泰安基准地震台体应变映震能力统计分析

2014-10-21于庆民卢双苓郝军丽李惠玲闫德桥

山西地震 2014年2期

于庆民，卢双苓，郝军丽，李惠玲，闫德桥，孙豪

（1.山东省地震局泰安基准地震台，山东泰安 271000；2.山东省地震局，山东济南 250014；3.山东省地震局安丘地震台，山东安丘 262100；4.山东烟台市地震局，山东烟台 264000）

0 引言

地壳形变是地震孕育、发生过程中最直接的伴随现象。受地震波激发，借助数字化形变前兆台网可观测到地震时倾斜、应变和重力的波动现象，称为同震形变波或震时形变波，以区别于地震波。地震引起的同震形变波包括了地震破裂及传播过程的大部分信息，因此，可应用这些同震信息对地震震源的一些参数进行估计，通过对同震形变波物理性质的研究，有益于认识短临前兆的动力特性。

同震响应具有加载的广区域性、响应特征的易识别性，在前兆异常研究尚未成熟的今天，同震响应已经逐渐成为研究的热点。在地震预报中，只抓震前变化还不够，必须先了解清楚地震本身，然后才可能进行物理地震预报。从震前到震后的变化都需要仔细分析，特别是同震变化，对于研究地震本身无疑是最直接的资料［1－3］。

近年来，对地震仪器同震能力和映震能力的研究越来越引起研究人员的重视。刘厚明、关华、焦成丽等对形变观测仪器的映震能力都做了较深入的研究分析。尤其是地壳所牵头的《钻孔应变同震变化观测报告文集》，组织全国钻孔应变观测台站对仪器同震和映震能力做了较系统的统计和对比分析研究，取得了较好的效果［4－7］。

1 钻孔条件

泰安地震台由中国科学院地球物理研究所始建于1967年2月，是1966年邢台地震以后，为监测华北地区的地震活动而专门增设的首批台站，为建国后山东省境内的第一个地震台。地处莱芜弧形断裂带北侧（台址附近段落称为泰山山前断裂），台基为太古代泰山群（Art）花岗片麻岩体，台址岩体完整、致密均匀。自1975年台站就开始钻孔应力—应变观测，现运行的TJ－II型体积式应变仪于2008年10月8日至10日安装，探头安装在T－2号孔内，孔深77.1m，开口孔径150mm，终孔孔径130mm，探头实际安装位置77m。水位计投放的深度为7m，在水下的深度为4m。从2008年11月1日开始接入“十五数据库”运行。泰安台观测仪器及钻孔布设如图1所示。

图1 泰安台观测仪器及钻孔示意图Fig.1 Location of observation instruments and boreholes at Tai’an Station

对泰安台体应变同震变化的统计分析主要做了以下几方面的工作。首先，对有同震变化的地震结合地震台网信息进行了列表统计，分别以震中距和震中距对数为横坐标，以震级为纵坐标做“体应变映震能力统计图”；其次，对较大地震记录到的最大幅度和震级进行对比，求出震中距与最大振幅的关系；又对同一地点震中距相同的地震，给出了震级与最大振幅的关系。

2 泰安台体应变映震能力统计分析

2.1 震级与震中距的关系

前几年，已对2000年1月1日至2003年4月30日间体应变做过统计分析，得出当时正在运行的体应变监测地震的能力，其记录到的最远地震的震中距是25 467.36km，最小地震震级为ML2.9。

但因泰安台地处落雷区，1998年9月安装的体应变在2006年7月被雷击，2006年9月之后又安装新探头，再次于2008年5月12日被雷击。目前为2008年10月重新安装的新仪器，因此，此次针对2009年至2012年的同震变化进行统计和分析。

2.1.1 资料选取原则和统计公式

研究统计的地震均为台站体应变分钟值上记录到的地震，地震名称、发震时刻、震级、经纬度均为“中国地震台网目录”提供的参数。

震级统一采用面波震级Ms，未直接给出的采用以下公式进行换算［8］：

式中：Δ为台站震中距；λe为震中经度；λs为台站经度；φe为震中地心余纬度；φs为台站地心余纬度。地心余纬度φ为：

式中：R为地球平均半径，等于6 371km；Δ单位使用弧度。

2.1.2 震级与震中距关系

统计2009年至2012年体应变仪记录到的所有地震，绘出关系图。给出了2个图形，一是以记录到同震变化的地震震中距D为横坐标，以地震震级Ms为纵坐标，绘出散点图（见图2）；二是以同震变化的震中距对数logD（以10为底）为横坐标，以地震震级Ms为纵坐标，绘出散点图（见图3）。

图2 体应变震级与震中距关系图Fig.2 Relationship of body strain magnitude with epicentral distance

图3 体应变震级与震中距对数关系图Fig.3 Relationship of body strain magnitude with epicentral distance in logarithmic scale

