合肥地震台砂层应变观测效能浅析
发布时间：2019-11-26
摘 要：砂层应变作为一种新的地震前兆观测手段，越来越多地被关注到。本研究介绍了合肥地震台砂层应变观测的基本情况，根据目前已有的数据对砂层应变观测的效能进行分析，结果表明砂层应变数据的变化和地震有一定的对应，对下一步的工作有指导意义。
关键词：砂层应变 数据变化 分析
砂层应变仪是一种新的地震前兆观测手段，有别于一般的前兆观测原理，砂层应变仪的探测方法和原理的关键是将探测器放置于颗粒介质中，并将地壳岩石层作为颗粒物质处理。颗粒物质是普遍存在的一类离散态物质体系，它不同于一般的固体和流体，具有独特的运动行为，正受到物理学家愈来愈多的关注和研究。将地震发生与颗粒物质特性联系起来的研究，近年来也受到地球物理界的重视。本研究主要是分析合肥地震台砂层应变仪在震前的数据变化，对结果做经验总结。
1 合肥台砂层应变观测概况
合肥地震台砂层应变仪于2009年5月6日安装成功，位于合肥市西郊大蜀山内，距郯庐断裂带约30km，安装地点的基岩为红砂岩。仪器用来观测应力有三个探头，分别用来探测南北方向、东西方向与郯庐断裂带合肥方向(北东向 33°)。探测器为圆筒状，外壳由不锈钢制成,外壳厚度可为 1～5mm,外径约为0.15m,高为0.4m,内置SW-1型自制应变传感器，测量精度优于2nm。合肥台砂层应变仪还有谐振仪与地温两个辅助观测。砂层应变仪探测器全部置于井体沙面以下1m处，其中井体内径2.5m，井深7m，4.5m以下使用建筑工业细沙填实。安装初期，仪器受井体渗水干扰严重，经数次改造后，仪器受干扰情况有所好转。
2 砂层应变映震分析
合肥台砂层应变仪自安装后运行较为平稳，除仪器维修以外，完整率较高，数据资料较为真实。为判定合肥台台砂层仪的映震能力，选取2011—2015年台站周边地震进行分析。在这些地震发生前，砂层应变数据部分出现过异常变化，时间为地震发生前数日乃至数十日，形态各有所异，对应测道也不尽相同。
2.1 砂层应力前兆异常情况
从数据变化形态上来看，异常数据的变化通常是迅速上升，短暂维持后快速下降，地震通常发生在数据下降之后。除此，数据变化也有以阶跃变化形态出现，砂层应变数据的连续性不好，但仍可观察到数据的变化。数据的异常变化通常也会由其他因素造成，如降雨、井体积水、雷击和人为干扰，仪器检测和排除井体积水也会对数据造成影响，应力趋势变化、多个地震应力异常也可能累计到一起，如安庆Ms4.8级地震异常形态变化就和日本Mw9.0 地震应力形态变化叠加在一起，因此，前兆异常信号的出现一般不是单独地震异常信号，多数与其他信号形态叠加，造成了砂层应变仪地震前兆信号各异;当应力处于高值时，地震前兆异常信号会被压缩，数据曲线往往会变得光滑，此时不再出现各种“毛刺”，应力未处于高值时，数据在震前可能出现较多“毛刺”或者来回震荡;应力变化幅度也与地震震级与震中距有关，震级愈大，异常形态幅度愈大，震中距愈大，异常形态幅度愈小。
2011年1月19日安徽安庆发生Ms4.8级地震，震前20日开始南北测道砂层应力数据开始上升，震前2日左右达到最大幅值，随后下降并发生地震，与砂层应力典型映震情况比较吻合，东西测道与北东测道震情变化不明显;在同一幅记录图中，三测道都在日本Mw9.0级地震前1个月出现应力加速累积的情况，并在下降过程中发生了地震(见图1)。
2012年7月20日江苏省扬州市高邮市、宝应县交界发生 Ms4.9级地震，砂层应变北东测道自震前10起数据开始上升，地震发生在数据下降4日后，南北测道、东西测道未记录到明显异常变化;同时段记录的还有2012年8月11日安徽铜陵、无为交界的Ms2.8级地震，震中距为101km，震前10 日起北东测道数据开始出现上升，地震发生在数据下降变化5日后，南北测道、东西测道未记录到明显异常变化。这两次地震地点都为郯庐断裂带以东，应力变化可能主要沿断裂带传递，从而引起北东测道(平行郯庐断裂带)数据变化显著(见图2)。
