小陶地震臺鉆孔體應變儀觀測質(zhì)量與映震能力分析

全建軍 ， 賴見深 ， 陳珊樺 ， 鄭永通 ， 陳美梅 ， 林慧卿

（1.福建省地震局永安地震臺， 福建 永安 366000； 2.福建省地震局東山地震臺， 福建 邵武 354000；3.福建省地震局泉州地震臺， 福建 泉州 364000； 4.福建省地震局龍巖地震臺， 福建 龍巖 363000）

0 引言

地震是地殼長時間構造運動的生成物， 當?shù)卣鹪杏l(fā)展時， 地殼發(fā)生變形是最直接、 最密切的伴隨現(xiàn)象， 大地出現(xiàn)變形是構造運動在地表的反應。 由于地震波的刺激， 地震發(fā)生過程中， 在觀測點通過數(shù)字化前兆形變監(jiān)測儀器， 能觀測到傾斜、 應變及應力變化情況， 這就是形變波， 用以區(qū)分地震波[1]。 地震引起的共震形變波包含地震孕育以及發(fā)動過程中的多數(shù)信息， 利用這些同震信息能估算部分地震參數(shù)值， 通過共震形變波物理方面的深入研究， 能更好的了解短臨地震前兆的動力學特點。

數(shù)字化體應變前兆觀測使同震形變記錄成為可能， 小陶臺采用的是TJ-Ⅱ型鉆孔體應變儀， 該儀器被用來監(jiān)測地殼應變信息以及探索地球物理學與地球動力學。 鉆孔體應變儀一般固定在深井中， 其通過專用的水泥當做耦合材料， 具備很好的運行平穩(wěn)性以及監(jiān)測準確性[2]。 它可以清楚地觀測到固體潮汐改變， 也可觀測到地震發(fā)生過程中地殼出現(xiàn)的形變， 尤其適用于監(jiān)測固體潮汐以及地殼形變的持續(xù)改變， 可為研究地震發(fā)展過程中地殼形變改變方式收集資料， 也可為研究地球彈性變化給予關鍵參數(shù)依據(jù)[3]。 利用TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀對地球內(nèi)部的形變變化實施高精準監(jiān)測， 進而了解地殼前兆形變的長、 中、 短期、 臨震與震后改變的時空排列和調(diào)整過程， 可為研究地震學與地區(qū)防災項目的開展給予基礎性分析資料。

在地震前兆異常探索尚未成熟的今天， 前兆觀測設備同震與映震能力的探索已得到眾多科研人員重視。 如陸明勇、 呂品姬、 關華、 焦成麗等[4-7]， 均對形變監(jiān)測設備的映震強弱做了深度分析， 特別是北京殼力研究所匯編的《應變儀同震變化研究分析報告》， 它組織全國鉆孔應變觀測站點， 對形變設備同震與映震強弱進行較完整的歸納和比較分析， 取得了顯著效果。 本文對小陶臺鉆孔體應變儀自投入運行以來的觀測資料進行研究； 統(tǒng)計分析所記錄的地震， 總結出同震形變波形特征； 并通過震級與震中距關系、 最大震幅與震級關系兩方面的研究， 量化評估小陶臺鉆孔體應變儀的映震能力， 可為形變臺站場地監(jiān)測效能以及儀器布設密度提供依據(jù)。

