引言

2013年4月20日四川芦山地震的前4天(即4月16—19日)，距芦山约70 km的姑咱台YRY四分量钻孔应变仪共接收到8次幅度超过十倍潮幅的临震应变异常． 最后一次应变异常结束16小时后，芦山M_S7.0地震发生． 弄清4月16—19日的应变异常与芦山强震之间有何联系，认识这种应变异常的特点，分析其是否为这次强震的应变前兆，对地震预测研究具有重要意义．

1.   姑咱台及YRY型四分量钻孔应变仪运行概况

姑咱地震台位于四川省甘孜藏族自治州康定县姑咱镇，为国家级台站，隶属于四川省地震局康定地震中心站．

姑咱台处于北西向鲜水河断裂带、 北东向龙门山断裂带和北南向安宁河断裂带复合部位靠北的地段，座落于姑咱镇西面鸡心梁子山背斜的核部． 位于南北走向的大渡河西岸，在大渡河边古河床冲积堆层上，此处出露岩性为花岗闪长岩．

姑咱台YRY四分量钻孔应变仪于2006年10月28日安装． 钻孔深40 m，花岗岩地层，岩芯完整，应变探头用水泥砂浆耦合于钻孔底部． 1路应变方位51°(近NE向)，(2—4)路方位依次顺时针加45°． 钻孔应变仪安装后记录了5个月正常潮汐背景． 图1是仪器安装稳定后，2007年2月1—3日清晰而光滑的固体潮曲线，表明应变记录有正常背景. 图1—9中曲线应变值拉伸向正,压缩向负．

图  1  2008年汶川M_S8.0地震前15个月时，姑咱台YRY四分量钻孔应变仪2007年2月1—3日连续3天的记录曲线

Figure  1.  Three days (2007-02-01,00:00—2007-02-03,23:59) tidal recordings of YRY four component borehole strainmeter at Guzan station,drawn out from the records at the time 15 months before Wenchuan M_S8.0 earthquake

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YRY四分量钻孔应变仪至今已运行6年半，图2给出了2011年1月1日—2013年5月2日共2年4个月分钟值数据曲线． 芦山M_S7.0地震前夕的应变异常是6年来观测中幅度最大的短周期应变异常．

图  2  姑咱台应变曲线(2011-01-01—2013-05-02)

Figure  2.  Guzan station strain recordings (2011-01-01—2013-05-02)

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姑咱台周围没有抽水机井等干扰，记录的应变固体潮十分光滑和规则． 但台站附近百米外是南北向的大渡河，地层受到河水位变化对河岸地层压力的影响，每到雨季记录就出现与河水位相关的变化． 这种干扰的周期约半个月，并不影响短周期频段的信号． 在芦山M_S7.0地震中出现的应变阶跃异常位于数分钟到数十分钟频段． 河水位变化的干扰没有影响芦山M_S7.0地震异常信号的接收． 该台在2008年5月12日汶川地震前也有异常应变记录(池顺良等，2009； 邱泽华，周龙寿，2009； 邱泽华等，2010； 刘琦，张晶，2011)．

2.   芦山M_S7.0地震前的应变异常

姑咱台在芦山M_S7.0地震前记录到两种应变异常． 一种是在2013年4月20日地震发生前5—8个月，连续出现3个月幅度较小的“张性脉冲”及“潮汐畸变”异常(图2、 图3)，另一种是在震前4天出现的幅度很大的临震应变异常(图2、 图4)．

图  3  芦山M_S7.0地震前5个多月，姑咱台2012年11月14—17日4天的应变记录

Figure  3.  Four day strain recordings (2012-11-14,00:00—2012-11-17,23:59) at Guzan station,drawn out from the records at the time five months before Lushan M_S7.0 earthquake

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图  4  姑咱台应变曲线(2013年4月14—24日20时)

Figure  4.  Guzan station strain recordings (2013-04-14,00:00—2013-04-24,20:00)

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2012年9—12月，应变记录中不时出现“脉冲异常”和“潮汐畸变”． 图3是2012年11月14—17日4天的应变观测数据． 异常大都具有张性应变形态．

2013年4月15日18时20分，姑咱台4路应变同时出现突跳，应变幅度达1.2×10^-7； 4月16—19日，4路应变又同时出现大幅度变化，应变幅度超过了3×10^-7．

YRY四分量钻孔应变仪器运行6年多来，从未记录过如此大幅度的应变异常． 要确定是地震前兆异常，首先要排除各种干扰的可能，正当调查进行中时，4月20日8时2分芦山M_S7.0强震发生．

