廈門地震臺重力儀同震響應特征分析＊

楊 婕 占 惠 卓 群 黃曉華 林立峰 劉仲達

(1)廈門地震臺,廈門 361003 2)廈門地震勘測研究中心,廈門 361021 3)廈門市地震遙測中心,廈門 361003)

廈門地震臺重力儀同震響應特征分析＊

楊 婕1)占 惠2)卓 群3)黃曉華1)林立峰1)劉仲達3)

(1)廈門地震臺,廈門 361003 2)廈門地震勘測研究中心,廈門 361021 3)廈門市地震遙測中心,廈門 361003)

2007年 9月,印度尼西亞發生 8次強震,廈門地震臺的重力儀都有同震響應。從面波延遲時間、最大變形幅度、同震持續時間 3個方面研究了 8次強震的同震響應特征。

同震響應特征;重力儀;儀器性能;面波;變形幅度

1 引言

廈門地震臺 (以下簡稱廈門臺)為固體潮數字化觀測綜合臺,集重力、傾斜與應變固體潮觀測于一身,觀測手段齊全,資料完整,其中重力儀的映震能力最強[2]。地震引起的同震形變波包括了地震破裂及傳播過程中的大部分信息,并因此可應用這些同震信息對地震震源的一些參數進行估計,更有意義的是通過對同震形變波物理性質的研究,有益于認識短臨前兆的動力特性[3]。我們選取 2007年 9月印度尼西亞發生的 8次強震,從面波延遲時間、最大變形幅度、同震持續時間 3個方面研究了廈門臺重力儀對該組遠震的同震響應特征。

2 觀測條件

廈門位于福建的東南部,廈門島及鄰區地處長樂-詔安斷裂帶中段 (圖 1),主要有北東向、北西向及近東西向 3組斷裂,并且由北東向斷裂控制下發育形成了筼筜港。北西向和北東向兩組斷裂互相切割。北東向有文灶-龍山-五通斷裂 (F1)和狐尾山-鐘宅斷裂(F2),廈門西港斷裂 (F7)等;北西向斷裂有石胄頭-高崎斷裂 (F3)和濠頭塔頭斷裂 (F4)等[4]。

廈門臺所在的廈門島四周環海,南部為中低丘陵地形,制高點云頂巖,海拔 339.6 m。沿南海岸線向西延伸,鴻山是西段制高點,海拔 92.4 m。廈門臺位于鴻山東北麓。臺站位于花崗巖風化山丘上,山脊走向為NNE-SS W,山坡坡度 20～30°。數字化儀器安放在臺站院子內的平洞中,平洞由主巷、支巷和洞室組成,洞內巖石為燕山中期花崗巖,質地堅硬[5]。2001年 6月在洞室(覆蓋層厚 28 m)內安裝DZ W重力儀,觀測精度 10-8ms-2。廈門臺離海岸線直線距離約 620 m,是全國地震臺站中離海岸線最近的臺站,無疑也是受海潮干擾最嚴重的臺站[6]。

圖1 廈門地區主要斷裂分布圖Fig.1 Distribution of faults in Xiamen and its adjacent

3 同震響應特征分析

印度尼西亞蘇門答臘島及其附近海域位于印度板塊和歐亞板塊交匯部位的安達曼弧構造帶上,板塊作用強烈,強震、大震頻發[7]。

據中國地震臺網測定,2007年 9月,印尼蘇門答臘南部海中發生 8次強震(表 1)。

表 1 2007年 9月印尼 8次Ms6.0以上強震基本參數Tab.1 Basic parameters of 8 strong earthquakes(Ms＞6.0)in I ndonesi a i n September 2007

由于數字化觀測的采樣間隔為 1分鐘,受采樣間隔局限,同震形變波主要集中在面波頻段,其主要包括面波延遲時間、最大變形幅度及同震持續時間等[8]。這 8次地震,廈門地震臺的重力儀都記錄到同震形變波(圖 2),同震響應參數見表 2。

圖 2 廈門臺重力儀對印尼 8次強震的響應曲線Fig.2 Response curves of the gravimeter at Xiamen seismostation to 8 strong earthquakes in Indonesia

