永胜地震台钻孔应变震前异常分析

0 引言

钻孔应变仪观测探头一般安装于钻孔下数十米的基岩或土层中，观测位移空间导数随时间的变化，具有良好的高频特性与高灵敏度的兼顾性，可以发现和掌握地应变前兆的长中期—短期—临震以及震后调整的时空分布与发展变化规律，构成重要的地震前兆观测手段（李海亮等，2010；邱泽华等，2013）。1966年邢台地震发生以后，李四光先生倡导使用地应力方法进行地震预报，各种钻孔应变仪器先后研发成功并投入使用。中国钻孔应变观测技术至今已开展50余年。“十五”期间，中国共建设40多个钻孔应变观测台站，钻孔应变观测得到较好发展，产出许多连续有效的地震前兆信息，为地震预报提供了大量可靠数据，如：汶川M 8.0地震前，姑咱、格尔木等地震台钻孔应变出现前兆异常，乌恰M 7.4、乌什M 6.4、昆仑山M 8.1、彝良M 5.7等地震前，库尔勒、乌什、高台、昭通等地震台钻孔应变观测到前兆异常（牛安福等，2011；师娅芳等，2013）。永胜地震台YRY-4型四分量钻孔应变观测仪观测数据连续，可靠性较高，具备开展相关地震研究的条件。

1 观测背景

1.1 台站

永胜地震台（以下简称永胜台）始建于1964年，为国家级综合台站，隶属于云南省地震局，地处滇西北高原云南省丽江市永胜县县城东山脚下，台基岩性为第三纪石英砂岩。永胜县主要分布近NS走向的程海断裂带和NE向周城—清水断裂带，其南端在弥渡盆地的西北侧切过红河断裂。程海断裂全长近160 km，由多条平行断裂组成，地震活动频繁，公元1515年发生73/4级大地震。

1.2 YRY-4型四分量钻孔应变观测仪

永胜台于2007年10月安装架设YRY-4型四分量钻孔应变观测仪（武汉地震科学仪器研究所研制），灵敏度高（应变量级达10-10）。观测井孔深43 m，安装时水位距井口9 m，套管下到38 m深，探头安装在深41.7 m的完整段，基岩为第三纪石英砂岩夹煤系地层。分量元件方位（相对磁南北）：第1分量：N32°W；第2分量：N13°E；第3分量：N58°E；第4分量：N103°E。同年11月4日钻孔应变观测数据入库，11月10日以后记录到固体潮。

YRY-4型分量钻孔应变仪为长圆筒径向位移式仪器，在圆筒中布置安装4个分量的径向测微传感器，每个受力元件依次相差45°，呈“米”字布设（图1），安装时将圆筒探头放入地层钻孔，使用耦合介质将探头与地层合为一体，通过仪器测量系统即可获得平面内4方向钻孔孔壁径向位移，从而求取地应变量。正方向变化为张性应变，负方向变化则为压性应变。该仪器具备自检功能，可以用来评价观测数据的可靠性。自检是依据在理论条件下，相互垂直的两分量应变观测之和相等，即自检关系可表示为

式中：S1、S2、S3、S4分别表示1—4路应变观测分量。在分量钻孔应变仪中，1路和3路互相垂直，2路和4路互相垂直，1路+ 3路和2路+ 4路的结果越一致，就表示仪器探头与围岩耦合效果越好，记录的资料越可靠（李兴坚等，2015）。

笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，见图8，发现 2013 年 11 月 9 日 — 17 日（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表 2，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。

笔者对永胜台2013年1月至2016年7月YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，自检曲线见图2，可见(S1 + S3)与(S2 + S4)自检曲线相似，相关系数见表1。分析发现，2013年和 2014年 (S1 + S3)和 (S2 + S4)的数据结果一致性较差，主要原因是，在2013年初发生的几次地震前，永胜台钻孔应变出现前兆异常的1路和3路幅度明显较2路和4路大，且异常出现时间有些许出入，致使(S1 + S3)结果明显小于(S2 + S4)。而2013年年末至2014年年初异常幅度变化与2013年年初相反，致使(S1 + S3)结果明显大于(S2 + S4)。其他时段的仪器自检结果一致性较好，表明观测仪器工作正常，探头与围岩耦合效果较好，记录的资料可靠性较高。

图1 YRY分量钻孔应变元件布设 Fig.1 Layout plan of YRY borehole strain component

图2 永胜台钻孔应变自检曲线 Fig.2 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station

表1 永胜台钻孔应变观测（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Table 1 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3)and (S2 + S4)at Yongsheng Seismic Station

