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user: 2. 由精密应变观测数据识别震源区进入亚失稳应力状态 大地震发生，本质上属于力学过程。震源深达数十千米，不可能直接测量震源区绝对应力是否达到强度极限。但震源应力临近强度极限进入亚失稳阶段，地层蠕滑、应力释放调整发出的微弱应变信号能被安装在数十至百米深隔离地表噪声的精密应变仪器观测到。观测地层应力、应变变化有望获取地震孕育过程中发出的应变活动信息，从而了解岩层断裂活动所处应力状态。 2.1. 分量钻孔应变观测的技术特性 地层应变观测早期用伸缩仪。山硐中相距约百米的基墩间悬吊石英管作长度基准，测量基墩间距L变化ΔL，测得地层应变ε = ΔL/L。为获得平面应变三分量，需设置不同方向三台伸缩仪。伸缩仪分辨率~10 −10 ，可记录应变固体潮、应变地震波及断层预滑移或慢地震释放的应变阶跃等地层应变活动。但高昂的建设费用及选点困难限制了伸缩仪广泛使用。 上世纪六十年代，美、日、中研制钻孔应变仪。钻孔仪将测长基线缩到0.1米，装到固结于地层的圆筒形探头中。从圆筒三个不同方向直径变化，可解出地层应力应变状态变化，分辨率可达~10 − 11 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 。 YRY-4型应变探头有互成45°交角四条测线，继承张衡地动仪平面布局。测线1、3路，2、4路互相垂直。只要钻孔地层满足连续弹性变形条件，无论出现怎样的异常应变，只要四路观测量满足：(S1 + S3) = (S2 + S4)自洽方程，就能确定这是地下应变变化的真实反映 [ 12 ] 。 我们将两组面应变数据的相关系数k值是否接近于1，来表征钻孔应变观测数据是否自洽。 经过四十年试验、改进，(S1 + S3)与(S2 + S4)的相关系数k值，无论是短期数据还是长达数年的应变数据，k值都能超过0.999。我国在“十五”期间布设的分量钻孔应变仪，产出资料质量比较高，可以比较可靠地用于科学研究和地震预测分析。 “十五”配置的数采器采样率每分钟一次，姑咱台仪器至今已连续工作10年，数据完整率99.8%。 2.2. 汶川、芦山地震前异常应变事件数的时间变化 2006年底投入运行的38个YRY-4型分量钻孔应变观测台分布在全国各地。2008年5月12日汶川大地震发生，最近的姑咱台在汶川震中西南150千米处，其它台都在280千米外。 姑咱台位于南北流向大渡河西岸。图1是姑咱台2006年11月1日到2016年12月31日长达十年整点值观测数据。纵坐标应变单位为纳应变，定义压缩向负。 应变数据由以下几部分组成：仪器安装初期的快速漂移；因温度、降雨及大渡河水位引起的年变化 [ 13 ] [ 14 ] ；幅度为1~4 × 10 −8 的应变固体潮以及幅度更小的气压扰动应变。不同成分应变都满足自洽条件。姑咱台十年数据(S1 + S3)与(S2 + S4)的相关系数k ＝ 0.9997。 数据漂移、温度及水位引起年变及气压扰动应变都与地震孕育无直接关系，与汶川大地震孕育过程有关的是周期约十至数十分钟的应变脉冲与阶跃信号，这种幅度较小的信号在多年变化整点值图上显示不出，需在日记录曲线上观察。 图2显示典型的日常应变记录曲线。以2007年1月1~3日应变曲线为例，固体潮光滑而规则，(S1 + S3)、(S2 + S4)两组面应变全日相关系数k ＝ 0.9995。在t ＝ 2119~2130处出现一个幅度2.7 × 10 − 9 压性阶跃，阶跃数据组的k ＝ 0.9997，表明是地下真实的应变变化。 应变探头用水泥固结在40米深坚硬花岗岩钻孔底部。钻孔近旁要加数百吨载荷才能让40米深处地层产生2.7 × 10 − 9 应变。这些阶跃到底是什么力引起，必须引起高度重视。 之后，阶跃和脉冲更频繁，幅度更大，几乎没有一天固体潮是光滑、规则的。图3是2008年3月28日至31日4天的记录，与一年多前图2中光滑的固体潮记录相比，就像心脏病人的心电图。此时离地震发生只有一个半月。 图1. 姑咱台2006年11月1日到2016年12月31日十年整点值观测数据 图2. 四川姑咱台2007年1月1~3日，应变数据图形 图3. 四川姑咱台2008年3月28~31日，1~4路应变数据图形 一个半月后，汶川8.0级地震爆发。