斯琴 关冬晓 卓瑞祺

摘要：根据钻孔应变观测理论，利用巴仑台、库米什和小泉沟分量钻孔应变观测数据定量计算测区附近构造应变变化。结果显示，三个台站的最大-最小主应变、面应变和剪应变的应变速率相对恒定，主方向大体不变；巴仑台附近区域受张-压应力相互作用，主压应变方向为N22°W， 库米什台附近区域受拉张应力作用，主张应变方向为N8°E；小泉沟台附近区域受压应力作用，主压应变方向约为N46°W；精河M_S6.6地震前巴仑台和小泉沟的应变变化速率明显高于平均水平，均呈现在压缩背景下的应变加速变化异常，可以为应变资料同类异常的识别和判定提供参考。

关键词：四分量钻孔应变；构造应变；应变速率；天山中段；异常

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.006

地应力变化是地震发生的重要原因，在构造应力场作用下，地壳岩石介质会发生运动变形，产生能量积累，当能量积累到一定程度就会导致局部地壳的破裂，即发生地震^［1］。连续监测地壳应力、应变场的动态变化过程，对于认识地震孕育过程的动力学特征及探索地震预报具有重要意义^［2-5］。四分量钻孔应变仪，是中国研制的^［6］一种新兴高精度地球动力学观测仪器，在地壳变形和应力场观测中扮演着重要角色，它优于其他观测手段的一个重要能力就是能够确定构造应变变化^［7］。

近年来，随着钻孔应变站网数据的不断积累，利用钻孔应变观测结果计算当地构造运动应变变化成为一个新的研究热点。钟继茂等^［8］用多分量钻孔应变仪资料推算测区附加应变场的主应变大小和主方向；蒋靖祥等^［9］利用新疆地区1985—2010年的钻孔应变、应力连续观测资料研究相对应力场，得出新疆地区应力场主压应力方向近NS，呈现区域性分布特征；张肖等^［10］根据“双衬套”^［11］理论观测模型和应变理论，以易县台分量钻孔应变观测资料为例，解算测区构造应变变化；邱泽华等^［12］对全国分量钻孔应变台网的YRY型钻孔应变仪的应变变化主方向、应变速率进行了分析，发现这些应变仪的观测变化非常稳定，可以为地球动力学的研究提供可靠的数据；陈永前等^［13］结合区域构造和钻孔应变潮汐变化、主方位角、主应变变化分析山西地区构造运动状态，发现山西地区主应变场方向与该区域主要活动断裂方向相一致。

本文中利用天山中部地区分布相对集中的巴仑台、库米什和小泉沟台3套RZB-2型四分量钻孔应变仪资料，采用四分量钻孔应变观测理论及应变换算方法^［14-17］，选取不同时间类型的数据定量计算测点附近的主应变大小、主方向等构造应变参数，获取测点附近的构造应变变化，为分析该地区的地球动力学、地震、活动特征、地震危险性评估等提供参考依据。

巴仑台、库米什和小泉沟是库尔勒地震监测中心站所属子台（图1），为天山中段地震前兆台网项目所建，仪器型号是RZB型电容式多分量钻孔应变仪，于2014—2016年架设完成，并开始观测。其中巴仑台和小泉沟分量钻孔应变仪器建设初期出现故障较多，进行了二次更换和维修，到2016年底，全部数据恢复正常，各个测项能记录到清晰的固体潮变化。表1给出了这3个台站地址构造背景及仪器元件参数，钻孔最深的是巴仑台，库米什和小泉沟钻孔深度相当。

2 观测原理及计算方法

四分量钻孔应变仪的探头是一个密封的圆套筒，内部安装测量套管内径变化的4个元件（电容式位移传感器）。钻孔打好后，将探头放入，然后用特制的水泥填充于钢筒和岩孔之间进行耦合固结，将二者耦合起来，才能进行观测。由于这种特定的耦合方式，使套筒、水泥、岩石之间形成了一个复合的“双衬套”结构^［11］。根据“双衬套”观测模型原理，当远处有均匀水平主应变ε₁和ε₂时，钻孔θ方向上的孔径相对变化为：

S_θ=A（ε₁+ε₂）+B（ε₁-ε₂）cos2（θ-φ） .（1）

式中：S_θ是指实际观测给出的数值。θ是元件1的方位角，而A和B是耦合系数。在分量钻孔应变观测中，采用四分量的探头结构，即各个传感器之间的夹角均为45°，有比较明显的优越性。所以，设S_i（i=1，2，3，4）是4个元件的观测值，将两组互相垂直方向上的孔径相对变化观测值用公式（1）表示并相加，可得到如下简单关系：