时间 2013年 2014年 2015年 2016年相关系数 0.554 2 0.867 3 0.979 5 0.902 4

2 前兆异常及地震统计

2016年5月18日永胜台西南140 km、136 km处分别发生云龙5.0级和洱源4.6级地震。永胜台分量钻孔应变NS分量5月11日—12日张性应变加速变化，上升幅度达22.93×10-8，之后转为压性应变，至16日下降幅度达16.41×10-8； EW分量5月11日—12日15时张性应变加速，上升幅度达13.54×10-8，之后转为压性应变快速变化，至16日结束，下降幅度达20.99×10-8； NE分量5月5日开始张性应变缓慢加速，至11日上升幅度达17.96×10-8，之后转为压性应变加速变化，至13日变化结束，下降幅度达22.40×10-8； NW分量5月7日—12日张性应变加速，上升幅度达12.68×10-8，之后转为压性应变加速变化，至13日变化结束，下降幅度达7.74×10-8。在各分量异常结束后2—5天，发生云龙5.0级、洱源4.6级地震（图13）。

图3 钻孔应变正常分钟值曲线 Fig.3 The normal minutely value curve of borehole strain

2.1 主要干扰

影响永胜台钻孔应变观测的干扰因素主要有人为干扰、气压、降雨等。

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图4 2015年2月6日人为干扰 Fig.4 Anthropogenic interference on Feb.6,2015

笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，见图10，可见2013年12月21日至2014年 1 月 20 日钻孔应变仪（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表3，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。

（3）降雨干扰。降雨负荷致使地下岩层中孔隙水压力增加，使岩体应变产生压缩变形，短时大雨造成的干扰更为明显（段莉莉等，2013）。永胜雨季集中在每年6月—9月，2015年8月7日—9日强降雨天气过程，降雨量超过100 mm，钻孔应变速率突然增大（图6）。

图5 2013年12月气压干扰 Fig.5 The pressure interference in December,2013

图6 2015年8月降雨干扰 Fig.6 The rainfall interference in August,2015

2.2 云南省东川区4.5级地震前异常

2013年11月16日，位于永胜台东南224 km处的东川发生4.5级地震。此次地震发生前，钻孔应变NS分量11月11日—12日加速张性变化，上升幅度达29.38×10-8，之后应变速率恢复； EW分量11月9日至11日13点缓慢压性变化，下降幅度达13.68×10-8，11日14时至12日10时转为张性变化，上升幅度达13.45×10-8，后转为压性应变，11月13日后应变速率恢复正常； NE分量11月9日—14日持续压性加速变化，下降幅度达43.19×10-8； NW分量11月11日—12日9时张性变化，上升幅度达4.15×10-8，12日9时以后至15日转为压性变化，下降幅度达13.25×10-8。在各分量异常结束后1—4天发生东川4.5级地震（图7）。

（1）人为干扰。2015年1—3月永胜台进行台站围墙改造，施工对钻孔应变观测造成一定影响，观测记录出现高频扰动、突跳、阶变等变化，扰动曲线见图4。

图7 2013年11月永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.7 The hourly value curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in Nov.,2013

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图8 2013年11月永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.8 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in Nov.,2013

表2 2013年11月永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Table 2 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3)and (S2 + S4)at Yongsheng Seismic Station in Nov.,2013

时间 11月9日—15日（震前）11月16日（震时）11月17日（震后）相关系数 0.962 2 0.986 3 0.991 9

2.3 云南省华坪县4.4级地震前异常

2015年3月1日永胜台西南405 km处沧源发生5.5级地震， 3月3日该台西南396 km处耿马发生4.5级地震。永胜台分量钻孔应变NS分量2月27日—3月2日张性应变速率突增，上升幅度达33.61×10-8； EW分量2月27日—28日17时压性应变增大，下降幅度达5.85×10-8，后转为张性应变快速变化，至3月1日沧源5.5级地震发生前，上升幅度达12.50×10-8，震后至3月1日23时张性应变持续增加，后转为压性应变，至3月2日19时应变速率恢复，于3月3日发生耿马4.5级地震； NE分量2月27日开始出现压性应变加速变化，沧源5.5级地震前有所减缓，震后持续压性应变加速变化，至3月3日耿马4.5级地震发生前变化结束，总下降幅度达46.9×10-8； NW分量2月25日—3月1日沧源5.5级地震前张性应变加速变化，上升幅度达6.24×10-8，震后持续张性变化，3月2日1时结束，后转为压性应变加速变化，至3月3日9时结束，下降幅度达7.01×10-8，之后发生耿马4.5级地震（图11）。