从做出的统计图2和图3看，所有观测到有同震变化的地震基本分布在该图左上部，画一条直线（如图2和图3所示）。在画出的直线上取两点，其坐标为：点01（2.71，4.5）、点02（4.28，6.4），将这2个地震参数代入直线方程：M＝（logD－logD1）（M2－M1）／（logD2－logD1）＋ M1，式中：logD1为第一个点的横坐标（震中距对数）；M1为第一个点的纵坐标（震级）；logD2为第二个点的横坐标（震中距对数）；M2为第二个点的纵坐标（震级）。

推导出公式：

2.1.3 体应变映震能力分析

根据该次统计结果及图2、图3看出，所记录的最小地震为2011年10月13日12：27河南濮阳范县3.5级地震，震中距165km。记录的最远地震为2010年2月27日智利8.8级和7.3级，震中距19 498km。震级最小且震中距最大的地震为2011年2月14日智利中部6.4级，震中距18 981km。

记录到的震级最小和最大震中距范围的地震如表1所示。等于小于5级的地震，能记录到的最远地震，震中距为3 880km，再远的则很难记录。6.9级对应19 792km，远的则记录不到。各级地震对应最大震中距如表1所示。

表1 各震级对应最大震中距Table.1 The maximum epicentral distance corresponding with each magnitude

针对7级及以上地震的记录能力进行统计，2009年至2012年共发生了91次7级及以上地震。仅有1次7.0级地震未记录到，为2009年4月16日南桑德韦奇群岛地区地震，震中距17 338.2km。

这说明，2008年10月新安装体应变对7级及以上地震的映震能力比较强，但对小地震的记录能力，不及上一台仪器。体应变7级及以上地震映震情况如图4所示。

泰安台1998年安装的体应变，统计的47个7级及以上地震中，41个有记录，无反应的6个。能记录到最远地震的震中距是25 467.36km，能记录到的最小震级为ML2.9。较现在的仪器记录范围要广。新旧两套仪器对小震和远震的记录对比如表2所示。

2.2 震中距与最大振幅的关系

选取2009年至2012年21个7.0级地震来分析统计，以震中距为横坐标，以最大振幅为纵坐标，绘出图形（见图5）。随着震中距的增大，地震波的最大振幅快速衰减，基本符合幂指数的关系。

图4 2009年至2012年体应变7级及以上地震映震情况Fig.4 Reflecting instances of body strain for earthquakes with M≥7.0from 2009to 2012

表2 泰安台新旧体应变记录地震能力对比Table.2 Comparison of earthquake recording ability of new body strain and the old one at Tai’an Station

由图5最大振幅与震中距关系图可以看出，绘图所用的点子多，比较离散，在绘图时，已经人工剔除偏差较大的地震，只选取其中的15个（见表3）。这说明，震中距与最大振幅的关系，并不完全吻合成反比的关系。分析认为，体应变记录到的最大振幅，不一定是地震波真正的最大振幅，因仪器采样率较低，一分钟才能采集一个数据，很多时候漏掉了最大振幅，因此所记录到的最大振幅，并不是地震意义上的最大振幅，不完全准确。而且由于选取的周期分辨不清或不准确，对地震最大振幅的量取也存在较大误差。

表3 相同震级的震中距与最大振幅关系Table.3 Relationship of epicentral distance with the maximum amplitude of earthquakes with the same magnitude

表3 （续）

图5 体应变最大震幅与震中距关系图Fig.5 Relationship of the maximum amplitude of the body strain with epicentral distance

2.3 震级与最大振幅的关系

选取同一地点发生的地震，震中距看成相同，求震级与最大振幅的关系。该次统计体应变震级与最大振幅的关系，选取2011年3月至4月间日本近海地震（见表4），震中距相近但震级不同，以震级MS为横坐标，最大振幅为纵坐标，绘出图形（见图6）。

表4 同一地点震级与最大振幅关系Table.4 Relationship of magnitude with the maximum amplitude at the same place

表4 （续）

图6 体应变震级与最大振幅关系图Fig.6 Relationship of magnitude with the maximum amplitude of the body strain

该次统计选取的最大震级为7.3级，绘图可以看出，点子基本集中在一条曲线上，7级地震以后，最大振幅明显随着震级升高而增大，符合指数关系，以至于9.0级地震的震级和最大振幅太大，幅度高达6 222.5×10－9，离散性太大，为了拟合出曲线，只能舍掉。

同样，虽然仪器的震级与最大振幅均大体符合指数关系，随着震级的增大，最大振幅在迅速增大，但由图6仍可以看出，虽已经人工剔除了偏差较大的地震，但绘出图形点子仍然离散性较大。这仍是因为形变仪器采样率低，记录到的最大振幅不一定是地震波真正的最大振幅，以及对最大振幅的认识、读取存在较大误差有关系。

