莆田臺砂層應(yīng)變東西分量映震特征淺析

李毅偉， 吳勁柏， 蔡佩蕊， 陳 偉， 何星源，宋 超， 沈 勇， 黃歡歡， 佘娟萍

（1.莆田地震臺， 福建 莆田 351100； 2.莆田市地震監(jiān)測與應(yīng)急中心， 福建 莆田 351100）

0 前言

砂層應(yīng)變觀測測項與傳統(tǒng)的應(yīng)變觀測具有一定差別， 在一定程度上反映了顆粒介質(zhì)與連續(xù)介質(zhì)的特性。 砂層應(yīng)變觀測的理論基礎(chǔ)是認(rèn)為整個大地殼是由顆粒組成， 力鏈?zhǔn)侵亓ψ饔迷陬w粒介質(zhì)中的客觀存在， 當(dāng)顆粒系統(tǒng)受力時是靠力鏈來支撐的。 當(dāng)?shù)貧ぐl(fā)生變動時， 動態(tài)瞬間波及到每個顆粒， 之前地殼靠力鏈承載或失穩(wěn)或斷裂。 通過具有很高的直接靈敏度和特殊性能的傳感器來接受這種力鏈的變化， 達(dá)到觀測地震的目的[1]。 砂層應(yīng)力有對外界微小作用的敏感性－靈敏度高， 可達(dá)到10 μm/mv。 同時具有與地殼和地震過程耦合的特性（通過特殊的安裝方法）。 砂層應(yīng)力儀觀測南北、 東西和北東（平行于當(dāng)?shù)財鄬幼呦颍?莆田為NE40 度）三個分量的砂層應(yīng)力變化， 產(chǎn)生YL1、YL2 和YL3 三方向應(yīng)變變化圖。

2009年5月福建省地震局在莆田地區(qū)建成砂層應(yīng)力儀臺站， 2011年， 在中國地震局監(jiān)測司的支持下， 在莆田建立了我國第一個砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)中心， 收錄了全國18個砂層應(yīng)變臺站的觀測數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)了各臺之間的數(shù)據(jù)共享， 并提供數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)[2]。 本文通過對莆田砂層應(yīng)變觀測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 剔除干擾因素， 統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)， 砂層應(yīng)變東西分量對于國內(nèi)大震和鄰近地區(qū)的中小震出現(xiàn)了多次曲線相似的前兆異常， 而南北向數(shù)據(jù)變化幅度較小， 平行斷層分量數(shù)據(jù)比較紊亂，未提取到異常信息。

1 莆田砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)概況

1.1年變規(guī)律

莆田北高臺砂層應(yīng)變從2009年5月開始觀測， 到目前已積累了5年多的數(shù)據(jù)， 從整體的趨勢來看（如圖1）， 莆田北高臺砂層應(yīng)變?nèi)至烤哂幸欢ǖ哪曜円?guī)律。

圖1 莆田砂層應(yīng)變?nèi)至磕曜円?guī)律Fig.1 The annual change rule of three-component of sand strain in Putian

每年從11月份到4月份， 三分量的數(shù)據(jù)處于相對低值狀態(tài)， 且日變幅度較大； 從5月份到10月份， 三分量的數(shù)據(jù)處于相對高值狀態(tài)，日變幅度變小。 了解了正常年變的規(guī)律， 對于判定某些地震的前兆信息有一定的指導(dǎo)意義。

1.2 觀測數(shù)據(jù)曲線中的突跳現(xiàn)象

通過對莆田砂層應(yīng)變觀測資料分析研究， 曲線出現(xiàn)突跳現(xiàn)象比比皆是， 進(jìn)一步對原始秒值的研究， 我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的突跳是由于觀測儀器的通信單元串道導(dǎo)致， 為了提高砂層數(shù)據(jù)的有效性，更加準(zhǔn)確地反應(yīng)應(yīng)力趨勢， 采用筆者自主開發(fā)的砂層應(yīng)力數(shù)據(jù)處理軟件[3]， 對砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)做了濾波處理， 通過濾波程序?qū)ι皩討?yīng)變原始秒值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 過濾較大的突跳， 再換算成分鐘值，以突出砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)的趨勢， 保證砂層數(shù)據(jù)的真實有效性（如圖2）。

1.3 莆田砂層?xùn)|西分量映震分析

砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)在某些地震的震前具有一定的前兆反應(yīng)， 比如距離四川蘆山最近的成都臺， 在2013年4月20日四川雅安MS7.0 級的震前約11個小時， 三個方向同步出現(xiàn)突升， 數(shù)據(jù)曲線產(chǎn)生畸變， 而作為輔助測項的溫度卻沒有出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象， 說明該震前的數(shù)據(jù)畸變并不是外界干擾引起， 該震例對我們研究砂層的地震前兆信息具有一定的指導(dǎo)作用。

牛安福等[4]研究的突變主要是持續(xù)時間在十幾天至半年之內(nèi)的變化， 即短期前兆特征， 其基本條件有二， 一是變形速度顯著增加， 二是變形速度的穩(wěn)定和持續(xù)， 兩個條件從另一方面也給出了突變應(yīng)具有巨幅特征和單調(diào)性。 通過對莆田砂層?xùn)|西分量的觀測研究， 其在正常情況下具有明顯的日變規(guī)律， 一天的數(shù)據(jù)約在12 點左右下落， 18點左右回升， 這種日變規(guī)律的幅度與年變規(guī)律是一致的（如圖3）。

圖2 莆田砂層平行斷層分量2012年8月1～6日觀測數(shù)據(jù)處理前后比較Fig.2 The comparison of observation data of component paralleling to the fault of sand strain in Putian from 1st to 6th August, 2012 before and after processing