①适时开展流域及区域水资源及开发利用评价，有效把握水资源变化及开发利用动态，提出针对性的解决措施，制订并落实《甘肃省主体功能区划》《甘肃省水功能区划》《河西内陆河流域节水型社会建设规划》《甘肃省地下水超采区禁采区划定》《河西内陆河主要河流初始水权分配方案》《石羊河流域水资源综合管理规划》，以整体和综合的视觉指导和规范用水总量控制。

（2）气压干扰。大气压力的改变导致地表负荷，使对井孔垂直附加应力产生改变而影响观测记录（段莉莉等，2013），尤其以瞬时气压骤变对记录的影响更为明显，如大风降温、雷雨等强对流极端天气来临时，固体潮曲线发生畸变。永胜2013年12月15日—17日降雪，气温骤降，气压增大，16日—17日钻孔应变固体潮出现严重畸变，观测曲线见图5。

图9 2013年12月20日—2014年1月22日永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.9 The hourly value curve of borehole strain at Yongsheng Station from Dec.20,2013 to Jan.22,2014

图10 2013年12月21日—2014年1月20日永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.10 Self-test data of borehole strain at Yongsheng Seismic Station from Dec.21,2013 to Jan.20,2014

表3 2013年12月—2014年1月永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Table 3 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3)and (S2 + S4)at Yongsheng Seismic Station from December 2013 to January 2014

时间 2013年月12月21日—2014年1月14日（震前）2014年1月15日（震时）2014年1月16日—20日（震后）相关系数 0.930 1 0.994 5 0.942 0

2.4 云南省沧源县5.5级、耿马县4.5级地震前异常

2014年1月15日，位于永胜台NE向46 km处的华坪发生4.4级地震。永胜台分量钻孔应变于2013年12月24日—28日记录到各分量应变加速变化异常现象。NS分量12月24日—26日张性应变速率突增，上升幅度达28.57×10-8；EW分量12月24日—25日20时张性应变速率缓慢增大，上升幅度达7.39×10-8，后转为压性应变加速变化，至27日下降幅度达13.10×10-8，之后应变速率缓慢恢复；NE分量12月24日—28日压性应变突增，下降幅度达45.15×10-8；NW分量12月24日—25日19时张性应变速率增大，上升幅度达3.58×10-8，后转为压性应变加速变化，至28日下降幅度达9.38×10-8。在各分量异常结束后18—20天，发生华坪4.4级地震（图9）。

笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪观测资料进行仪器自检，见图12，可见2015年2月25日—3月7日钻孔应变仪（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表4，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。

图11 2015年2月20日—3月10日永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.11 The hourly value curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station from Feb.20 to March 10,2015

图12 2015年2月—3月永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.12 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station from Feb.to March in 2015

表4 2015年2月25日—3月7日永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Table 4 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3)and (S2 + S4)at Yongsheng Seismic Station from February 25 to March 7 in 2015

时间 2月25日—28日（震前）3月1日—3日（震时）3月4日—7日（震后）相关系数 0.932 7 0.950 2 0.924 9

2.5 云南省云龙县5.0级、洱源县4.6级地震前异常

永胜台钻孔应变正常工作能记录到清晰的固体潮。图3所示为2013年1月1日至3日永胜台钻孔应变正常观测分钟值曲线，可见每日固体潮形态清晰，上午3时和下午15时左右到达峰值，上午9时和下午21时前后到达谷值。当观测仪器受到干扰或出现地震前兆异常时，固体潮形态发生改变，出现高频扰动或固体潮畸变、应变速率突然增大等现象。笔者选取几次震前出现异常现象的典型震例，对永胜台分量钻孔应变观测资料进行前兆异常分析，并核实地震发生时段的观测日志及异常落实记录，发现在几次异常出现过程中，钻孔应变仪工作正常，无干扰因素，应为地震前兆异常。

笔者对该地震前后永胜台YRY-4型钻孔应变仪的观测资料进行仪器自检，见图14，可见 2016 年 5 月 5 日 — 20 日钻孔应变仪（S1 + S3）与（S2 + S4）曲线相似度较高，相关系数见表5，分析结果表明，该时段永胜台分量钻孔应变仪观测资料可靠性较强。

图13 2016年5月永胜台分量钻孔应变整点值曲线 Fig.13 The hours value curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in May,2016

图14 2016年5月永胜台分量钻孔应变自检曲线 Fig.14 Self-test data curve of borehole strain at Yongsheng Seismic Station in May,2016

表5 2016年5月永胜台钻孔应变（S1 + S3）与（S2 + S4）数据相关系数 Table 5 The data correlation coefficient of borehole strain observation (S1 + S3)and(S2 + S4)at Yongsheng Seismic Station in May,2016

