沈陽(yáng)法庫(kù)地震臺(tái)體應(yīng)變映震能力分析

逯紹鋒，石盛昌，程文海，翟麗娜，李彤霞（.沈陽(yáng)市地震局，遼寧 沈陽(yáng) 000；.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 0034）

沈陽(yáng)法庫(kù)地震臺(tái)體應(yīng)變映震能力分析

逯紹鋒1，石盛昌1，程文海1，翟麗娜2，李彤霞2
（1.沈陽(yáng)市地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110001；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)市法庫(kù)地震臺(tái)體應(yīng)變同震波形的分析發(fā)現(xiàn)，法庫(kù)體應(yīng)變儀器的映震能力較強(qiáng)，特別是對(duì)全球MS7.0級(jí)以上的地震映震能力較強(qiáng)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，映震的地震震級(jí)、震中距和同震振幅之間存在著一定程度上的正反比關(guān)系，而且記錄到最小地震為MS3.9，并對(duì)原有的表達(dá)同震振幅、地震震級(jí)及震中距的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚?jì)算。

法庫(kù)地震臺(tái)；體應(yīng)變；映震能力

0 引言

地殼形變是地震孕育發(fā)生過(guò)程中最直接的伴隨現(xiàn)象[1]。為區(qū)別于地震波，把受地震波激發(fā)，借助數(shù)字化形變前兆臺(tái)網(wǎng)可觀測(cè)到地震時(shí)傾斜、應(yīng)變和重力的波動(dòng)現(xiàn)象，稱為同震形變波或震時(shí)形變波。這種同震波主要記錄的是應(yīng)力的瞬間波動(dòng)，持續(xù)時(shí)間和震中距相關(guān)，由于采樣是分鐘采樣，因此主要反映的是遠(yuǎn)場(chǎng)面波[2-3]。

在當(dāng)前地震預(yù)報(bào)水平下，對(duì)同震波形的研究顯得尤為重要，不僅可以為識(shí)別地震短臨前兆提供重要的方法途徑，而且對(duì)我們研究地震本身提供了重要的資料積累，加深對(duì)地震特性的認(rèn)識(shí)，于慶民等[4]（2014）對(duì)處于郯廬斷裂帶中南段的泰安臺(tái)的形變進(jìn)行了詳細(xì)的分析，因此本文著重對(duì)處于郯廬斷裂帶北段的沈陽(yáng)法庫(kù)地震臺(tái)的體應(yīng)變的映震能力進(jìn)行分析。

1 臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境及體應(yīng)變觀測(cè)

沈陽(yáng)地處郯廬斷裂帶北段，中朝地臺(tái)東北部，法庫(kù)地震臺(tái)位于沈陽(yáng)市法庫(kù)縣城西北角的二龍山東坡北側(cè)，海拔40m，系醫(yī)巫閭山支脈，地質(zhì)構(gòu)造主要是第四系地層，遼河沖積平原，康平斷裂沿北東走向分布。鉆孔應(yīng)變觀測(cè)，作為小尺度地形變觀測(cè)中重要的一種，在短臨前兆觀測(cè)中起著重要的作用[5]。因此，沈陽(yáng)市地震局自2010年起，在轄區(qū)內(nèi)陸續(xù)安裝了4臺(tái)套體應(yīng)變觀測(cè)儀器，本文主要對(duì)最早安裝的沈陽(yáng)法庫(kù)地震臺(tái)體應(yīng)變儀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。法庫(kù)TJ-II型鉆孔體應(yīng)變儀器于2010年5月安裝，安裝觀測(cè)井深69m，探頭底部實(shí)際埋深為63.5m，開(kāi)口孔徑219mm，終孔直徑150mm，水深15m，終孔巖石為凝灰角礫巖，儀器為分鐘采樣，靈敏度為10-9ε/1mv，整點(diǎn)值均可記錄到完整的固體潮，分鐘值可以清晰地記錄到地震應(yīng)變波、遠(yuǎn)震的面波和近震的高頻地震波等。運(yùn)行至今相對(duì)誤差小于0.05%，潮汐因子小于2，達(dá)到形變規(guī)范所要求α≥2.0、δα/α≤0.05的內(nèi)精度指標(biāo)要求。