图4是2013年4月14—24日20时的应变数据，分离成球量(体应变)和偏量(差应变)绘出的曲线． 4月20日芦山M_S7.0地震的震波已在图上标出．

YRY四分量应变仪的分量数比观测对象平面应变三分量多一路观测数据，可用于观测数据自检，条件是(1+3)体应变与(2+4)体应变曲线图形相似． 满足自检条件(图2、 图4)，说明这些应变异常是地层的真实应变，而非仪器故障所致．

强震过后，这类大幅度干扰消失． 图4还记录了芦山M_S7.0地震的震时应变阶，由此 可获得强震后区域应力的调整，有助于确定应力增强与减弱区域(邱泽华，石耀霖，2003)．

3.   对姑咱台芦山地震应变异常性质的认识

3.1   姑咱台应变异常与芦山地震在空间与时间上相近

姑咱台距芦山M_S7.0地震震中约70 km，是距震中最近的应变观测站． 2013年4月20日地震前4天到震前16小时，记录到幅度达到3×10^-7张性应变异常，地震后大幅度张性应变异常消失． 这种应变异常与芦山M_S7.0地震的发生在时间和空间上均接近．

3.2   2013年4月16—19日临震异常应变与中期异常应变的附加主压应力方向相同

图5是图3的应变观测数据分离成球量(体应变)和偏量(差应变)绘出的曲线图．

图  5  姑咱台2012年11月14—17日4天的应变记录

Figure  5.  Four day strain recordings at Guzan station(2012-11-14,00:00—2012-11-17,23:59)

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图5和图4两图的(1+3)体应变与(2+4)体应变高度相关，表明记录到的异常应变是地层应变的真实变化，两者的应变突跳大都是张应变． 两图的(2-4)差应变上均没有明显的与体应变同步的应变阶跃． 若记(2-4)异常应变幅度为U_a，(1-3)异常应变幅度为U_b，1路应变的方位为ψ． 引起异常应变的主压应力方位ϕ可由下式中解出．

计算结果表明，临震前4天和2012年11月14—17日应变突变的主压应力方向都为-41°(NW-SE向)，与宝兴钻孔水压致裂地应力测量主压应力为NW-SE向的结果相近(丰成君，2013)． 表明在强震发生前的半年中应力场的主方向是稳定的．

3.3   8次应变突变异常中有3次突变的起点与远震面波到时重合

2013年4月16—19日出现了8次应变突变，其中有3次突变的起始与远震震波到时 重合． 4月16—19日，全球发生大于6.5级的地震3次： 2013年4月16日18时44分13秒 伊朗、 巴基斯坦交界地区发生的7.7级地震； 2013年4月17日6时55分25秒巴布亚新几内亚发生的6.7级地震； 2013年4月19日11时5分53秒千岛群岛7.0级地震．

图6中4月16日18时55分开始出现的应变突变同伊朗、 巴基斯坦交界地区发生的7.7级地震震波到达时间一致，这次突变的幅度不大． 4月17日7时20分开始出现的应变突变，其起始时间同巴布亚新几内亚发生的6.7级地震震波到达时间一致．

图  6  姑咱台第1路应变的突变异常(2013年4月16—17日)

Figure  6.  Component 1 strain anomaly of Guzanstation (2013-04-16,00:00—2013-04-17,23:59)

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图7是4月19日11时20分开始出现的应变突变，其起始时间与2013年4月19日11时5分53秒千岛群岛7.0级强震的震波到达时间一致．

图  7  姑咱台第3路应变的突变异常(2013年4月19日全天)

Figure  7.  Component 3 strain anomaly of Guzan station (2013-04-19,00:00—23:59)

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远震震波的到时与应变阶跃的起始时间如果是互不相关的独立事件，两者重合的概率正比于事件重合段时间的偏差(约15分钟)与时间区间总宽度之比． 一次地震震波到时与8次阶跃中一次阶跃的起始时间重合的概率约0.05，还可看成巧合． 但连续出现3次这样的巧合，概率就只有万分之一了，应该寻找更有可能的解释．

一种可能的解释是： 临震前夕，造成芦山M_S7.0强震的断裂已处于极不稳定的临界状态，很小的应力扰动和起伏都能触发引起有限的变动，远震震波的扰动就是一种触发因素． 因此，震波的到达与阶跃的起始就不是相互独立的事件．

这3次应变突变事件，从突变开始上升至极值的时间大约需10—20分钟，应是震源区地层缓慢的蠕滑调整而非破裂或断层快速滑动过程． 姑咱台记录到的应是震源区地层蠕滑调整导致应变场近场变化传来的部分．