S₁+S₃=S₂+S₄=2A（ε₁+ε₂） .（2）

式（2）是四分量钻孔应变观测的自洽方程^［7］。当观测自洽很差时，可以利用相对实地标定进行数据矫正^［14］。參照地震行业标准换算，令

则可解出主应变和主方向为

式中：φ为主方向，ε₁、ε₂分别为最大、最小主应变，则面应变ε_a=ε₁+ε₂，剪应变ε_s=12（ε₁-ε₂）。

3 数据处理及计算结果分析

选取巴仑台、库米什和小泉沟2017年1月1日至2021年12月31日的应变观测数据（小泉沟2021年仪器故障，选取数据截至2020年底），在对数据资料质量进行评价的基础上，对这3个台站4个方向的钻孔应变观测数据进行应变换算，定量计算测点附近的构造应变变化及主方向。

3.1 观测资料评价

四分量钻孔应变观测最大的优势就是可以利用自洽方程对数据质量进行检验^［7］，可以通过两组垂直元件计算面应变结果的一致性来说明记录资料的可靠性。一般来说，对于观测较好的台站2组面应变曲线形态近似，相关性较好。但在实际观测中，因各元件灵敏度受到干扰因素（如温度）的影响程度不同，导致各元件的灵敏度变化也不一致，就会造成各观测值之间的关系不符合自洽方程^［14］。所以要用相对实地标定方法对四个元件的灵敏度进行一致性检验，并计算各元件的灵敏度矫正系数，对数据质量不佳的观测数据进行矫正，以提高数据的自洽程度。而数据信度C₉₅是刻画数据自洽程度的一个关键指标，可以定量描述数据的自洽程度，信度越接近1，表示数据自洽程度越高，数据越可靠^［12］。本文选取巴仑台、库米什和小泉沟台四分量钻孔应变原始整点值数据，并用一阶差分值进行相对实地标定和数据矫正，获得观测数据资料质量评价结果见表2。

从表2可以看出，巴仑台4个元件的灵敏度矫正系数均在1附近，说明数据质量较高，矫正前后信度C₉₅变化很小，小于5%，对这种数据可以不用进行矫正^［12］。库米什元件灵敏度矫正系数k₂相对较低，说明第2路数据质量较差，其他3个元件的矫正系数均在1值附近，分析认为，可能是井下探头中的2号元件灵敏度发生了不一致变化，经矫正后信度由0.726 0提高至0.799 2。小泉沟4个元件的灵敏度矫正系数也都在0.8以上，经矫正后，其信度指标从0.779 6 提高至0.828 9，改善比较明显。这三个台站具有这么高的信度，说明数据是比较可靠的。在后续计算中，对库米什和小泉沟的数据进行了矫正。

3.2 应变换算分析

根据公式（4）可以定量计算测点主应变变化和主方向，因为分量钻孔应变观测记录的是变化量，所以本文以2017年1月1日为基准，对观测数据进行归零操作（即所有的观测数据减掉起点值，使4条观测曲线的起点都为0），再用小时值、日均值、15日均值和30日均值数据进行对比研究，计算巴仑台、库米什和小泉沟最大主应变ε₁、最小主应变ε₂、面应变ε_a、剪应变ε_s和主方向φ等应变参数，获取测点附近的構造应变变化，结果见表3。

由表3可知，每个台站用不同时间尺度类型数据计算得到的应变参数都比较稳定，无论用哪种数据类型进行计算，每个台的最大主应变、最小主应变、面应变和剪应变的应变速率都变化十分微小，且应变变化主方向φ保持不变，由此可见，对于自洽程度较好的数据，无论使用小时值还是30日均值，其应变参数结果基本不变。

（1） 最大主应变变化分析：分量钻孔应变观测数据增大表示拉张变化，减小表示挤压变化。图2是这3个台站用日均值数据换算得到的主应变、主方向变化曲线及其拟合直线（其他时间尺度数据类似）。由图可知，巴仑台、库米什和小泉沟最大主应变变化速率分别约为165 ns/a，753 ns/a和-1 755 ns/a。巴仑台最大主应变整体呈拉张变化，2017年8月初出现拉张转压缩的变化，直到9月底才恢复到原来的拉张变化，期间发生了精河M_S6.6和库车M_S5.7地震。2019年10月巴仑台张应变速率加快，其后出现快速压缩变化，与同期水位变化比较同步，分析认为是水位影响所致。库米什最大主应变整体呈稳定的拉张变化。小泉沟最大主应变整体呈压缩变化，2017年1月出现反向加速变化，3月恢复压缩变化，8月发生精河M_S6.6地震。

（2） 最小主应变变化分析：巴仑台、库米什和小泉沟最小主应变变化速率分别约为-207 ns/a，425 ns/a和-2 153 ns/a。巴仑台和小泉沟最小主应变出现数据异常变化的时间、形态与和最大主应变变化比较一致。巴仑台和小泉沟最小主应变整体趋势呈下降变化，库米什呈上升变化。

（3） 面应变和剪应变变化分析：巴仑台、库米什和小泉沟台的面应变变化速率分别为-42 ns/a，1 179 ns/a和-3 908 ns/a，剪应变变化速率都不到200 ns/a。可以看出3个台的面应变年变化速率差异较大，而剪应变年变化速率基本一致，均是以每年不到1个微应变速率逐渐增大。