2 沈陽(yáng)法庫(kù)臺(tái)體應(yīng)變映震能力統(tǒng)計(jì)分析

選取2012年至2015年法庫(kù)體應(yīng)變記錄到的所有地震，地震目錄均采用“中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)目錄”提供的參數(shù)，震級(jí)統(tǒng)一采用面波震級(jí)MS，對(duì)于ML和Mb震級(jí)，按有關(guān)文獻(xiàn)公式進(jìn)行了轉(zhuǎn)換。震中距的計(jì)算采用地心緯度法[6]。

本文主要是通過(guò)對(duì)記錄到的形變同震波形的初動(dòng)時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、到時(shí)差、同震波持續(xù)周期、最大振幅、階變幅度、初動(dòng)方向、震中距的統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際震例的發(fā)震時(shí)刻、震級(jí)，尋求諸多要素之間存在的關(guān)系。

2.1 震級(jí)和震中距關(guān)系

通過(guò)對(duì)資料2012年1月1日至2015年12月31日統(tǒng)計(jì)，繪制震級(jí)MS和震中距Δ之間散點(diǎn)關(guān)系圖（圖1），以震中距Δ為橫坐標(biāo)，震級(jí)MS為縱坐標(biāo)。

圖1 震級(jí)MS和震中距Δ散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.1 Scatter diagram of magnitude MSwith epicenter distance Δ

蘇愷之[5]（2004）在計(jì)算振幅因子異常時(shí)使用如下的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)公式：

其中Δ為不同震級(jí)的反應(yīng)半徑，單位km，M為面波震級(jí)。從上圖可以看出，這條經(jīng)驗(yàn)性公式偏離的太多，無(wú)法繼續(xù)使用。

為了更直觀的分析震級(jí)和震中距數(shù)據(jù)間的關(guān)系，我們對(duì)橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)（以e為低）再次繪制兩者關(guān)系散點(diǎn)圖如圖2所示：

圖2 震級(jí)MS和震中距Δ對(duì)數(shù)值散點(diǎn)關(guān)系圖Fig.2 Numerical scatter diagram of magnitude MSwith epicenter distance Δ

首先，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，2012年1月1日—2015年12月31日，全球發(fā)生7級(jí)以上地震76次，除2014年6月29日15:52:54.6在南桑威奇群島地區(qū)發(fā)生的MS7.2級(jí)地震（震中距17535km）外，法庫(kù)TJ-2型體積式鉆孔應(yīng)變儀均有記錄到同震形變波形，占比達(dá)98.7%。

記錄到的最遠(yuǎn)的地震是2013年11月25日14:27:10.9發(fā)生在南大西洋的MS7.2級(jí)地震,震中距為18733km。記錄到的最小同震反應(yīng)地震是2013年1月21日16:10發(fā)生在內(nèi)蒙古科爾沁左翼后旗的MS3.9級(jí)地震（最大振幅約2.6×10-9），同時(shí)也是震中距最近的一個(gè)有同震形變波形的地震。

其次，我們?cè)陉P(guān)系圖中分別選取穿越不超過(guò)三個(gè)震例點(diǎn)的兩條直線，可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有記錄到的地震均位于這兩條直線所夾區(qū)域內(nèi)。

這里我們采用兩種方法：

第一、自坐標(biāo)原點(diǎn)，取下方區(qū)域一點(diǎn)做一條直線，在第一象限逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至劃過(guò)所有地震震例，求出該角度。那么這個(gè)扇形區(qū)域就是所有形變同震波形所在區(qū)域。第二、散點(diǎn)中分別在點(diǎn)集中的上下取一直線，那么他們之間所夾區(qū)域就是所有形變同震波形所在區(qū)域。上部選取點(diǎn)A1（5.5，5.6）、A2（7.21，7.5），下部選取點(diǎn)B1（7.88，5）、B2（9.84，6.1），分別帶入直線方程：

則有上部直線La: M= 1.11lnΔ-0.51；下部直線Lb: M= 0.56lnΔ+0.58。

更寬泛些來(lái)看，可以用下部直線Lb向上平移后的直線Lc來(lái)代替La。Lc直線方程使用點(diǎn)A2（7.21，7.5）與Lb方程，通過(guò)平移后求出平行直線Lc：M= 0.56lnΔ+3.46，這時(shí)可以看出，所有形變同震點(diǎn)均處于直線Lb和它向上平移2.88后構(gòu)成的直線Lc所夾的平行區(qū)域內(nèi)（圖3）。