此外，2013年11月20日安徽省宣城市广德县发生Ms3.0 级地震，12月24日安徽六安裕安区发生Ms2.6级地震，两次地震前砂层应力均未记录到地震异常，应该是与震中距与震级有关，安徽广德地震震中距为232km，而安徽六安地震则是震级偏小。
2014年7月25日合肥市肥东县发生Ms3.2级地震，震中距为32km，震前7日南北开始持续上升变化，24日数据开始回落，随即发生地震，异常变化与地震对应较明显，认为是前兆异常变化。同时段还有8月1日安徽宿松县发生了 Ms3.0级地震，数据异常变化也比较吻合地震前兆异常形态，但此地震震中距为202km，而震级为Ms3.0，通常来说，达不到产生引起砂层应力仪记录的范围，其原因还需进一步验证(见图3)。
2.2 砂层应力异常测向变化
根据砂层应力传播原理，应力以应力链传递，应力链方向受颗粒、块体与断层影响，从而在砂层应力记录仪上表现为不同主应力记录;将砂层应力仪地震前兆异常测道统计(见表1)，地震前兆异常信息通常只出现在单测道，其中南北测道与北东测道映震效果较好，东西测道基本未记录到异常信息。
砂层应力地震前兆异常变化出现的测道一方面与地震震中所在方位有关，同时也受断层传播影响，江苏高邮地震、安徽无为地震分别位于合肥地震台东北与东南方，其二者位于郯庐断裂带以东，而合肥台位于断裂带以西，应力传播可能沿断裂带传播，因此砂层应变北东(平行郯庐断裂带)测道变化明显，同时安庆与合肥也分居断裂带两侧，但砂层应变仪异常变化测道为南北测道，也是在地域上合肥与安庆基本属于正南正北，以致应力传递以南北方向为主。由于地下介质的复杂性，应力链传递方向可能与断层有关，但同时受多方因素影响，很难发现普遍的规律。
2.3 砂层应力映震效能
通过对合肥台砂层应变映震情况分析，认为其映震情况有如下几个特征：
(1)曲线形态。砂层应力仪在震前记录异常变化过程为表现为应力加载—应力高值持续—应力释放，地震发生时间为应力释放完成后1～3d内。
(2)测道异向。地震不同，传播路径不同，砂层应力仪日期 震级地点 震中距 异常测道 日期 震级地点 震中距 异常测道 11.01.19 安庆Ms4.8 134km 南北 14.04.02 六安Ms2.8 52km 无 12.07.20 高邮Ms4.9 262km 北东 14.04.20 霍山Ms4.3 110km 南北、东西 12.08.11 铜陵Ms2.8 101km 北东 14.07.25 合肥Ms3.2 30km 南北 13.11.20 广德Ms3.0 232km 无 14.08.01 宿松Ms3.0 202km 南北 13.12.24 六安Ms2.6 73km 无 14.10.22 六安Ms3.1 153km 北东 14.03.16 长丰Ms2.9 80km 无 15.03.14 阜阳Ms4.3 190km 无表1 数据异常分布表图3 肥东和宿松地震数据变化出现的异常的测道不尽相同，目前合肥台砂层应变仪映震测道较多的是南北测道和北东测道，东西测道基本未记录到地震前兆异常信息。
(3)映震能力。总体来说，砂层应力仪映震能力与震级和震中距相关，震级越大，映震距离越远，震中距越小，映震震级越大。
3 结语
本研究共选取了12次地震进行分析，综合判定共有7 次在地震前出现前兆异常，映震率达58.3%，未发现前兆异常的地震通常是震级偏小或是震中距偏大;根据砂层应力映震情况给出了合肥台砂层应变仪映震能力的经验： Ms3.0-80km，Ms4.0-150km，Ms5.0-300km。
本研究工作还存一些问题，一是地震数量有限，且部分地震处于仪器受渗水干扰期间，无法判别而舍弃，因此映震能力还有待于进一步探讨;二是砂层应力各测道映震能力不一，其中东西测道几乎没有发现地震前兆异常，因此砂层应变仪的映震效果存在质疑，三是映震能力的经验关系并不完全符合砂层应力映震情况。
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