图4是从2006年11月7日到2008年5月10日汶川地震发生前的550天中姑咱台每10天记录到的应变阶跃与脉冲事件数的变化。 图4显示，异常计数逐渐上升，到2007年10月，每日平均事件数达到11个。但在2007年11月21日至25日，脉冲和阶跃突然消失，这五天中竟然没有出现一次脉冲或阶跃事件！图5是这五天的记录图，固体潮记录突然变得规则而光滑，而这五天前后的潮汐图形就如图3所示，因叠加大量异常脉冲而“惨不忍睹”。 图4. 汶川地震前，2006年11月7日至2008年5月10日，姑咱台每10天记录到应变阶跃与脉冲数的变化 图5. 四川姑咱台2007年11月21~25日，1~4路应变数据图形 此时离汶川地震还有五个月。 在出现五天平静期后，异常应变活动再次活跃，5月12日汶川发生8.0地震。地震后应变固体潮上脉冲和阶跃的频率和幅度又逐渐减小。到2012年上半年，平均每天事件数降低到0.3个。 汶川大地震五年后，2013年4月20日，芦山发生7.0地震。与汶川地震前相似，异常脉冲计数在2012年底达到峰值后转为下降，在2013年2月10日~14日出现平静期，五天中没有一个脉冲与阶跃事件，固体潮记录与图5同样规则、光滑。之后，阶跃与脉冲再度出现，两个月后发生芦山7.0地震 [ 15 ] [ 16 ] 。 图6是从2012年2月1日到2013年4月20日芦山地震发生前，姑咱台每10天记录到的应变阶跃与脉冲事件计数的变化。芦山地震发生前的444天中共发生应变阶跃与脉冲事件1066起。 图7是姑咱台2013年2月10日至14日五天的记录图，固体潮记录突然变得规则而光滑，图中横坐标t ＝ 7100处固体潮上的竖线是俄罗斯7.3级地震震波。两个月后，芦山地震发生。 汶川大地震发生前550天中有3766起阶跃或脉冲事件，平均每天6.8次。到2007年10月，事件数增加到每天11次。如果这些事件在时间上是随机分布的，5天时间中一个事件也不出现的慨率极小，连续五天没有一次事件、这种概率上几乎不可能状况的出现究竟意味着什么呢？ 五年后的芦山7.0地震前440天中有1000多起阶跃或脉冲事件。到2012年12月，事件数增加到平均每天10次。在7.0地震发生前2个月时，再次出现事件平静期。两次强震前均出现平静期这样的小概率事件，说明出现平静期现象与大地震发生之间存在必然性物理联系。 姑咱台记录到的应变异常与汶川地震发生时间上的相关性如此明显，2009~2011年间多位学者撰文，认为这些异常应变与汶川地震有关，记录到的异常应变是汶川地震孕育过程中发出的前兆信号 [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 。 文献 [ 18 ] 指出：“该台钻孔应变观测良好的自检结果，说明了观测应变变化的可靠性…这种持续出现的异常变化与季节变化明显不同步，不是环境干扰因素造成。异常变化与同震阶跃变化的一致性，进一步说明这种异常应该是构造运动的表现。超限率分析结果显示：异常变化在汶川地震主震前逐渐增大， 图6. 芦山地震前，2012年2月1日至2013年4月20日，姑咱台每10天记录到应变阶跃与脉冲数的变化 图7. 四川姑咱台2013年2月10~14日，1~4路应变数据图形 震时特别剧烈，震后逐渐衰减，显示了与该地震密切的相关性…姑咱台观测到的异常应变变化可能是极其重要的。如果应变地震前兆是这种形态的，那么中短期地震预报研究就有希望迈出关键的一步。” 密切的相关性可以论证这些异常应变是汶川地震的前兆，但却不能确定之后不久大地震一定会发生。 文献 [ 19 ] “对这种前兆异常进行了系统的、定量的分析。这种前兆现象与‘地震前驱波’相去甚远，其统计特征与岩石破裂前的声发射现象类同。” 对岩石加载破裂全过程声发射现象的研究指出，在加载接近峰值强度时监测到的声发射事件率明显下降，出现声发射平静期，岩土工程据此预测工程灾害事件 [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] 。 将汶川地震孕震过程与岩石破裂实验类比，应变脉冲异常事件看成岩石破裂实验中的“声发射”，出现脉冲异常事件平静期，表明加载已达峰值强度。此时段与马瑾岩石破裂实验中的“强度极限点O”对应 [ 2 ] 。 平静期后事件计数恢复上升表明加载已越过峰值强度，进入“准静态向准动态释放转换点A”，最后不可避免进入失稳点B，岩石破裂。 