圖3 形變同震波位置區(qū)域圖Fig.3 Location area map of body strain with coseismic

2.2 震中距和振幅之間的關(guān)系

蘇愷之[5]（2004）對(duì)于體波、面波應(yīng)變地震波的振幅ε與地震震級(jí)M及震中距Δ的關(guān)系均給出了一個(gè)參考的經(jīng)驗(yàn)式，其中，對(duì)面波的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

M=lgε+（0.59 ± 0.07）lgΔ+（2.71 ± 0.30） （3）

令Y=M-lgε，X = lgΔ，

則Y =（0.59±0.07）X +（2.71±0.30）。

本文先取部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)該經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行檢驗(yàn)。

選取震級(jí)為MS7即M值為7的部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制經(jīng)驗(yàn)式和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)系圖，如圖4所示：

圖4 面波振幅ε、震級(jí)M及震中距Δ的經(jīng)驗(yàn)式及修正式Fig.4 Empirical formula and revised formula of surface wave amplitude ε, magnitude M and epicentral distance M

從上圖可以看出，經(jīng)驗(yàn)式對(duì)于法庫(kù)臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù)存在較大偏差，因此，考慮嘗試對(duì)該經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行修正，以適應(yīng)本地儀器采集的實(shí)際數(shù)據(jù)。

首先，對(duì)經(jīng)驗(yàn)式中的范圍參數(shù)用變量a、b表示，經(jīng)驗(yàn)式變?yōu)椋篗=lgε+algΔ+b；其次，選取部分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)該經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)求解出經(jīng)驗(yàn)修正式。如上圖中y=1.5998x+0.3019,即M=lgε+1.5998lgΔ+0.3019，就是適合本地儀器的震級(jí)為MS7.0經(jīng)驗(yàn)修正式。

另外，為了分析震中距和振幅之間的關(guān)系，本文選取設(shè)定震級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制兩個(gè)量之間的關(guān)系圖，如下圖5（a）設(shè)定震級(jí)為MS7.0（2012—2015年共13個(gè)7級(jí)地震），圖5（b）設(shè)定震級(jí)為MS6.0（2012—2015年共18個(gè)6級(jí)地震），盡管由于數(shù)據(jù)采樣率不高，存在丟失數(shù)據(jù)的可能，再加上數(shù)據(jù)選取可能存在的誤差等因素影響，關(guān)系圖中部分點(diǎn)比較離散，但從震中距和振幅之間關(guān)系圖仍可以看出，震中距和振幅之間大致成反比關(guān)系，基本趨勢(shì)呈現(xiàn)冪指曲線特征。

圖5 震中距Δ和振幅A關(guān)系圖（a,地震震級(jí)MS7.0; b,地震震級(jí)MS6.0）Fig.5 Relationship diagram of earthquake epicentral distance Δ with the amplitude A

2.3 震級(jí)和振幅關(guān)系

通過(guò)對(duì)資料2012年1月1日至2015年12月31日統(tǒng)計(jì)，繪制震級(jí)MS和振幅A之間散點(diǎn)關(guān)系圖（圖6），以振幅A取對(duì)數(shù)（以e為底）后作為橫坐標(biāo)，震級(jí)MS為縱坐標(biāo)。

圖6 震級(jí)M和振幅A對(duì)數(shù)值關(guān)系圖Fig.6 Numerical relationship diagram of magnitude M with amplitude A

我們?cè)陉P(guān)系圖下部選取穿越不超過(guò)三個(gè)震例點(diǎn)的一條直線，可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有記錄到的地震均位于這條直線上方區(qū)域。然后將該直線向上平移后，所有形變同震點(diǎn)均處于直線L1和它向上平移3.038后構(gòu)成的直線L2所夾的平行區(qū)域內(nèi)。

選取直線上兩個(gè)點(diǎn)（2.6，5.3）、（1.59，4.7）求出該直線方程：

上部直線可選取穿越點(diǎn)（0.18，6.9）和直線L1方程,求出平移3.038后的方程：

分析上圖也可看出，每一級(jí)別地震在該體應(yīng)變上可以體現(xiàn)出來(lái)的最大振幅大致都小于該直線與相應(yīng)震級(jí)對(duì)應(yīng)的橫軸平行線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；同時(shí)，可看出在震級(jí)達(dá)到一定級(jí)別（MS8.0）后，體應(yīng)變上響應(yīng)到的振幅都要大于某個(gè)值（2.03）。