3 对地震前后和震时阶跃的认识

3.1 对体应变地震阶的认识

对体应变仪器地震时和地震前后阶跃变化的统计分析，2009年至2012年所有体应变记录地震中，7个有地震阶，其中，5个为震时的地震阶，2个为震前台阶（见表5）。

尤其是2011年3月11日日本9.0级地震前后，出现了长达65天的不定时不定量台阶或缓慢畸变变化，认为，这种变化与日本9.0级地震有很大的关系。

表5 有地震阶的地震统计Table.5 Statistics of the earthquakes having step changes

以阶跃变化的统计分析看，大部分有同震变化的地震，震前没有阶跃变化，出现有的地震震前有阶跃变化，而有的没有，这可能与地震所发生的地理位置、构造位置及震源深度等诸多因素有关，有待于进一步研究探讨。

3.2 日本9.0级地震前后体应变异常台阶、畸变分析

苏恺之教授认为：常有些台站人员遇见各种记录曲线突跳时，轻易认为它来自仪器不稳定，进而在资料预处理时将它抹去，或者忽略，原始曲线记录到的信息无法引起人们所注意，这种情况必做改变。对于各种畸变，不可一概认为仪器故障而自行处理，防止重要信息被忽视。就将近十年的应变资料来看，有些畸变信息仍然应该引起足够的重视，当资料积累到一定程度，震例相对较多时，可能就会被证实是与地震相关的一些信息［10］。

为验证仪器是否稳定，对仪器进行标定，标定结果与上一次标定不超过1%，标定结果正常。为排除这种掉格台阶现象并非开阀系统的故障，也做了手动开阀的试验，结果开阀功能正常，手动开阀后的曲线与自动开阀曲线形态相同，这说明，仪器处在正常工作状态。

2011年3月1日后，体应变曲线出现不同程度畸变，此后多日都有畸变现象，表现以压性上升型台阶变化为主，偶有张性下降型台阶畸变。一般为十几至几十（10－9）的变化量，但3月15日变化量达到46.3×10－9，4月8日则出现355.1×10－9应变量的压性上升变化，量级已经达到10－7。经与抽水情况对比，与抽水时间不符，畸变特征也明显不同（见表6）。

在这些畸变现象出现后，工作人员曾向仪器研制专家和地壳应力研究所有关专家请教，专家并没有给出明确的意见和解释。但我们怀疑这些畸变现象与日本9.0级地震有极大的关系，可能与地震前后大地应变场的调整有关。

下面列举几次典型的畸变绘图。3月23日发生3次畸变，首先，10：10曲线发生压性上升台阶，变化量44.0×10－9；10：23至10：27，曲线向下张性小台阶，变化量14.8×10－9；18：24至18：28，再次出现压性台阶，原因不明，变化量70.0×10－9（见图7a）。4月8日畸变曲线，畸变量达到355.1×10－9，为目前所发生畸变中幅度最大的一次（见图7b）。4月22日15：54至17：11，向上压性缓慢畸变，变化量130.4×10－9（见图7c）。

事实证明，在2011年5月后，这类畸变台阶现象慢慢消失，而仪器仍然正常工作，没有出现故障问题。这说明，地震前，地壳已经开始预滑移，震时极大的能量释放；震后，整个地球应力场调整，被体应变捕捉到这种地壳变化信息，而记录下来。

表6 体应变2011年3月11日日本9.0级地震前后畸变现象汇总Table.6 Collection of body strain distortion before and after Japan 9.0earthquake in Mar.11st，2011

虽然，这种仪器的变化目前还没有专家给出更明确的解释，但我们也认为，这种震前、震后台阶畸变现象的出现，不能一概推定为仪器不稳定，而应该重视并积累资料。

通过分析，我们仍怀疑这些畸变现象与日本9.0级地震有极大的关系，可能与地震前后大地应变场的调整有关，有待下一步对照GPS数据进一步分析。

刘序俨［11］指出，重力固体潮是引潮位对径向半径的一阶微分；倾斜固体潮是引潮位对经纬度的一阶微分，而应变固体潮则是引潮位对经纬度的二阶微分。于是，从滤波的角度来看，应变固体潮相当于二阶微分器，即高通滤波器，表现为对短临前兆最为灵敏；重力对较长时间的（及大空间范围的）异常灵敏，而倾斜固体潮则介于上两者之间。

图7 2011年3月11日日本9.0级地震前后曲线畸变现象Fig.7 Curve distortion before and after Japan 9.0 earthquake in Mar.11st，2011

在我国，曾对应变地震波有过讨论和争论。因为在一般的概念里，地震波只被解释为地壳质点的位移振动，或它的速度或加速度振动，后两者是位移的一次或两位对时间的微分。于是认为，地震波与应变是两个不相关的量，应变仪记录到了地震波来自仪器的耐振性能差，受到了干扰所致，而应予以改进。殊不知，地震波既然依空间传播，其位移表示式中必然含有空间坐标项，它对空间的微分即为应变。于是，质点的速度与介质的应变两者还有其共性：都是位移量的一次微分，一个是对时间的微分，一个是对空间的微分。地震波动，不仅造成地壳中各质点的位移、速度、加速度，而且使岩体中产生应力和应变的波动，这五项参数构成一个相互关联着的运动整体，五者之间有着明确的关系式［11］。