1 井孔概況及儀器安裝

1.1 井孔概況

小陶臺鉆井孔臺址位于永安市小陶鎮(zhèn)第二中學內(nèi)， 117.131°E， 25.729°N， 高程： 65 m， 東邊是新華夏系政和—海豐斷裂帶， 西邊是邵武—河源斷裂帶， 南北向各是NW 方向的弱一等斷裂：永安—晉江以及九龍江斷裂所控制（圖1）。 井孔所處地表為第四系土層所覆蓋， 厚度約10 m， 表現(xiàn)為軟塑—可塑狀態(tài)。 第四系覆蓋層下分布地層主要巖性為花崗巖， 風化較弱， 巖石強度大、 結構致密、 巖石顆粒硬度大， 局部巖石硅化富含石英，具備強研磨性， 最高研磨性能達10 級。 鉆井頂層巖土的能鉆程度是Ⅰ至Ⅵ度， 下層能鉆程度是Ⅸ至Ⅺ度。 小陶鉆孔體應變觀測井處在小陶中學西邊10～12 m， 觀測井南邊200 m 位置有一小溪流過， 該溪流速緩慢且水位常年較低， 即使降雨頻繁的4 至6 月， 也未看到溪流給小陶臺形變監(jiān)測帶來影響。

圖1 福建小陶臺鉆孔體應變所處地質(zhì)斷層分布圖Fig.1 Geological fault distribution of the borehole body strain at Xiaotao Station

2 鉆孔體應變儀觀測資料質(zhì)量分析

地震前兆觀測中， 判斷觀測資料質(zhì)量的關鍵依據(jù)主要有三點， 分別是完整性、 穩(wěn)定性以及可靠性。 只有前兆資料達到相關監(jiān)測規(guī)范標準后，該資料才具有真正的使用意義， 才可用來判斷前兆資料的日常動態(tài)變化， 才可正確反映前兆監(jiān)測點的受力狀態(tài)。 因此， 對小陶臺鉆孔體應變儀前兆數(shù)據(jù)的完整性、 穩(wěn)定性及可靠性進行分析， 非常有必要。

2.1 資料完整性分析

小陶地震臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀正式運行后，日觀測曲線平滑無頓挫， 正式觀測的15 d 時間里，未出現(xiàn)開閥情況。 觀測儀器所監(jiān)測的固體潮變化完整清晰， 日變化觀測曲線所包含的噪聲較小，每日的周期改變性較顯著， 具備較好的規(guī)律特點，與理論固體潮表現(xiàn)形式擁有較高的同步性 （見圖2）。 通過 （1）式， 對小陶臺鉆孔體應變儀 2016 年 1月至2020 年5 月觀測資料的完整率進行統(tǒng)計計算， 其數(shù)據(jù)完整率達99.95%。

2.2 資料穩(wěn)定性分析

通過觀測數(shù)據(jù)的年變幅度與年零漂兩個指標，可以對觀測儀器的穩(wěn)定性進行檢測。 由于鉆孔體應變儀的傳感探頭埋深較深， 而且加入的膨脹水泥已和井中的基巖耦合成一塊。 所以從理論上分析， 儀器探頭不會因地表溫度改變而影響到年變形態(tài)， 正常年變幅度會位于一個波動較小且較穩(wěn)定的范圍之內(nèi)[8]。 日常觀測中， 判斷監(jiān)測設備和墩基是否具有較高穩(wěn)定性， 一般是利用數(shù)據(jù)的年度零漂值， 如果觀測設備的年度漂移較低， 墩基通常比較穩(wěn)固， 而且具有較好的耦合性[9]， 觀測到的前兆資料準確性也較高。 圖3 是小陶臺鉆孔體應變儀2016 年1 月至9 月的整點值變化曲線圖， 從圖3 可以看出小陶臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀觀測值月潮汐形態(tài)清晰， 一階差分去除趨勢變化后， 大小潮清晰明顯， 月變幅在100E-9以內(nèi)， 趨于穩(wěn)定。

圖2 福建小陶臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀與固體潮理論值對比曲線圖Fig.2 Comparison curve between theoretical values of TJ- II borehole body strain gauge and solid tide at Xiaotao station

圖3 福建小陶臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀月整點值（a）及一階差分曲線圖（b）Fig.3 Monthly point value（a）and the first-order difference curve（b）of TJ-Ⅱ borehole body strain gauge at Xiaotao Station

