漳州地震臺伸縮儀和體應(yīng)變儀同震響應(yīng)分析＊

方宏芳,劉序儼,張 凱

(1.福建省漳州市地震局,福建漳州 363000;2.福建省地震局,福州 350003;3.福建省地震局漳州地震臺,福建漳州 363000)

漳州地震臺伸縮儀和體應(yīng)變儀同震響應(yīng)分析＊

方宏芳1,劉序儼2,張 凱3

(1.福建省漳州市地震局,福建漳州 363000;2.福建省地震局,福州 350003;3.福建省地震局漳州地震臺,福建漳州 363000)

對同一地震所激勵的伸縮儀和體應(yīng)變儀的體應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明,這兩個觀測系統(tǒng)所記錄到的是疊加在體應(yīng)變固體潮背景上的一種振蕩衰減變化。這兩個系統(tǒng)分別對發(fā)生在印尼、中國臺灣和福建的幾次遠(yuǎn)震、地方震和近震作出了不同程度的響應(yīng)。體應(yīng)變響應(yīng)幅度約為 10-7～10-9,并且體應(yīng)變儀的響應(yīng)幅度大于伸縮儀的。同一觀測系統(tǒng)的響應(yīng)幅度與地震能量成正比,響應(yīng)延遲時間與震中距成正比。

伸縮儀;體應(yīng)變儀;體應(yīng)變響應(yīng);同震響應(yīng);漳州地震臺

0 前言

隨著應(yīng)變觀測的開展,很多學(xué)者(劉序儼等,2008;郗欽文,2004;李杰等,2003;王梅等,2005)都進(jìn)行了有關(guān)應(yīng)變固體潮方面的研究。目前,我國許多臺站都安裝有兩方向互為 90°的線應(yīng)變觀測儀,這樣所得資料除可用作不同方向的線應(yīng)變分析外,還可用作面應(yīng)變和體應(yīng)變分析。體應(yīng)變儀可以直接記錄到體應(yīng)變固體潮,如何根據(jù)安裝在正南北和正東西方向上的伸縮儀觀測值的組合來計算該臺站的體應(yīng)變?伸縮儀和體應(yīng)變儀兩個觀測系統(tǒng)所記錄到的同一地震所激勵的體應(yīng)變響應(yīng)有何不同?這些正是本文所要探討的。

1 臺站概況

漳州地震臺位于福建省漳州市下轄的縣級市龍海市九湖鎮(zhèn)院后村石獅巖,距漳州市區(qū) 6 km。臺站所在地九湖鎮(zhèn)為亞熱帶水果花卉種植區(qū),年平均溫度為 22℃,年平均濕度為 70%,年平均降雨量為 1400 mm,年平均雷電天氣約 20多天,海浪干擾較輕。

臺站位于北東向長樂—詔安斷裂帶的南端,臺站基巖為花崗閃長巖,覆蓋層厚度為 15～32 m。臺站建有一條長 100 m、近 EW走向的窿道,窿道主巷道總體走向?yàn)?S WW266°,支巷為 NNW356°。巷道交叉口以西安裝有 SS-Y型伸縮儀 EW向儀器,儀器長度為 24.9 m,支巷安裝伸縮儀 NS向儀器,長度為 17.8 m。TJ-ⅡE型體應(yīng)變儀安裝在洞口附近,觀測孔孔深為 60.3 m。

2 伸縮儀觀測資料處理

考慮到地殼的非均勻性,特別是地層的裂隙和層面之間的連續(xù)特征,把伸縮儀的基線長度布設(shè)得盡可能長是很有必要的,同時,為了保證環(huán)境的穩(wěn)定,又要盡可能深地把儀器往地下深處安裝,但安裝的深度畢竟要比潮汐應(yīng)變的波長小得多,因此,我們可以認(rèn)為觀測是在地球自由表面進(jìn)行的,則由自由邊界條件(erθ=erλ=eλθ),可得到正南北、正東西兩個方向的用線伸縮觀測值計算面應(yīng)變的公式(劉序儼等,1988)

由于滿足拉普拉斯方程,故 divgradVn=0,顧及可得

于是(1)式可寫成

由自由邊界條件,又得到垂直向的應(yīng)變固體潮值

取泊松比v=0.25,則(5)式變?yōu)?/p>

因地表的體應(yīng)變固體潮為

由(1)式和(6)式,可將(7)式變?yōu)?/p>

從(8)式可知,地表上某一點(diǎn)處的體應(yīng)變等于該點(diǎn)處的面應(yīng)變的 2/3,在此基礎(chǔ)上,由漳州臺東西與南北方向伸縮儀的觀測值得到該地區(qū)的體應(yīng)變值。