（4） 应变变化主方向：这里的主方向是以地理坐标北为起点，顺时针旋转来定义的。图3分别绘制了这3个台站的应变变化主方向，可以看出，巴仑台应变变化主方向为158°，呈NNW向；库米什台应变主方向为8°，呈NNE向；小泉沟台应变主方向为134°，呈NWW向。

根据唐磊等^［18］提出的判断观测区域应力应变状态的方法，对这3个应变台站周边区域地表应力应变状态进行分析。从图2可以看出，巴仑台的主应变ε₁＞0，ε₂＜0，说明巴仑台钻孔区域附近受张-压应力相互作用，再结合图3（a）中的主方向及4个元件的方位，可知巴仑台及附近区域受张-压应力相互作用，主压应变方向约为N22°W。库米什的主应变ε₁＞0，ε₂＞0，小泉沟的主应变ε₁＜0，ε₂＜0，同样方法可以判断出，库米什台及附近区域主要受拉张应力作用，主张应变方向约为N8E°；小泉沟台及附近区域主要受压应力作用，主压应变方向约为N46W°。

巴仑台、库米什和小泉沟主要分布在天山中部地区（图1），天山中部地区的主要构造走向以NNW为主，这3个台站附近的构造断裂也呈NW展布，如巴仑台附近的乌拉斯台断裂，小泉沟附近的洪水沟断裂。整个天山地区基本受近NS向背景应力场的控制，但受块体与断裂相互作用的影响应力分布不均匀，局部地区出现NNW、NNE向，而天山中部地区表现出较明显的NNW向作用力^［19］。由此可知，巴仑台和小泉沟台的最大主应变方向与台站附近的构造走向基本一致，也与天山中部地区的NNW向背景应力场较一致。GPS应变场解算结果显示天山及邻近地区应变场的主压应变优势分布方向为NNW^［20］，可以推算出该区域的主张应力场方向为NEE；由库米什台分量钻孔解算得到该台附近区域处于NNE向张应力作用，两者结果基本吻合。

4 结论与讨论

根据四分量钻孔应变观测理论及应变换算方法，通过计算巴仑台、小泉沟和库米什台主应变、面应变、剪应变和主方向等构造应变场参数，对测区构造应变变化进行定量分析，并判断观测点附近地表的应力应变状态，得到以下结论：

（1） 巴仑台、库米什和小泉沟最大主应变、最小主应变变化曲线总体形态呈现斜率大体不变的斜线，应变变化速率保持在一个恒定的水平，主方向保持不变，这就是构造运动造成的应变变化的表现。

（2） 巴仑台及附近区域受张-压应力相互作用，主压应变方向约为N22°W。库米什台及附近区域主要受拉张应力作用，主张应变方向约为N8°E；小泉沟台及附近区域主要受压应力作用，主压应变方向约为N46°W。

（3） 巴仑台和小泉沟台应变变化主方向基本呈NNW和NWW向，与台站附近呈NW向展布的构造断裂的走向基本一致，也与GPS解算结果给出的天山及邻近地区应变场的主压应变优势分布方向NNW较一致；库米什呈NNE向，与邻近地区的主拉应变方向基本一致。

（4） 精河M_S6.6地震前巴仑台和小泉沟应变变化速率出现前兆异常变化，其异常特征显示，震前应变变化速率明显高于平均水平，均呈现在压缩背景下的应变加速变化，为应变资料同类异常的识别和判定提供了参考。

由于用应变观测数据换算构造应变变化是以理论固体潮作为标准进行实地标定计算的，这种计算排除了地形、岩性和高程等局部因素的影响，与真实数值肯定有一定的偏离，所以还需在后续的研究中，进一步结合GNSS、重力、测震等更多手段进行综合分析，取得更为可靠的认识。

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TECTONIC STRAIN VARIATION IN MIDDLE SECTION

OF TIANSHAN MOUNTAINS BASED ON FOUR

COMPONENT BOREHOLE STRAIN

SI Qin，  GUAN Dong-xiao，  ZHUO Rui-qi

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： According to borehole strain observation theory， quantitative calculation of structural strain changes near the survey area is carried out using borehole strain observation data from Balun Station， Kumish and Xiaoquangou components. The results show that the strain rates of the maximum minimum principal strain， surface strain， and shear strain at the three stations are relatively constant， while the principal direction remains roughly unchanged; The area near the Balun Plateau is subjected to tensile compressive stress interaction， with the principal compressive strain direction being N22°W. The area near the Kumish Plateau is subjected to tensile stress， with a strain direction of N8°E; The compressive stress in the area near the Xiaoquangou platform results in a principal compressive strain direction of approximately N46°W; Before Jinghe M_S6.6 earthquake， the strain change rates at Balun Station and Xiaoquangou were significantly higher than the average level， both exhibiting strain acceleration anomalies under compression background， which can provide reference for the identification and judgment of similar anomalies in strain data.

Key words： Four component borehole strain; Structural strain; Strain rate; Middle section of Tianshan Mountain; Anomaly