2.3 觀測資料可靠性分析

對固體潮汐形變進行分析、 檢測觀測儀器與觀測資料的內(nèi)在精度， 通常使用Venedikov 調(diào)和分析法[10]。 本文使用 Venedikov 調(diào)和分析法， 對小陶臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀 2016 年1 月至 2020 年 5 月的觀測資料進行逐年分析， 并通過分析結果來追蹤潮汐參數(shù)伴隨時間的改變。 表1 列出了2016—2020 年按照年序列的潮汐參數(shù)， 可以看出小陶臺觀測資料滿足形變學科提出的 α≥2.0 和 δα/α≤0.05 的內(nèi)在精準度指標。

3 地震波記錄及同震變化分析

地殼在長期構造運動中發(fā)生形變， 不斷累積應力， 當應力超過巖石承受極限時， 發(fā)生斷裂，并產(chǎn)生錯動， 應力迅速釋放形成構造地震。 因此，構造應力與斷層滑動互成因果， 前者的超限促進后者加速， 后者反過來釋放前者， 使地殼巖層受力重新達到平衡穩(wěn)定。 TJ-Ⅱ型鉆孔體應變儀不僅具有較好高頻特性與耐振動性， 而且能將動態(tài)消息真實記錄下， 它可以較好地感應到應力觸發(fā)時產(chǎn)生的應變波動。 用鉆孔體應變儀進行地殼形變動態(tài)記錄時， 其具有較強的地震波記錄能力， 相當于 “速度型” 無擺地震計[11]。 邱澤華等指出， 構造地震發(fā)生時， 有可能使一些在 “應力影” 區(qū)域內(nèi)的斷層釋放應力后更趨于穩(wěn)定， 也可能因 “應力觸發(fā)” 作用造成另一些斷層上的應力增大， 進而產(chǎn)生滑動。 因此， 近震體波傳播會引起這些斷層上測點的形變儀器瞬間振動[12]， 在曲線上表現(xiàn)為直接上升、 下降或突跳， 稱為階躍； 而遠距離地震面波傳到測點時， 如果頻率與鉆孔體應變儀的自振頻率相同則會引起共振， 就能記錄到脈沖或地震震蕩波形態(tài)的信號。

表1 小陶臺鉆孔體應變儀觀測資料調(diào)和分析逐年統(tǒng)計表Table 1 Yearly statistics of harmonic analysis of borehole body strain data at Xiaotao Station

3.1 地震波記錄情況

小陶地震臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀自運行以來，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)及儀器地震波形圖上， 可看出映震能力較強， 多次記錄下強遠震發(fā)生時的明顯同震響應過程， 具有顯著振幅效應以及豐富的應變頻率，它能很好地反映出每個大地震發(fā)生時導致的地下應變變化過程。

本文統(tǒng)計 2016 年 1 月 1 日至 2020 年 5 月 31日， 全球共發(fā)生7 級以上地震53 次， 主要分布在環(huán)太平洋板塊及板塊交界地區(qū)； 全國發(fā)生6 級以上地震22 次， 主要分布在青藏塊體、 新疆和臺灣地區(qū)； 華南地區(qū)未記錄到5 級以上地震； 臺灣地區(qū)發(fā)生5 級以上地震37 次。 震時小陶鉆孔體應變儀共記錄到271 次全球強震同震響應， 其中臺灣發(fā)生的37 次5.0 級以上地震全部記錄到； 對全球出現(xiàn)的7 級以上強震均能清楚地記錄下地震波整個過程， 且地震波波形振幅較大， 波形較完整；對全國出現(xiàn)的6 級以上地震波也具有很好記錄效果， 顯示出較強的地震響應能力。