时间5月5日—17日（震前）5月18日（震时）5月19日—20日（震后）相关系数 0.967 1 0.999 3 0.997 9

3 结果分析

（1）异常特征。综上所述，在几次云南省地震发生前，永胜台分量钻孔应变仪均出现应变速率突然增大和张性与压性应变交替变化的异常现象，统计结果见表6。但异常持续时间和变化幅度与地震发生的震级和震中距之间相关性较弱，可能与使用单台资料进行分析有关，使用多台资料综合分析，对异常与震中方位的对应判断可靠性会更高。

表6 永胜台分量钻孔应变异常统计 Table 6 Anomalies statistics of borehole strain at Yongsheng Seismic Station

地震 2013年11月16日东川4.5级地震（震中距224 km）分量 NS EW NE NW异常起止时间 2013-11-11—12 2013-11-09—12 2013-11-09—14 2013-11-11—15变化幅度/10-8 29.38 26.93 43.19 17.4异常特征 震前NS分量张性应变加速变化；EW、NW分量张性和压性应变交替变化；NE分量压性应变加速变化，各分量均在异常恢复后发震地震 2014年1月15日华坪4.4级地震（震中距46 km）分量 NS EW NE NW异常起止时间 2013-12-24—26 2013-12-24—27 2013-12-24—28 2013-12-24—28变化幅度/10-8 28.57 20.49 45.15 12.96异常特征 震前NS分量张性应变加速变化；EW、NW分量张性和压性应变交替变化；NE分量压性应变加速变化，各分量均在异常恢复后发震地震 2015年3月1日沧源5.5级地震（震中距405 km）、2015年3月3日耿马4.5级地震（震中距396 km）分量 NS EW NE NW异常起止时间 2015-02-27—03-02 2015-02-27—03-02 2015-02-27—03-03 2015-02-25—03-03变化幅度/10-8 33.61 18.35 46.9 13.25异常特征 NS分量沧源地震前张性应变加速变化，震后持续一段时间异常恢复，之后耿马发震；EW、NW分量沧源地震前张性应变加速变化，震后转为压性应变加速变化，异常恢复后耿马发震；NE分量沧源地震前张性应变加速变化，震后持续加速，异常结束后耿马发震地震 2016年5月18日云龙5.0级地震（震中距405 km）、洱源4.6级地震（震中距396 km）分量 NS EW NE NW异常起止时间 2016-05-11—15 2016-05-11—16 2016-05-07—13 2016-05-07—13变化幅度/10-8 22.93 34.53 40.36 20.42异常特征 震前NS、EW、NE、NW分量张性和压性应变交替变化，异常恢复后发震

（2）地震异常。据统计：2013年1月至2016年7月云南境内发生4.0级以上地震（去除余震）40次，其中22次地震前永胜台钻孔应变记录到前兆异常，占55%（表7）。可见永胜台钻孔应变对云南省4.0级以上地震具有一定前兆意义。

式中,α和n分别表示材料的硬化系数和硬化指数;σ和ε分别表示单轴应力和单轴应变;E和σ0分别表示材料的弹性模量和屈服应力。式(1)右端第一项表示线弹性行为，第二项表示进入塑性阶段。通过线性阶段来拟合弹性模量E和确定屈服应力σ0，然后采用1stOpt软件[10]的通用全局优化算法来拟合上述本构模型，拟合相关系数达到99.9%，得到塑性参数α和n，见表1(b)所示。

从永胜台钻孔应变异常与相关地震间距看，震中距最短5—46 km，占22次地震异常中的2例；3次震例震中距在130—200 km，其他17次震例震中距在220—560 km。此现象表明，钻孔应变异常多数情况下可能反映了与地震孕育过程有关的“场兆”现象，真正来自于潜在震源的信息数量较少（牛安福等，2011）。

表7 云南省2013年1月—2016年7月地震与钻孔应变异常统计 Table 7 The statistic of earthquakes in Yunnan Province and anomalies of borehole strain from January 2013 to July 2016

