[科普中国]-潮汐因子

潮汐因子变化与地震活动有一定的关系。利用地下水静水位对潮汐应力的响应，分析含水层在一些地震孕育过程中应力变化的响应形式。运用潮汐计算模型及固体潮汐数字化观测结果，计算了固体潮汐参数，并对其潮汐变化分析出现的异常值进行了系统分析对比，总结潮汐因子变化异常与地震的对应关系，和该井静水位潮汐变化的映震特征。结果表明，通河台潮汐异常形态对通河台附近的小震活动有较好的对应关系，讨论了通河地震台附近地震活动与水位潮汐因子异常变化的关系。

概念潮汐因子（tide factor）：在地面上用仪器可观测到的固体潮有海潮平衡潮、重力固体潮、地倾斜固体潮、经纬度固体潮，它们与刚体地球模型的相应的固体潮的比值分别称为海潮平衡潮、重力固体潮、地倾斜固体潮和经纬度固体潮的潮汐因子。分层均匀弹性球状地球模型的潮汐因子是不同勒夫数的线形组合。

分量钻孔应变潮汐因子各向异性研究运用多分量的应变固体潮观测结果，可以计算出固体潮的主应变方向、主应力大小数值或剪切应变值，这些参数对研究地震触发、短临信息、断层活动和断层破裂等有重要意义。在以往的研究中，考虑到仪器的套筒内径、套筒外径、围岩等效杨氏模量和泊松比、套筒材料的杨氏模量和泊松比有比较复杂的关系。虽然认识到岩石的各项异性会对观测结果的分析产生一定的影响，但在分析时多采用岩石各向同性介质的本构关系进行研究分析。本文在研究中，采用岩石弹性模量各向异性的应力－应变本构关系，利用引潮力作为加载力源，对分量应变观测资料进行调和分析研究。

方法原理砂岩单轴加载实验结果与采用Lekhnitskii理论推出的各向异性本构预测值均得出砂岩弹性模量遵循近似椭圆规律变化。由于地壳中存在大量定向排列的EDA微裂隙，而EDA微裂隙优势排列方向与原地主压应力方向一致，依据台站记录的地震波记录利用S波偏振的方法可以反演该区域的主压应力方向。受引潮力作用，地球的形变及其引起的附加位变化，是能预先准确计算出理论值的物理量，潮汐因子即固体潮观测振幅和理论振幅的比值，与岩石弹性模量负相关，不同方位角的岩石弹性模量不同，其固体潮潮汐波调和分析结果也不同，理论上应变固体潮潮汐因子为一有规律的椭圆。对四分量钻孔应变的观测资料调和分析并进行椭圆拟合，把结果与S波偏振得出主压应力方向进行对比分析，潮汐椭圆的长、短轴方位应分别对应最小、最大主压应变方向。

结论与运用通过资料分析，徐州分量应变受其附近的水库水位变化的影响较为明显，应变变化和断层方向无关，江宁分量应变在句容ML3.6地震前的变化，具有十分明显的方向性，即平行于断层方向的变化最大，垂直于断层方向的最小。

潮汐椭圆拟合结果与其理论值相反，即潮汐椭圆长、短轴方位分别对应最大、最小主压应变方向。综合其他参考资料分析认为，潮汐因子的各向异性主要受其附近断裂走向的影响，断裂分别对平行和垂直其走向的引潮力有增强和减弱作用，分量应变潮汐因子的大小受台站实际接收的引潮力大小影响较大。由于椭圆潮汐长轴方位和主压应变场方位具有很好的一致性，利用其方位角与主压应变场的对应关系，研究震前主压应力场的变化具有一定的实用意义。1

水位潮汐因子异常变化与地震活动关系的分析水位的固体潮效应是含水层在日、月起潮力作用下，产生固体潮体应变的反映。这种含水层的体应变使其孔隙中的流体压力产生潮汐波动，迫使水在井孔与含水层之间产生潮汐渗流，从而形成了井孔内水位的潮汐变化。大量的地下水位观测事实表明，一个好的承压井的地下水位变化，能反映出地球潮汐体应变的变化。因此，对地球潮汐提应变的分析完全适合于对地下水位观测资料的分析。地震孕育是震源区内介质的变形、损伤并导致失稳的过程，即震源区介质的损伤、演化、破坏过程。根据震源区介质受构造应力作用后的破坏过程这一非线性系统失稳的自然现象，利用潮汐因子变化分析方法，进行计算、分析和研究，以期识别和提取本地区井水位的地震短临异常前兆信息。2

通河静水位测量井基本情况通河台地理构造于伊春—延寿地槽北段，北东向依舒断裂、东西向通河断裂、北西向岔林河断裂。其中静水位测量井位于台站院内，井深200米，数据产出质量较稳定。静水位主要采用LN－3A数字水位仪，水位探头埋深为7.24米，可以很好的反映地下水固体潮汐效应。水位传感器每月标定合格，没发现外界环境对观测数据有影响，地下水类型属孔隙承压水，其下也有较厚的粘土层隔水层。