马瑾院士岩石破裂实验中从“准静态向准动态释放转换点A”到破裂发生的“失稳点B”，只有3秒钟时间。汶川地震事件计数出现平静期到强震发生还有五个月，两者时间相差四百万倍。 岩石破裂实验应变加载速率为10 − 7 /s，大地构造运动的应变速率通常在10 − 13~ − 15 /s，两者速率相差也达百万倍。大自然加载和人类实验室加载不同的时间标度，给了我们防备强震袭击的时间。 震前出现数千异常应变脉冲事件，在计数不断上升过程中突然出现平静期，之后事件计数又恢复上升直至地震发生这一现象，是汶川、芦山地震孕育进入“亚失稳状态”发出的地震先兆，“标志着地震发生已不可避免，因此这个阶段与地震发生有唯一性的关系 [ 2 ] ”，这些异常应变脉冲信号是“有助于预报的地震前兆”。 2.3. 汶川大地震前异常应变数据从自洽向失洽的变化 汶川地震前，异常应变数据从自洽向失洽有规律的演变是确定这些信号的确是汶川地震“有助于预报地震先兆”的又一判据。 仪器安装初期，固体潮记录上横坐标t ＝ 2119~2130阶跃图形的k ＝ 0.9997，表明早期的阶跃异常应变也满足自洽条件(图2)。这些压性应变阶跃，压力增强时间在4~12分钟，这种时间尺度数百秒的应变阶跃，具有尖锐起始、且全部带有压性特征看，它们正是与断层滑动破裂发生的慢地震活动有关 [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] 。 2007年8月前，每日全天的k值大于0.999。2007年8月后，阶跃与脉冲应变数据的k值变小。图8是2008年2月18日的应变数据。当天脉冲数不下16个，图上6个脉冲的k值在0.65~−0.3之间，当天全日k值为0.9745。 到2008年4月24日，全日相关系数降低到k ＝ 0.9414，18天后汶川地震爆发。 异常脉冲在两路差应变曲线上也同时出现相应跃变。设(S2-S4)差应变跃变幅度为S 24 、(S1 − S3)差应变跃变幅度为S 13 ，可求出附加应力方位 ， 是元件1的方位角 [ 29 ] 。 (1) 各个脉冲的附加应力方位十分分散。姑咱台位于汶川西南，找出附加应力方位在44˚~57˚，大致对着震源方位不同时间段的15个事件的k值，绘出异常脉冲k值的时间演变图(图9)。 图9显示，震源方向应变脉冲的k值从2007年初的0.99逐步下降，到汶川大地震临震前夕降低到0.38。 姑咱台接收到的应变信号中包含了不同成分，强震到来前自洽性下降的是那些幅度很小的“脉冲和阶跃”异常应变部分。没有叠加脉冲的固体潮的自洽性并不随着大震临近而降低，大渡河水位变化应变也如此。 为什么汶川强震发生前，异常应变数据失洽逐渐加剧？ 图8. 四川姑咱台2008年2月18日，应变数据图形 图9. 震源方向应变脉冲(附加应力方位在44˚~57˚范围内) k值的时间演变 钻孔应变观测计算公式由力学家潘立宙根据无穷大弹性薄板圆孔变形模型导出，由这个公式体系，我国的4分量应变观测具有(S1 + S3) = (S2 + S4)数据自洽特性。 潘氏公式理论推导中隐含了一个前提：无穷大弹性薄板是均匀、连续的。均匀、连续假定是实际地层状况的近似。我国分量钻孔应变前兆台网一批台站观测数据自洽，说明均匀、连续性假定是足够精确的。 地震学研究指出，大地震发生前，微破裂首先在孕震区的“脆弱区域”发生，随着区域构造应力增大，通过震前断层蠕动、静地震与慢地震活动等方式，脆弱区范围逐步扩大直到边界应力集中，微裂隙区域不断扩展、连通，达到岩石强度时，地震发生。地震发生前的这一过程称为“地震成核” [ 30 ] [ 31 ] 。 汶川地震成核区不断生长扩大，破坏了介于震源和姑咱台之间介质的连续性条件，自洽方程的理论前提遭到破坏，潘氏公式适用的条件就不再成立。这就是姑咱台观测到的应变脉冲和阶跃数据从自洽向失洽转变的原因 [ 32 ] 。 从震源处发出的异常脉冲和阶跃应变，需要通过震源成核过程中不断扩大的裂隙区传递到台站钻孔处，其自洽性随裂隙区的扩大不断降低。而固体潮、大渡河水位变化引起的应变传递到钻孔中，无需经过震源区，自洽性始终不变。 异常应变数据自洽性分析让“有助预报的地震先兆”又多了一个判据。 姑咱台连续观测数据记录了这些应变扰动信号的发生–平静–再发生及自洽性受到破坏，接着汶川大地震发生的过程。在大地震发生前，大自然向我们发出了“有助于预报的地震先兆”，只是，当时我们没有看懂这些信息。