3 伸縮儀與體應(yīng)變儀的體應(yīng)變響應(yīng)

筆者分別計算了漳州臺伸縮儀與體應(yīng)變儀對2007年 9月 12日印尼 8.5級、2007年 9月 13日印尼 8.3級、2007年 9月 13日印尼 7.5級、2007年 8月 16日秘魯 7.8級、2006年 12月 26日中國臺灣恒春海外 7.2級、2008年 5月 12日中國四川汶川 8.0級、2008年 7月 5日俄羅斯鄂霍次克海7.6級、2008年 7月 5日中國福建漳州長泰 4.6級共 8次地震所激發(fā)的體應(yīng)變響應(yīng)。

圖 1為漳州臺伸縮儀、體應(yīng)變儀于 2007年 9月 13日 11:30～12:30的分鐘值體應(yīng)變曲線圖,記錄的是印尼 8.3級地震的體應(yīng)變響應(yīng)。

圖 1 2007年 9月 13日 11:30～12:30漳州臺伸縮儀(a)和體應(yīng)變(b)的分鐘值體應(yīng)變曲線Fig.1 Volumetric strain curve of extensometer(a)and body strain gauge(b)from 11:30 to 12:30 on September 13,2007

圖 2為漳州臺伸縮儀和體應(yīng)變儀于 2008年 5月 12日 14:10～15:10的分鐘值體應(yīng)變曲線圖,記錄的是汶川 8.0級地震體應(yīng)變響應(yīng)。

圖 2 2008年 05月 12日 14:10～15:10漳州臺伸縮儀(a)和體應(yīng)變儀(b)的分鐘值體應(yīng)變曲線Fig.2 Volumetric strain curve of extensometer(a)and body strain gauge(b)from 14:10 to 15:10 onMay 12,2008

從圖 1和圖 2可以看出,在強(qiáng)震面波到達(dá)漳州臺之前,這兩種觀測手段的觀測曲線都是非常平穩(wěn)的,這是因?yàn)轶w應(yīng)變主要是由低頻日波和半日波組成。地震面波到達(dá)后這兩個系統(tǒng)所記錄到的變化,就是強(qiáng)震所引起的體應(yīng)變。因此由印尼遠(yuǎn)震、臺灣近震和漳州地方震所引起的體應(yīng)變變化,是一種疊加在體應(yīng)變固體潮曲線上的高頻變化,也正是伸縮儀、體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)對地震的體應(yīng)變響應(yīng)。所記錄到的體應(yīng)變響應(yīng)波形以一種振蕩衰減的形式出現(xiàn),由于地震震級的不同,階躍有高有低,體應(yīng)變響應(yīng)有大有小。為了充分展示體應(yīng)變響應(yīng)過程,我們只給出地震當(dāng)天伸縮儀與體應(yīng)變儀 1～2 h的體應(yīng)變分鐘值變化曲線,并統(tǒng)計了響應(yīng)延遲時間、體應(yīng)變響應(yīng)幅度、震中距、地震能量等參數(shù),連同 8個所選地震的三要素一起歸納在表 1中。

表 1 漳州地震臺伸縮儀與體應(yīng)變儀體應(yīng)變響應(yīng)幅度參數(shù)統(tǒng)計Tab.1 Statistics of volumetric strain response amplitude of extensometer and body strain gauge at Zhangzhou seis mostation

圖 3給出了漳州臺伸縮儀和體應(yīng)變儀對上述 8個震例的體應(yīng)變響應(yīng)幅度對比曲線。從圖中可看出,8個震例中,兩種儀器對其中 7次地震的體應(yīng)變響應(yīng)幅度,都是體應(yīng)變儀的大于伸縮儀的,只有 2007年 9月 13日印尼 7.5級地震所激發(fā)的體應(yīng)變響應(yīng)幅度,是伸縮儀的稍大一些。

圖 3 漳州臺伸縮儀和體應(yīng)變儀對 8個震例的體應(yīng)變響應(yīng)幅度對比曲線Fig.3 Contrast curves of volumetric strain response amplitude of extensometer and body strain gauge for 8 earthquakes

