烈地震的那只推手的影子。
2.关于钻孔应变观测
“近年来,钻孔应变观测与GPS同时逐渐成为地壳运动观测方法的主流。钻孔应变观测是将探头安放在直径十几厘米的垂直井孔底部进行观测的方法。高密度的GPS观测网适用于把握大范围的应变场,但精度远不及钻孔观测,此外,受载波波长(约20cm)制约,将来能达到的观测精度也存在某种程度的界限。钻孔应变观测的灵敏度比GPS高几百倍乃至上千倍,取得观测成果的实时性也比GPS优越,因此,可以认为钻孔应变观测能成为及时捕捉地震发生孕育过程最终阶段中的细微现象的主要手段”（上垣内 修，钻孔应变仪观测及其研究课题，国际地震动态，2000 No.5 P.31-33）
但对钻孔应变观测数据中能否剔除局部应变扰动，分离出真正的构造应变长期积累过程，多数地球科学家仍有疑虑。
我在“地层应变观测的科学价值－（四）钻孔应变观测在实践中走向成熟”博文中 （http://blog.sciencenet.cn/blog-51667-458117.html）已说明，只要4路应变观测数据满足（1路＋3路）面应变＝（2路＋4路）面应变严格的自检条件，（1路－3路）差应变、（2路－4路）差应变中因水泥膨胀、温度应变、测长基准杆自身长度变化等虚假应变将自相抵消。我们就能获得地层中差应变较为可靠的数值，由此可计算出仪器所在地块附加主应力方向和大小的变化。如果台站建在完整的花岗岩之类的岩基上，周围环境又无明显的人为干扰，从台站的差应变长期记录中就有可能发现重大地质事件与应变记录的关联。
3. 格尔木地震台的五年应变记录
格尔木地震台位于柴达木盆地南部，东昆仑断裂带的北部。YRY-4型钻孔应变仪安装在远离格尔木市约40分钟车程的荒郊。
图1. 从西宁到格尔木要翻过橡皮山。
图2. YRY-4钻孔应变仪安装在荒凉的无人值守遥测山洞前40米深花岗岩地层钻孔底部，钻孔中岩芯完整无裂隙。
该台坚硬完整的基岩条件与很少人为干扰的环境条件，记录到的固体潮和地震波十分清晰（图3）。由于青海省地震局及格尔木地震台对观测仪器的精心呵护，从2006年9月22日仪器下井安装至今，数据的完整率在99％以上。至今已积累了五年多宝贵的基础观测数据（图4）。
在对观测数据处理和分析中，发现5年长期连续观测数据同此期间在中国大陆及周边地区发生的重大地质事件（汶川8.0级大地震和日本东海9级特大地震）间存在明显的时间上先后发生，作用力方向上符合的因果关联。
图3. 格尔木台两天的固体潮记录及所罗门群岛7.8级地震记录。
图4. 格尔木台五年应变记录数据与汶川8级、东海9级地震重大地质事件的关联
钻孔应变属于相对观测，我们从观测数据中只能获得指定两个时刻间应力（应变）的相对变化，但由此却可以了解仪器所在地块在此时间段受到的区域附加主应力的方向和大小，由此便可追索造成附加应力的力源。
两个指定时刻间附加主压应力的方向和大小可由下列公式计算：
ψ=θ–〔tg-1(ε4-ε2)/(ε1-ε3)〕/2 （1）
▽ε= sqrt((ε4-ε2)2+(ε1-ε3)2) （2）
2006年9月22日仪器下井安装后，由于水泥膨胀、安装应力调整、井温恢复等影响，（1路＋3路）、（2路＋4路）面应变的急剧漂移直到一年之后才逐渐减缓，但有抗共模干扰能力的两路差应变到2007年1月就稳定了。在图上表现为两路差应变大致延水平方向向右方延伸。
2008年10月，即汶川8级地震前7个月（图4中a点），两路差应变分别向上、下两个方向分叉。汶川8级地震发生（b点）后，两路差应变仍在继续分叉，到2008年10月（c点）两路差应变结束分叉，恢复向水平方向发展。直到2011年3月11日日本东海发生9级特大地震的两年半时间里，两路差应变均没有大的变化。但在日本东海9级地震4个月之后，两路差应变开始向相反方向变化，这种变化延续了8个月时间后恢复向水平方向发展。
格尔木的应变记录和汶川8.0级大地震、日本东海9级特大地震间有无因果联系关系呢？我们将从格尔木台应变记录中寻找答案。
（图4）中a、b、c、e、f是差应变发生变化和转折的时刻。（表1）是（图4）中a、b、c、d、e、f时刻，两路差应变数值。
表1. （图4）中a、b、c、d、e、f时刻，两路差应变的值
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a |
b |
c |
d |
e |
f | |
| 时刻（小时） |
10120 |
13955 |
16954 |
39028 |
41364 |
47278 |
| 1-3 差应变 |
21258.0 |
27678.8 |
37568.4 |
42827.9 |
42151.8 |
36631.8 |
| 2-4 差应变 |
22390.7 |
14498.3 |
7298.5 |
-495.3 |
935.0 |
5054.5 |
汶川8级地震前（a）到8级地震发生（b），两路差应变出现明显变化。将a、b时刻的差应变的差值代入（1）、（2）式，可求得作用在格尔木地块上附加主压应力的方向为ψ= 98°，即东偏南9°，到两路差应变分叉结束（c点）附加应变量达到2.2×10-6。
这表明汶川地震发生前夕，格尔木地块受到来自龙门山断裂带北缘方向的压应力作用。
日本东海9级特大地震后4个月（e），两路差应变出现向相反方向变化，延续了8个月时间（f）后趋向平缓。将e、f时刻的差应变的差值代入（1）、（2）式，可求得作用在格尔木地块上附加主张应力的方向为正东西向，附加应变量达到0.68×10-6。指向正位于日本9级地震震源区。
这似乎表明在日本东海9级特大地震这一重大地震事件后，位于青藏高原的格尔木地块受到的压力稍有释放，拉张应力来自日本9级地震震源区方向，约一年后引张过程停止。
我国西部地区地震活动相对活跃，在这些台站，从应变记录中分出某次地震的应变响应比较困难。图5是玉树台的应变记录，两路差应变经常处于较剧烈变化中。但对发生在较近的震级较大的汶川8级地震，两路差应变在震前两个多月时突然出现东西指向的附加主压应力显现得比较清楚。
图5. 汶川8.0级地震前两个多月时，出现东西指向的附加主压应力
格尔木台虽位处地震相对活跃的‘昆仑地震带’，但2001年这里发生的8.1级地震将该地的应变基本‘归零’，应变活动相对平缓。低的应变本底让这个台站的记录可以反映更大区域的大事件传来的微弱‘响声’。
从格尔木、玉树地震台5年多不间断观测积累的宝贵观测数据中，我们似乎窥视到了造成强烈地震的那只推手的影子。
池顺良 2012-06-15
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