3.2 同震變化分析

地震分析預報時， 僅研究地震前的細微變化還不行， 首先應熟悉地震發(fā)生的本質(zhì)， 尤其是地震同震響應， 這是探索地震本質(zhì)的最關鍵數(shù)據(jù)[13]。小陶臺鉆孔體應變儀記錄到的同震響應形態(tài)以脈沖波、 地震震蕩波為主， 同時同震記錄的各種地震波也十分豐富、 時間持久、 形態(tài)完整。 當最大振幅到達后， 后續(xù)應變振幅隨時間推移而出現(xiàn)有規(guī)律衰減， 但各個地震的振幅存在不同， 部分呈現(xiàn)的是日變幅度的多倍， 也有部分被干擾覆蓋而未呈現(xiàn)。 有些地震同震波形表現(xiàn)為單純的壓性或張性， 還有的表現(xiàn)為對稱性， 這與地震發(fā)生地點有一定關系。 同震響應振幅的大小不僅和地震震級大小有關， 還與震中距緊密聯(lián)系。 通常情況下，地震震級較大、 震中距較近， 那么同震振幅就比較大， 反之就越?。?但在震級相同情況下， 振幅與距離的關系還受其他因素影響。

2016 年 02 月 06 日臺灣高雄市（北緯 22.94°， 東經(jīng) 120.54°， 震中距 465 km）發(fā)生了 6.7 級地震，小陶鉆孔體應變儀清晰地記錄到該震的地震波（圖4a）， 地震發(fā)生時刻 03 時 57 分， 地震波到達時刻04 時00 分， 高雄地震距離較近， 以快速變化為主， 變化形態(tài)為突降型， 下降幅度為 179.5×10-9；2017 年 9 月 8 日墨西哥 （北緯 15.05°， 西經(jīng) 93.90°，震中距14 388 km）發(fā)生了8.2 級地震， 同樣小陶鉆孔體應變儀也清晰記錄到該震的地震波（圖4b），地震發(fā)生時刻12 時49 分， 地震波到達時刻13 時08 分， 墨西哥地震較遠， 變化形態(tài)為震蕩型， 地震波最大振幅為 58.8×10-9， 振蕩持續(xù)時間 134 min。

邱澤華等曾指出， 觀測點應力情況受震源處斷層錯動及測點構造穩(wěn)定性的共同影響， 也就是如果測點構造較為穩(wěn)定， 那么震源的應力釋放不一定會使測點應力狀態(tài)發(fā)生變化。 小陶臺鉆孔體應變儀同震波僅有兩種形態(tài)： 近震、 小震為脈沖波， 遠震、 強震為地震震蕩波， 沒有其他臺站所觀測到的階躍變化， 這可能因為小陶井鉆孔巖性致密， 無明顯裂隙發(fā)育， 所處的政和-海豐斷裂帶近年構造活動也較為平靜穩(wěn)定， 所以測點地下應力場不易受影響而出現(xiàn)階躍變化。

圖4 小陶鉆孔體應變儀記錄臺灣高雄6.7、墨西哥8.2 級地震的同震效應曲線Fig.4 Coseismic effect curve recorded by Xiaotao body strain gauge during Gaoxiong 6.7 and Mosco 8.2 earthquakes

4 同震響應分析

4.1 方法原理

我們所說的記震能力， 指觀測儀器能夠捕捉到的相同震中距條件下震級響應下限， 或各檔震級中所能記錄到對應的最遠震中距。 從理論上來說， 相同震級， 震中距越小， 臺站觀測儀器能記錄到同震響應概率越大； 而同等距離下， 觀測儀器記錄到同震變化的概率也隨震級的增大而增大。

我們通過分析鉆孔體應變儀的觀測曲線， 整理出同震響應目錄表， 并根據(jù)該目錄表與同期實際地震事件進行對比， 使用震中距（D）和地震震級（MS）繪制出目標臺站震級—震中距的對數(shù)關系圖，設定直線：