同樣，我們也從另一個(gè)角度分析震級(jí)和振幅之間的關(guān)系，本文選取一小范圍（比如設(shè)為2000km左右，1900～2100km）震中距內(nèi)的數(shù)據(jù)，以忽略在此范圍內(nèi)的地震的震中距因素，繪制震級(jí)和振幅兩個(gè)量之間的關(guān)系圖如圖7所示：

圖7 震級(jí)M和振幅A關(guān)系圖Fig.7 Relationship diagram of magnitude M with amplitude A

從上圖可以看出，除去存在的數(shù)據(jù)采樣率、數(shù)據(jù)選取等因素外，震級(jí)和振幅之間大致上呈現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)法庫(kù)地震臺(tái)體應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要發(fā)現(xiàn)：（1）該儀器對(duì)全球MS7.0級(jí)以上的地震映震能力強(qiáng)，記錄到最小地震是MS3.9；（2）震級(jí)和震中距、振幅間的關(guān)系基本在一個(gè)平行的范圍內(nèi)，即同震點(diǎn)基本上規(guī)律地集中在關(guān)系圖中的一個(gè)平行區(qū)域內(nèi)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，震級(jí)和振幅間存在大致的正比關(guān)系、震中距和振幅存在大致的反比關(guān)系；（3）對(duì)原有的不適應(yīng)本地儀器的表達(dá)振幅ε與地震震級(jí)M及震中距Δ的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行了修正計(jì)算。

當(dāng)然，本文在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析時(shí)也發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果還受到數(shù)據(jù)采樣率，數(shù)據(jù)選取等誤差因素影響，同時(shí)，我們對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造、斷裂分布及地震波的走向、震源深度等等因素，尚未加以考慮。后續(xù)會(huì)進(jìn)一步考慮震源深度、階躍變化震、前驅(qū)波等情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

[1]張雁濱, 蔣駿, 錢(qián)家棟, 等. 地殼介質(zhì)微形變異常與強(qiáng)震短臨前兆[J]. 地震學(xué)報(bào)，2002, （01）: 103-108.

[2]牛安福, 張晶, 吉平.強(qiáng)地震引起的同震形變響應(yīng)[J].內(nèi)陸地震， 2005，19（1）: 1-7.

[3]牛安福，吉平，高福旺，等. 印尼強(qiáng)地震引起的同震形變波[J]. 地震， 2006， 26（1）: 131-137.

[4]于慶民, 盧雙苓, 郝軍麗, 等. 泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)體應(yīng)變映震能力統(tǒng)計(jì)分析[J]. 山西地震, 2014，158（2）: 1-8.

[5]蘇愷之. 鉆孔地應(yīng)變觀測(cè)新進(jìn)展[M]. 北京: 地震出版社, 2004.

[6]胡克堅(jiān). 震中距計(jì)算方法使用范圍的討論[J]. 地震學(xué)刊, 1987, 1: 31-38.

Analysis on Earthquake-reflecting Capacity of Borehole Strain Meters at Faku Seismic Station

LU Shao-feng1, SHI Sheng-chang1, CHENG Wen-hai1，ZHAI Li-na2, LI Tong-xia2
（1. Earthquake Administration of Shenyang City, Liaoning Shenyang 110001, China; 2. Earthquake Administration of Liaoning Province, Liaoning Shenyang 110034, China）

The results of analysis on the coseismic variation recorded at Faku Seismic Station in Shenyang City show that the borehole body strain has brilliant earthquake-reflecting capacity, especially for M≥7.0 global earthquakes. At the same time, it’ s also found that there is positive-negative ratio relationship among earthquake magnitude, epicentral distance and coseismic variation in a certain degree, and the magnitude of the minimum earthquake recorded is MS3.9. Besides, this thesis also makes appropriate correction calculation on the original experiential formula of the relationship among coseismic variation, earthquake magnitude and epicentral distance.

Faku Seismic Station; borehole body strain; earthquake-reflecting capacity

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.003

1674-8565（2017）02-0015-05

2016-12-15

2017-03-05

逯紹鋒（1982-），男，河南省洛陽(yáng)市人，2009年畢業(yè)于安徽師范大學(xué)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)方面的工作。E-mail：lushaofeng21@163.com