序号 发震时间 φN/° λE/° 地点 M 相对永胜台方位 震中距/km 震前异常1 2013-02-07 28 104.1 盐津 4.2 NE 360 有2 2013-02-19 27.1 103 巧家 4.9 NE 226 无3 2013-02-20 23.3 101.6 墨江 4.8 SE 387 无4 2013-02-22 26.7 100.8 永胜县 4.2 NE 5 有5 2013-03-19 23.1 101 宁洱 4.2 SE 400 有6 2013-04-17 25.9 99.8 洱源 5.0 SW 131 无7 2013-07-19 25.89 98.96 泸水 4.0 SW 201 无8 2013-08-31 28.2 99.4 香格里拉 5.9 NW 287 有9 2013-10-15 23.14 101.44 墨江 4.2 SE 401 有10 2013-11-16 26.4 103 东川区 4.5 SE 224 有11 2013-11-28 25.4 100.59 祥云 4.6 SW 145 无12 2013-11-29 28.19 99.46 香格里拉 4.6 NW 211 无13 2014-01-15 26.88 101.18 华坪 4.4 NE 46 有14 2014-01-28 22.54 101.14 景洪市 4.6 SE 466 有15 2014-04-04 26.17 100.57 永胜 4.2 SW 62 无16 2014-04-05 28.13 103.59 永善 5.3 NE 321 无17 2014-05-07 25.5 101.9 元谋 4.7 SE 175 无18 2014-05-24 25.01 97.82 盈江 5.6 SW 349 有19 2014-05-30 25.03 97.82 盈江 6.1 SW 348 无20 2014-08-03 27.1 103.34 鲁甸 6.5 NE 259 有21 2014-08-17 28.1 103.5 永善 5.0 NE 312 无22 2014-08-21 25.86 100.48 宾川 4.2 SW 97 无23 2014-08-27 23.01 100.96 宁洱 4.0 SE 400 无24 2014-09-16 25.03 98.48 腾冲 4.2 SW 294 有25 2014-10-07 23.39 100.46 景谷 6.6 SW 369 无26 2014-12-06 23.31 100.5 景谷 5.8 SW 377 有27 2015-02-21 23.04 101.67 墨江 4.4 SE 417 无28 2015-03-01 23.46 98.91 沧源 5.5 SW 405 有29 2015-03-03 23.54 98.95 耿马 4.5 SW 396 有30 2015-03-09 25.33 103.1 嵩明 4.5 SE 278 无31 2015-10-29 27.65 100.26 香格里拉 4.7 NW 118 无32 2015-10-30 25.06 99.5 昌宁 5.1 SW 222 无33 2015-11-14 23.33 100.52 景谷 4.6 SW 374 有34 2016-02-08 26.08 99.59 洱源县 4.5 SW 136 有35 2016-03-05 21.71 101.35 勐腊县 4.6 SE 557 有36 2016-03-07 22.52 102.07 江城县 4.3 SE 483 有37 2016-05-04 23.28 103.23 个旧 4.6 SE 454 有38 2016-05-04 23.27 103.22 个旧 4.7 SE 454 有39 2016-05-18 26.1 99.53 云龙 5.0 SW 140 有40 2016-05-18 26.1 99.58 洱源 4.6 SW 136 有合计 异常有震率 55%

4 结论

（1）钻孔应变观测有时受人为或自然环境等干扰而出现与地震前兆异常相类似的变化，需要及时跟踪异常现象并落实，排除干扰，确定异常成因是否与地震有关。

非洲猪瘟最开始出现于肯尼亚和南非，进而传播到欧美等国家，在没有确切防控措施的背景下，非洲猪瘟的大规模流行则直接导致了上述国家的养殖业受到了严重打击。这一疾病属于一种病毒性疾病，感染后将会出现全身各器官组织严重出血，最终导致死亡。截止目前的数据分析，非洲猪瘟所导致的死亡率为100%。

（2）永胜台分量钻孔应变在几次云南省M 4.4—5.5地震发生前，均出现较为明显的短期异常。异常特征主要表现为，震前多分量出现应变速率突然增大和张性与压性应变交替变化现象，异常结束后1—20天发震。由此可见，永胜台分量钻孔应变观测的地震前兆异常信息与云南省中强地震具有一定对应关系。

目前,对于旅游公路的理论研究,主要从概念界定[5-6]、属性特征[7]、类型划分[8-9]和建设效应[10]等维度开展。针对乡村旅游公路的选线适宜性的研究涉略较少。本文在明确乡村旅游公路概念的基础上,以乡村旅游发展较快的溧阳南山片区的乡村旅游公路为研究对象,通过充分的现场调查,对现状进行梳理和分析,构建县域乡村旅游公路选线适宜性评价模型,以使用者视角对乡村旅游公路进行评价,以期为此类公路的选线、改建提供依据。

（3）永胜台钻孔应变仪自安装使用以来运行状况良好，产出应变观测资料可靠性较高。虽然并非每次云南省中强震前都能记录到前兆异常，但综合上述震例可知，永胜台钻孔应变观测对云南省4.0级以上地震具有一定前兆意义。

参考文献

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