可將臺站觀測到的震例與未觀測到的地震事件， 在震級（MS）一震中距關系圖中分隔開， 則可根據(jù)式（1） 推導出不同震級的響應震中距離。

4.2 資料選取原則

小陶臺鉆孔體應變儀正式觀測于2016 年， 至今已積累大量典型震例。 本文統(tǒng)計的地震為2016—2020 年小陶臺鉆孔體應變儀記錄到的地震，地震名稱、 發(fā)震時刻、 震級、 經(jīng)緯度均采用 “中國地震臺網(wǎng)目錄” 提供的參數(shù)。 震級統(tǒng)一采用面波震級MS， 沒有使用面波震級MS的， 則通過下式進行相應轉換：

首先， 統(tǒng)一將國家臺網(wǎng)速報目錄中的發(fā)震時間轉換為北京時間（+8）， 經(jīng)緯度也按正負表示（東經(jīng)、 北緯為正， 西經(jīng)、 南緯為負）， 震級使用 MS，統(tǒng)計國外 MS≥6 級； 國內(nèi) MS≥5 級； 福建省內(nèi)四級以上的地震， 總計582 次地震， 其中有同震反映的271 次， 占總數(shù)的46.56%。

其次， 利用地心余緯度公式， 計算各個地震事件到小陶臺（25.73°N， 117.13°E）的距離， 計算結果如表2：

式（4）中， Δ 為臺站震中距， λe為震中經(jīng)度， λs為臺站經(jīng)度， Φe為震中地心余緯度， Φs為臺站地心余緯度。 地心余緯度為

式（5）中， ψ 是地球中心緯度， 同地理緯度 φ 之間關系如下：

式（6）中， f 是地球的扁平率， 其 f=1/298.25≈0.003，如果忽略不計， 則 ψ=Φ， 即可將 ψ 近似看成 Φ"，于是

式（7）、（8）中， Φe為震中地理緯度， Φs為臺站地理緯度， 則

表2 小陶臺鉆孔體應變儀地震記錄表Table 2 Earthquake catalog recorded by borehole body strain gauge at Xiaotao Station

若臺站震中距Δ 用長度D 可表示為

式（10）中， R 是地球平均半徑（6371 km）， Δ 是震中距圓心角（弧度）。

4.3 記震能力線

形變觀測儀器對地震記震能力大小， 一般通過震級和震中距相關性來表示。 以同震變化的震中距對數(shù)lgD（以10 為底）為橫坐標， 以地震MS震級為縱坐標， 繪制小陶臺鉆孔體應變儀記震能力圖。由圖5 可見， 有同震響應記錄（黑色實心圓點）與沒有同震響應記錄（黑色實心三角）的地震分布顯示在圖中， 在分布圖中可直觀以一條直線分割圓點集中區(qū)與三角集中區(qū)。 直線上部分布基本為圓點， 即有同震響應記錄點， 直線下部則基本為三角， 即無同震響應記錄點， 其中震級5～6 級的響應地震分布震中距對數(shù) 2.70～3.11 （501～1288 km）范圍內(nèi)， 震級6～7 級的響應地震分布震中距對數(shù)3.09～3.63（1230～4265 km）范圍內(nèi)。

該直線即為小陶臺鉆孔體應變儀記震能力線，在直線上任取兩點， 代入直線方程：

式（11）中， lgD1是首點橫向坐標（即震中距對數(shù)），M1是首點縱向坐標 （即震級）， lgD2是次點橫向坐標（即震中距對數(shù)）， M2是次點縱向坐標（ 震級），可推導出小陶臺鉆孔體應變儀映震能力數(shù)學表達式為：

式（12）中 MS為震級， D 為震中距離。

由式（12）計算出小陶臺鉆孔體應變儀地震響應范圍為： 震級 5.5 級、 震中距 480 km； 震級 6級、 震中距 984 km； 震級 7.0 級、 震中距 4130 km； 震級 7.5 級、 震中距 8472 km； 由于地球半徑為6371 km， 所以7.5 級以上地震， 小陶臺鉆孔體應變儀基本就有映震反映， 該結果與圖5 顯示相符。