井水位固体潮分析原理与方法地壳在日、月起潮力的作用下，会产生相应的固体潮体应变，这种应变使含水层孔隙中的流体压力产生波动。在钻孔穿透含水层后，含水层和井内的压力差使水流流入（或流出）井孔，井水水位就会出现相应的潮汐波动，这种由固体潮应变引起的水井水位的潮汐现象，就是水井水位的固体潮效应。

井水位固体潮效应的机理为因地球表层潮汐应力大小随地球与天体在运动中的相对位置的变化而有规律的变化，地下水位也必然随之产生有规律的升降变化。当潮汐应力增大时，含水岩体发生膨胀，含水空隙水压降低，井水位下降。反之，井水位上升。设水柱高度含水层层压为P，P为大气压力，σ为潮汐应力，γ为水的密度，则水位与潮汐应力的平衡方程为：

由此可以看出，井水位h随着潮汐应力σ的变化而变化，且与σ反向。井水位潮汐因子是将水位观测值△h转换为固体潮观测值C后与固体潮理论值△g的比值：

为了从观测序列中将日波与半日波分离开，用Venedikov设计的偶数字滤波器将以上滤波器作用于连续的水位固体潮观测整点值，经过数学变换后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子和相位滞后、残差矢量等参数，提取所需的全日波、半日波的固体潮信息。地震孕育是震源区内介质的变形、损伤并导致失稳的过程，即震源区介质的损伤、演化、破坏过程。根据震源区介质受构造应力作用后的破坏过程这一非线性系统失稳的自然现象，利用潮汐因子变化分析方法，进行计算、分析和研究，以期识别和提取本地区井水位的地震短临异常前兆信息。为了提取水位潮汐中的固体潮效应参数，固体潮观测主要由日波、半日波、三分之一日波等频率的信息组成，共有363个谐波，其中日波197个、半日波147个、三分之一日波15个。由于固体潮日波类、半日波类和三分之一波类的频带不同，通过滤波器，将日波类、半日波类、三分之一波类固体潮分开。

震例分析构造地震是地球内部某些特殊构造部位应力不断积累、增大、以致超过岩石强度极限时，地壳岩石突然破裂而产生的一种自然现象。国内外的研究结果表明，在地震孕育的广阔范围内，岩层中的应力积累、应力状态都会引起地下水介质体系的变化，临阵阶段，岩石中裂隙的迅速扩展、震时破裂、在构造断裂带附近，若含水层组之间有水力联系，则深层承压水还可携带深部组分沿断裂带上涌，与浅水层混合，这些来自地壳深部的信息就会直接被观测到。通过对通河地震台近5年来地下水位的长期观测，总结出通河地震台水位潮汐因子01波正常值范围：（0.0003~0.006），周日波正常值范围：（0~0.0024），发现01波与周日波在超出正常范围出现高值或低值后，间隔几天后在周围区域均发生地震，总结2007年至2012年出现几次的异常次数与地震的对应关系。图1红色线范围为01波正常变化值范围，在正常变化范围外有4次异常，而且异常形式为单个时间点异常与时间域异常，分别对应4次地震。而周日波在正常范围外出现5次高值异常，在出现高值异常后均出现5次地震。黑龙江省发生地震次数较少（图2），发现发生地震与异常都能很好的对应，具体对应地震关系见（表1、表2）。

排除干扰通过对通河地震台静水位近6年的观测数据曲线动态特征分析，删除由于干扰造成的数据波动，取正常时段静水位观测数值，进行潮汐因子变化分析，静水位开始观测以来。严格遵守《地震地下水观测规范》的要求，水位内精度较高，连续率较好。而且水位观测近6年来未发现有外界干扰源对其数据产生干扰。

通河静水位潮汐因子变化异常映震分析根据上述所列水位异常与地震对应关系的资料，通河1号井静水位潮汐因子异常的映震特征可归纳为以下两点：

（1）01波与周日波出现异常时间点后发震，震前01波与周日波潮汐因子出现单点异常高值或异常低值，而且消失后都在未来几天后发生地震。

（2）01波在异常时间域内发震，即在01波出现异常时间域，发现周围区域发生地震的时间与异常时间域对应。

结论与讨论通过潮汐因子变化分析可以有效的提取地下流体水位数字化观测资料的有震异常信息，分析认为，地震孕育过程是一个非平稳过程，异常信号叠加在平稳的背景上，利用地下水位对潮汐应力的响应，分析含水层对一些地震孕育过程中应力变化的响应，统计异常和地震对应的关系，对异常信息分析总结，将有助于揭示地震孕育与发生的某些规律。3

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学