构造地震的突然发生表明地震是一种力学失稳现象． 无论是完整岩石破裂或已有断层的粘滑产生的地震，临震前都出现介质强度或摩擦强度降低而进入失稳状态． 在这种状态下，外场极小的位移扰动就可引起有限的滑动(张国民等，2001)． 在芦山地震这个震例中，这种极不稳定的状态竟可以维持3—4天，然后再也无法支撑而发生地震． 这3—4天时间对于人们避免强震的袭击无疑是极其宝贵的．

3.4   震后应变曲线的变化

图8是芦山M_S7.0地震后，姑咱台4月20日至5月7日的应变观测曲线．

图  8  芦山4月20日地震后，姑咱台的应变观测曲线(2013年4月20日—5月7日)

Figure  8.  Guzan station strain recordings after the Lushan earthquake(2013-04-20,00:00—2013-05-07,23:59)

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图4所示的16—19日的应变异常活动中，体应变出现张性应变时，(1-3)差应变上均有同步的变化． 图8中显示芦山地震后，(1+3)和(2+4)体应变上仍有张性应变阶跃出现，但(1-3)和(2-4)差应变上却没有相应的反映． 出现这种变化的原因有待今后继续观测与探讨．

3.5   关于震前应变阶跃是否施工干扰的讨论

2013年4月20日芦山M_S7.0地震震前激烈的应变变化十分明显，当时离台站50 m外正在公路施工，这种强烈的应变变化会不会是公路施工干扰？ 如果这些激烈的应变变化不是人为干扰而是强震即将发生前的某种应变信号，对强震的预测和预报无疑十分重要． 明确这些应变异常的性质，只有依靠专业、 科学、 权威机构的调查．

根据对全国40个分量钻孔应变台站6年观测数据的了解和对这次异常应变数据的认识，认为公路施工干扰不能解释． 原因如下：

1) 施工干扰提出的理由是干扰都出现在白天． 4月16—19日4天中，第一次阶跃分别出现在07:20,08:17,07:05和07:14． 因此认为是施工干扰的可能大． 但却忽视了4月20日02:39与05:26也出现了张性应变阶跃的事实(图9).

图  9  姑咱台第2路应变的突变异常(2013年4月20日全天)

Figure  9.  Component 2 strain anomaly of Guzan station (2013-04-20,00:00—23:59)

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2) 施工的人为干扰不可能在10分钟短时间内产生10^-7如此巨大的应变． 要让安装在坚硬花岗岩地层深40 m钻孔中的应变探头产生10^-7应变，在地表需要对地层施加的外力极其巨大． 香山地震台有过如下经历． 香山台应变探头也安装在40 m深井底,该台冬天取暖，大卡车拉来20 t煤卸在钻孔旁5—8 m远处，潮幅达150 mm的模拟记录曲线上只出现了约1.5 mm的压性小台阶． 要在5—8 m的距离处加载产生十倍潮幅的应变变化，对地表施加的外力要有20 000 t，而姑咱台院外施工的公路距钻孔的距离约40 m，没有一种施工设备能在地表给地层施加如此大的力量．

3) 忽视了异常大都为张性应变异常的事实． 大量挖走土方是产生张性应变最可能的原因． 山东省地震局(王梅等2013)曾报道烟台台站30 m外公路施工引起的形变记录，20万方土石的开挖与回填产生的形变，是长达数月的缓慢变化． 与4月16—19日的应变张性阶跃完全不同．

4) 芦山M_S7.0地震震后半个多月中，附近公路仍在施工，但并未出现4月16—19日那样的应变变化．

4.   讨论与结论

本文对四川芦山M_S7.0震前出现的明显的应变阶跃异常特点作了初步分析，这种震前异常有可能是强震的临震前兆信号． 强震究竟是否存在临震前兆对于强震预测具有重要的意义，这些异常是否确实与芦山M_S7.0地震的临震发生过程有关，我们等待进一步的观测及继续的调查及研究．

地震前兆的确定需要排除所有可能干扰的影响． 我们期待之后的调查能进一步搞清这些异常应变的性质． 这种调查往往需要不短的时间，对于迫在眉睫需要尽快确定异常性质的临震异常判断，更好的解决方案是在仪器的布置上考虑拉开数百至数千米距离双份比对测量，因为能引起相距千米的两台仪器产生同步记录的只有大自然的力量． 美国PBO项目中采用的是三份比对，慢地震现象就是由三份同步变化的资料确认的． 否则，即使能记录到强震前极其重要的临震异常信息，也会因判断延误时间而失去预报的机会．