4.4 最大振幅和震級相關性

如果地震出現(xiàn)在相同位置， 我們可把它們的震中距當成一樣， 分析最大振幅和震級二者之間的相關性。 本文選取2016 至2020 年日本發(fā)生的近海地震， 挑選了發(fā)震時刻、 同震波形清晰明顯的地震， 除去外界影響較嚴重部分的觀測資料，從而實現(xiàn)最大振幅的選取。 我們選擇原則是震中距相似而震級各異， 將MS震級設成橫向坐標， 將最大振幅設成縱向坐標， 擬合出小陶臺鉆孔體應變儀最大振幅與震級關系圖（圖6）。

圖5 小陶臺鉆孔體應變儀記震能力線示意圖Fig.5 Schematic diagram of seismic recording capacity line of borehole body strain gauge at Xiaotao Station

圖6 小陶臺鉆孔體應變儀震級與最大振幅關系圖Fig.6 The relationship between the magnitude and the maximum amplitude of borehole body strain gauge at Xiaotao Station

本文最大振幅與震級相關性分析采用的最大地震是6.7 級， 由圖6 能發(fā)現(xiàn)， 統(tǒng)計資料大部分位于同一曲線附近。 如果地震超過6 級， 那么最高振幅將伴隨地震震級增大而變大， 與指數(shù)關系相契合。 日本2016 年4 月16 日的7.3 級地震最大振幅為143×l0-9， 因震級和振幅太大， 本次統(tǒng)計予以舍棄。

鉆孔體應變儀記錄的地震震級同最大振幅基本呈冪指數(shù)相關性， 伴隨地震震級增大， 最大振幅增長速率也提升。 從圖6 可看出， 即使人工剔除偏差較大的地震， 可部分點依然非常離散， 從而得知震中距與最高振幅之間， 并非全部是反例關系。 通過相關分析可知， 形變觀測儀器記錄的最高振幅， 并非是地震波表現(xiàn)的最高振幅值。 由于鉆孔體應變儀采樣率不高， 為分鐘值采樣， 導致最高振幅會出現(xiàn)遺漏， 還有可能因為周期辨別不準或者錯誤， 導致地震最高振幅的記錄出現(xiàn)較大偏離。

5 結論

（1）小陶臺鉆孔應變儀觀測資料具有較高連續(xù)性與穩(wěn)定性。 在日常觀測中， 可記錄到清晰、 完整的固體潮曲線， 并且潮汐因子 “內(nèi)精度” 指標遠超過形變臺網(wǎng)規(guī)范要求， 可為預報分析、 研究所用。

（2）小陶臺鉆孔體應變儀記錄到的同震響應形態(tài)主要有兩類： 脈沖波、 地震波。 距離較遠的大震面波發(fā)育， P 波也會存在部分記錄， 波形特點大部分顯示為： 曲線上下震動變化， 后期振幅慢慢變小并逐漸恢復至正常日變。 據(jù)有關科技文獻記載， 鉆孔體應變儀可采集到同震響應與震后曲線發(fā)生的階躍變化， 但小陶臺至今尚未采集到曲線出現(xiàn)階躍的數(shù)據(jù)， 說明該測點構造較為穩(wěn)定， 不易受到震源應力釋放的影響。

（3）小陶臺鉆孔體應變儀觀測時間長， 積累震例多， 大震響應率為46.56%， 地震響應范圍為： 震級 5.5 級、 震中距 480 km； 震級 6 級、 震中距 984 km； 震級 7.0 級、 震中距 4130 km； 震級 7.5 級、震中距8472 km； 由于地球半徑為6371 km， 所以7.5 級以上地震基本都有映震反映。

（4）鉆孔體應變儀對同震應變信息的捕捉能力與響應形態(tài)較好， 干擾信息對其影響較小， 僅與地震震級、 震中距直接相關， 記震能力線與其他方法相比， 不僅能直觀反映測點構造情況， 也可量化顯示鉆孔體應變儀的映震能力。