[科普中國]-潮汐因子

潮汐因子變化與地震活動有一定的關系。利用地下水靜水位對潮汐應力的響應，分析含水層在一些地震孕育過程中應力變化的響應形式。運用潮汐計算模型及固體潮汐數(shù)字化觀測結果，計算了固體潮汐參數(shù)，并對其潮汐變化分析出現(xiàn)的異常值進行了系統(tǒng)分析對比，總結潮汐因子變化異常與地震的對應關系，和該井靜水位潮汐變化的映震特征。結果表明，通河臺潮汐異常形態(tài)對通河臺附近的小震活動有較好的對應關系，討論了通河地震臺附近地震活動與水位潮汐因子異常變化的關系。

概念潮汐因子（tide factor）：在地面上用儀器可觀測到的固體潮有海潮平衡潮、重力固體潮、地傾斜固體潮、經緯度固體潮，它們與剛體地球模型的相應的固體潮的比值分別稱為海潮平衡潮、重力固體潮、地傾斜固體潮和經緯度固體潮的潮汐因子。分層均勻彈性球狀地球模型的潮汐因子是不同勒夫數(shù)的線形組合。

分量鉆孔應變潮汐因子各向異性研究運用多分量的應變固體潮觀測結果，可以計算出固體潮的主應變方向、主應力大小數(shù)值或剪切應變值，這些參數(shù)對研究地震觸發(fā)、短臨信息、斷層活動和斷層破裂等有重要意義。在以往的研究中，考慮到儀器的套筒內徑、套筒外徑、圍巖等效楊氏模量和泊松比、套筒材料的楊氏模量和泊松比有比較復雜的關系。雖然認識到巖石的各項異性會對觀測結果的分析產生一定的影響，但在分析時多采用巖石各向同性介質的本構關系進行研究分析。本文在研究中，采用巖石彈性模量各向異性的應力－應變本構關系，利用引潮力作為加載力源，對分量應變觀測資料進行調和分析研究。

方法原理砂巖單軸加載實驗結果與采用Lekhnitskii理論推出的各向異性本構預測值均得出砂巖彈性模量遵循近似橢圓規(guī)律變化。由于地殼中存在大量定向排列的EDA微裂隙，而EDA微裂隙優(yōu)勢排列方向與原地主壓應力方向一致，依據(jù)臺站記錄的地震波記錄利用S波偏振的方法可以反演該區(qū)域的主壓應力方向。受引潮力作用，地球的形變及其引起的附加位變化，是能預先準確計算出理論值的物理量，潮汐因子即固體潮觀測振幅和理論振幅的比值，與巖石彈性模量負相關，不同方位角的巖石彈性模量不同，其固體潮潮汐波調和分析結果也不同，理論上應變固體潮潮汐因子為一有規(guī)律的橢圓。對四分量鉆孔應變的觀測資料調和分析并進行橢圓擬合，把結果與S波偏振得出主壓應力方向進行對比分析，潮汐橢圓的長、短軸方位應分別對應最小、最大主壓應變方向。

結論與運用通過資料分析，徐州分量應變受其附近的水庫水位變化的影響較為明顯，應變變化和斷層方向無關，江寧分量應變在句容ML3.6地震前的變化，具有十分明顯的方向性，即平行于斷層方向的變化最大，垂直于斷層方向的最小。

潮汐橢圓擬合結果與其理論值相反，即潮汐橢圓長、短軸方位分別對應最大、最小主壓應變方向。綜合其他參考資料分析認為，潮汐因子的各向異性主要受其附近斷裂走向的影響，斷裂分別對平行和垂直其走向的引潮力有增強和減弱作用，分量應變潮汐因子的大小受臺站實際接收的引潮力大小影響較大。由于橢圓潮汐長軸方位和主壓應變場方位具有很好的一致性，利用其方位角與主壓應變場的對應關系，研究震前主壓應力場的變化具有一定的實用意義。1

水位潮汐因子異常變化與地震活動關系的分析水位的固體潮效應是含水層在日、月起潮力作用下，產生固體潮體應變的反映。這種含水層的體應變使其孔隙中的流體壓力產生潮汐波動，迫使水在井孔與含水層之間產生潮汐滲流，從而形成了井孔內水位的潮汐變化。大量的地下水位觀測事實表明，一個好的承壓井的地下水位變化，能反映出地球潮汐體應變的變化。因此，對地球潮汐提應變的分析完全適合于對地下水位觀測資料的分析。地震孕育是震源區(qū)內介質的變形、損傷并導致失穩(wěn)的過程，即震源區(qū)介質的損傷、演化、破壞過程。根據(jù)震源區(qū)介質受構造應力作用后的破壞過程這一非線性系統(tǒng)失穩(wěn)的自然現(xiàn)象，利用潮汐因子變化分析方法，進行計算、分析和研究，以期識別和提取本地區(qū)井水位的地震短臨異常前兆信息。2

通河靜水位測量井基本情況通河臺地理構造于伊春—延壽地槽北段，北東向依舒斷裂、東西向通河斷裂、北西向岔林河斷裂。其中靜水位測量井位于臺站院內，井深200米，數(shù)據(jù)產出質量較穩(wěn)定。靜水位主要采用LN－3A數(shù)字水位儀，水位探頭埋深為7.24米，可以很好的反映地下水固體潮汐效應。水位傳感器每月標定合格，沒發(fā)現(xiàn)外界環(huán)境對觀測數(shù)據(jù)有影響，地下水類型屬孔隙承壓水，其下也有較厚的粘土層隔水層。