從圖 4可以看出,體應(yīng)變響應(yīng)幅度與地震震級成正比關(guān)系,地震震級越大,能量越高,響應(yīng)幅度就越大(牛安福等,2005,2006)。這也可從表 1中印尼 3次地震的體應(yīng)變響應(yīng)對比看出。以體應(yīng)變儀為例,在震中距近似相等的條件下,印尼8.5級、8.3級、7.5級地震的體應(yīng)變響應(yīng)幅度分別為 2.446×10-7、1.528×10-7、2.04×10-8,幅度隨著震級的下降而逐漸降低,這說明了震級與體應(yīng)變響應(yīng)幅度的正比關(guān)系。對汶川 8.0級地震,印尼 8.5級、8.3級強(qiáng)震,臺灣恒春海外 7.2級地震,兩種儀器的體應(yīng)變響應(yīng)幅度較大,可達(dá)到10-7量級,對于 4600 km之遙的鄂霍次克海 7.6級地震和相距僅 25 km的福建長泰 4.6級地震,體應(yīng)變響應(yīng)幅度最小,僅為 10-9量級。

圖 4 伸縮儀(a)和體應(yīng)變儀(b)響應(yīng)幅度與震級關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between volumetric strain response amplitude of extensometer(a)and body strain gauge(b)and earthquake magnitude

從圖 5可看出,響應(yīng)延遲時間與震中距成正比,震中距越大,響應(yīng)時間越晚。儀器對于印尼 3次地震的響應(yīng)延遲時間平均為 13 min。2007年 8月 16日秘魯?shù)卣鸬恼鹬芯酁?18000 km,響應(yīng)延遲時間最長。2008年 7月 5日福建長泰 4.6級地震震中距只有 25 km,響應(yīng)最快。從伸縮儀、體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)記錄到的響應(yīng)波形來看,兩者響應(yīng)延遲時間相當(dāng)。

圖 5 伸縮儀(a)和體應(yīng)變儀(b)體應(yīng)變響應(yīng)延遲時間與震中距關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between volumetric strain response delay ti me of extensometer(a)and body strain gauge(b)with epicentral distance

4 結(jié)語

(1)伸縮儀和體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng),在其記錄到的體應(yīng)變固體潮背景上,以一種振蕩衰減的形式,對印尼遠(yuǎn)震、臺灣近震和漳州長泰地方震都分別做出了不同程度的響應(yīng)。對于同一地震,體應(yīng)變儀的體應(yīng)變響應(yīng)幅度大于伸縮儀的。伸縮儀和體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)的體應(yīng)變固體潮幅度相當(dāng),約為 10-7～10-9。

(2)對同一觀測系統(tǒng)而言,體應(yīng)變響應(yīng)幅度與地震能量成正相關(guān),地震震級越大,地震能量越高,體應(yīng)變響應(yīng)幅度就越大。

(3)伸縮儀與體應(yīng)變儀的響應(yīng)延遲時間相當(dāng)。體應(yīng)變響應(yīng)延遲時間與震中距成正相關(guān),震中距越大,響應(yīng)延遲時間越晚。

本研究中的體應(yīng)變響應(yīng)還只限于 “同震波”,還無法提取更有效的震前信息,應(yīng)結(jié)合其它觀測手段,做進(jìn)一步的綜合分析,以尋找震前長、中、短、臨的體應(yīng)變變化時空演化特征,最大限度地發(fā)揮數(shù)字化前兆觀測資料的作用。

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Analysis of the Co-seismic Response of Extensometer and Body Stra in Gauge at Zhangzhou Seismic Station

FANG Hong-fang1,L IU Xu-yan2,ZHANG Kai3
(1.Earthquake Administration of Zhangzhou City,Fujian Province,Zhangzhou 363000,Fujian,China)
(2.Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 350003,Fujian,China)
(3.Zhangzhou seismic Station,Earthquake Administration of Fujian Province,Zhangzhou 363000,Fujian,China)

We conduct a comparative analysis of volumetric strain response of extensometer and the volumetric strain response of body-strain gauge to the same earthquake.The two observational system s recorded an oscillating attenuation change overlaying the background of the solid tide of volumetric strain.The two system s differently response to Indonesian distant shock, inland earthquake and Taiwan earthquake.The magnitude of volumetric strain response of these two system s to the earthquakes varies from10-9to10-7.The response amplitude of body strain gauge system is larger than that of extensometer.For the same system, the response amplitude keeps in direct proportion to quake energy and the delay time of response keeps in direct proportion to epicentral distance.

extensometer; body strain gauge; volumetric strain response; co-seismic response; Zhangzhou seismic Station

P315.72+7

A

1000-0666(2010)03-0287-05

2009-09-28.