圖3 莆田砂層應(yīng)變東西分量正常動態(tài)分鐘值Fig.3 The normal dynamic minute value of east-west component of sand strain in Putian

莆田砂層?xùn)|西向在某些地震前有一定的前兆信息， 而該前兆信息大多數(shù)是基于這種日變規(guī)律的破壞， 通過對應(yīng)變曲線的觀察分析， 對該日變規(guī)律的破壞類型總結(jié)如下：

（1）類型一。 在震前一段時間日變規(guī)律較為明顯， 曲線整體趨勢處于加載上升狀態(tài)或相持狀態(tài)， 在地震前一兩天日變動態(tài)改變， 12 點至18 點的數(shù)據(jù)沒有下落， 而處于同步上升情況， 或是下落程度比前一段時間明顯要低（圖4、 5）。

（2）類型二。 在震前一段時間日變規(guī)律較為明顯， 曲線在震前一天處于急速卸載狀態(tài)（圖6）。

圖4 莆田砂層?xùn)|西分量在2013年8月3日福建仙游ML 4.2 級地震前后的觀測曲線Fig.4 The observation curve of east-west component of sand strain in Putian before and after Fujian Xianyou ML 4.2 earthquake in August 3rd,2013

圖5 莆田砂層?xùn)|西分量在2013年6月28日臺灣花蓮海域MS 5.8 級地震前后的觀測曲線Fig.5 The observation curve of east-west component of sand strain in Putian before and after Taiwan Hualian area MS 5.8 earthquake in June 28th, 2013

圖6 砂層?xùn)|西分量在2012年2月26日臺灣屏東MS 6.0 級地震前后的觀測曲線Fig 6 The observation curve of east-west component of sand strain in pution before and after Taiwan Pingdong MS 6.0 earthquakein February 26th, 2012

據(jù)此挑選了2009年5月至2014年6月的全國7 級以上（注： 6 級以上多在西北部， 對應(yīng)莆田砂層?xùn)|西向的影響并不是很明顯）、 福建地區(qū)3.5級以上、 臺灣地區(qū)5 級以上地震， 同時觀測曲線在地震前一段時間日變規(guī)律較為明顯的觀測曲線進(jìn)行對比分析（表1）。

1.4 震例統(tǒng)計分析

通過上述研究發(fā)現(xiàn)， 莆田砂層?xùn)|西分量對應(yīng)全國大震和福建及鄰近地區(qū)的地震具有一定的短臨前兆反應(yīng)， 即在加載或相持階段，日變動態(tài)畸變， 規(guī)律破壞一至兩天后， 往往對應(yīng)發(fā)生全國7級以上（映震率100%）、 福建地區(qū)3.5 級以上（映震率71%）和臺灣地區(qū)5 級以上（映震率30%）地震。根據(jù)分析統(tǒng)計結(jié)果， 砂層應(yīng)變東西分量的這種映震效果與地震震級和震中距與砂層臺的距離有一定的關(guān)系， 如全國7 級以上地震， 對于較遠(yuǎn)的新疆于田， 其實際間隔就比較多一點， 同時對福建地區(qū)3.5 級以上地震的映震效果相對比較好， 而臺灣地區(qū)5 級以上的地震大多位于臺灣東部沿海及海域， 其映震率就相對較低。

表1 2009年5月至2014年6月莆田砂層應(yīng)變東西分量震前異常統(tǒng)計表Table 1 The anomaly statistics of east-west component of sand strain before earthquakes in Putian from May 2009 to June 2014

2 結(jié)語

通過整理分析莆田北高臺砂層應(yīng)變東西分量的觀測數(shù)據(jù)， 并根據(jù)該臺站自觀測以來的所統(tǒng)計到的地震進(jìn)行前兆異常分析， 我們得到以下幾點認(rèn)識：

（1）該分量觀測數(shù)據(jù)有多次震前日變動態(tài)畸變， 規(guī)律破壞的情況， 特別是對于全國7 級以上和福建地區(qū)3.5 級以上地震的映震效果較好。

（2）對于相同的曲線變化對應(yīng)地震三要素卻沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律， 需要建立數(shù)學(xué)模型算法對觀測曲線進(jìn)行深入研究。

（3）在其他震前無明顯的前兆異常的地震大多處于觀測曲線日變規(guī)律不明顯或混亂， 出現(xiàn)該狀況可能是由于其他方向應(yīng)力的疊加引起， 或是由于人為干擾引起， 有待進(jìn)一步計算和排除；

（4）同時在日常觀測中同樣也發(fā)現(xiàn)， 其他臺站日變規(guī)律較好的東西分量在某些鄰近地區(qū)較大的地震震前也有同樣的變化， 這些需要以后進(jìn)一步的積累和總結(jié)。

[1] 孫 威， 孫曉明．印度洋8.7 級與8.5 級地震的物理前兆[J]. 中國工程科學(xué)， 2008 ， 10（2）： 14-25.

[2] 蔡佩蕊， 沈勇， 陳 偉， 等.基于Oracle 的全國砂層應(yīng)變數(shù)據(jù)中心設(shè)計及應(yīng)用[J]. 華南地震， 2012， 32（4）：88-95.

[3] 李毅偉．基于Matlab 的砂層應(yīng)力分析軟件系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J]. 華南地震， 2011， 31（4）： 123-129.

[4] 牛安福．地傾斜變化的突變性與地震關(guān)系的研究[J]． 地震學(xué)報， 2003， 25 (4)： 441-445．