井水位固體潮分析原理與方法地殼在日、月起潮力的作用下，會產生相應的固體潮體應變，這種應變使含水層孔隙中的流體壓力產生波動。在鉆孔穿透含水層后，含水層和井內的壓力差使水流流入（或流出）井孔，井水水位就會出現(xiàn)相應的潮汐波動，這種由固體潮應變引起的水井水位的潮汐現(xiàn)象，就是水井水位的固體潮效應。

井水位固體潮效應的機理為因地球表層潮汐應力大小隨地球與天體在運動中的相對位置的變化而有規(guī)律的變化，地下水位也必然隨之產生有規(guī)律的升降變化。當潮汐應力增大時，含水巖體發(fā)生膨脹，含水空隙水壓降低，井水位下降。反之，井水位上升。設水柱高度含水層層壓為P，P為大氣壓力，σ為潮汐應力，γ為水的密度，則水位與潮汐應力的平衡方程為：

由此可以看出，井水位h隨著潮汐應力σ的變化而變化，且與σ反向。井水位潮汐因子是將水位觀測值△h轉換為固體潮觀測值C后與固體潮理論值△g的比值：

為了從觀測序列中將日波與半日波分離開，用Venedikov設計的偶數(shù)字濾波器將以上濾波器作用于連續(xù)的水位固體潮觀測整點值，經過數(shù)學變換后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子和相位滯后、殘差矢量等參數(shù)，提取所需的全日波、半日波的固體潮信息。地震孕育是震源區(qū)內介質的變形、損傷并導致失穩(wěn)的過程，即震源區(qū)介質的損傷、演化、破壞過程。根據(jù)震源區(qū)介質受構造應力作用后的破壞過程這一非線性系統(tǒng)失穩(wěn)的自然現(xiàn)象，利用潮汐因子變化分析方法，進行計算、分析和研究，以期識別和提取本地區(qū)井水位的地震短臨異常前兆信息。為了提取水位潮汐中的固體潮效應參數(shù)，固體潮觀測主要由日波、半日波、三分之一日波等頻率的信息組成，共有363個諧波，其中日波197個、半日波147個、三分之一日波15個。由于固體潮日波類、半日波類和三分之一波類的頻帶不同，通過濾波器，將日波類、半日波類、三分之一波類固體潮分開。

震例分析構造地震是地球內部某些特殊構造部位應力不斷積累、增大、以致超過巖石強度極限時，地殼巖石突然破裂而產生的一種自然現(xiàn)象。國內外的研究結果表明，在地震孕育的廣闊范圍內，巖層中的應力積累、應力狀態(tài)都會引起地下水介質體系的變化，臨陣階段，巖石中裂隙的迅速擴展、震時破裂、在構造斷裂帶附近，若含水層組之間有水力聯(lián)系，則深層承壓水還可攜帶深部組分沿斷裂帶上涌，與淺水層混合，這些來自地殼深部的信息就會直接被觀測到。通過對通河地震臺近5年來地下水位的長期觀測，總結出通河地震臺水位潮汐因子01波正常值范圍：（0.0003~0.006），周日波正常值范圍：（0~0.0024），發(fā)現(xiàn)01波與周日波在超出正常范圍出現(xiàn)高值或低值后，間隔幾天后在周圍區(qū)域均發(fā)生地震，總結2007年至2012年出現(xiàn)幾次的異常次數(shù)與地震的對應關系。圖1紅色線范圍為01波正常變化值范圍，在正常變化范圍外有4次異常，而且異常形式為單個時間點異常與時間域異常，分別對應4次地震。而周日波在正常范圍外出現(xiàn)5次高值異常，在出現(xiàn)高值異常后均出現(xiàn)5次地震。黑龍江省發(fā)生地震次數(shù)較少（圖2），發(fā)現(xiàn)發(fā)生地震與異常都能很好的對應，具體對應地震關系見（表1、表2）。

排除干擾通過對通河地震臺靜水位近6年的觀測數(shù)據(jù)曲線動態(tài)特征分析，刪除由于干擾造成的數(shù)據(jù)波動，取正常時段靜水位觀測數(shù)值，進行潮汐因子變化分析，靜水位開始觀測以來。嚴格遵守《地震地下水觀測規(guī)范》的要求，水位內精度較高，連續(xù)率較好。而且水位觀測近6年來未發(fā)現(xiàn)有外界干擾源對其數(shù)據(jù)產生干擾。

通河靜水位潮汐因子變化異常映震分析根據(jù)上述所列水位異常與地震對應關系的資料，通河1號井靜水位潮汐因子異常的映震特征可歸納為以下兩點：

（1）01波與周日波出現(xiàn)異常時間點后發(fā)震，震前01波與周日波潮汐因子出現(xiàn)單點異常高值或異常低值，而且消失后都在未來幾天后發(fā)生地震。

（2）01波在異常時間域內發(fā)震，即在01波出現(xiàn)異常時間域，發(fā)現(xiàn)周圍區(qū)域發(fā)生地震的時間與異常時間域對應。

結論與討論通過潮汐因子變化分析可以有效的提取地下流體水位數(shù)字化觀測資料的有震異常信息，分析認為，地震孕育過程是一個非平穩(wěn)過程，異常信號疊加在平穩(wěn)的背景上，利用地下水位對潮汐應力的響應，分析含水層對一些地震孕育過程中應力變化的響應，統(tǒng)計異常和地震對應的關系，對異常信息分析總結，將有助于揭示地震孕育與發(fā)生的某些規(guī)律。3

本詞條內容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學