2007年 9月 12日 19時 10分,印度尼西亞蘇門答臘南部海中發生Ms8.5地震 (圖 2(a))。從廈門臺重力儀觀測曲線 (圖 3)中可以看到,地震發生之前,重力儀的觀測曲線是光滑的,19時 17分,即主震發生后 7分鐘,重力儀分鐘值觀測曲線出現 -42 ×10-8ms-2的突跳,隨后開始震蕩,于 19時 27分達到最小波值 -5 008×10-8ms-2,在最小波值僅停留1分鐘,即大幅度震蕩回升,于19時41分達到最大波值 -3 149×10-8ms-2,這一波值持續了約 2分鐘。20時 10分,曲線震蕩幅度明顯變小,于 22時40分基本恢復光滑,回到地震前的趨勢線上,沒有階躍。同震響應持續時間約 190分鐘,振幅為 1 859 ×10-8ms-2。

表 2 廈門臺重力儀對 2007年 9月印尼 8次強震的同震響應參數Tab.2 Coseis m ic response parameters of gravi meter at Xiamen seismostation to 8 strong earthquakes i n Indonesia in September 2007

圖 3 2007年 9月 12日廈門臺重力儀觀測曲線Fig.3 Observational curve of the gravi meter at Xiamen seis mostation on Sep.12,2007

9月 13日,印度尼西亞蘇門答臘南部海中連續發生 3次地震 (圖 2(b))。07時 49分發生 8.3級地震,07時 57分(主震發生后 8分鐘),重力儀觀測值由 07時 56分的 -3 920×10-8ms-2向下突跳 266 ×10-8ms-2,到達 -4 186×10-8ms-2(圖 2(b)),隨后向上突跳 253×10-8ms-2,在 -3 933×10-8ms-2這個波值保持 2分鐘,再以大幅度震蕩的方式達到最大波值 -2 863×10-8ms-2(08時 06分,持續 1分鐘),隨后下降 2 091×10-8ms-2,于 08時 07分達到最小波值 -4 954×10-8ms-2,09時 30分,曲線震蕩震蕩幅度在 ±30×10-8ms-2內,趨于平穩。

硫酸銅溶液在濃縮結晶槽內完成蒸發、冷卻結晶之后，邊攪拌邊用氣動雙隔膜泵抽取至真空帶式過濾機進料口；硫酸銅晶體在帶式過濾機上過濾、洗滌、吸干［1］，然后通過埋刮板給料運輸機輸送至流化床受料斗，進入干燥包裝工序。實驗數據表明過濾后的硫酸銅含水率在5%～10%，與原過濾器含水5%～9%基本一致，可滿足后段工序流化床干燥設備的工藝要求。

10時 30分,該地點發生 6.6級地震,此時,8.3級地震對重力儀觀測的影響尚未停止,觀測曲線尚未恢復光滑,無法把該次地震的同震形變波與 8.5級地震的同震形變波的影響區分開來,因此無法分析響應特征。

11時 35分,7.5級地震發生后,廈門臺重力儀的同震響應形式仍為脈沖,從觀測曲線 (圖 4)中可以看到,11時 47分,即主震發生后 12分鐘,曲線才出現較大幅度的脈沖形態,從 11時 46分的 -3 705 ×10-8ms-2突跳至 -3 671×10-8ms-2,幅度為 +34 ×10-8ms-2,11時 53分達到最大波值 -3 322× 10-8ms-2后,又以 -1 076×10-8ms-2向下突降的方式達到最小波值 -4 398×10-8ms-2,并停留 1分鐘。再經過 30分鐘的震蕩恢復光滑。

圖 4 2007年 9月 13日廈門臺重力儀觀測曲線Fig.4 Observational curve of the gravimeter at Xiamen seis mostation on Sep.13,2007

由于曲線受此前 2次地震的影響,一直未恢復光滑,因此,不能把 11時 47分判定為 7.5級地震的的同震形變波初動時間,計算出的波幅也不是這次7.5級地震單獨影響的結果,不適合與其他幾次地震的同震波波幅進行數值比較。

9月 14日、9月 19日、9月 20日和 9月 26日,該地區發生 4次地震,廈門臺重力儀的響應特征全部是同震脈沖(圖 2(a～d))。限于篇幅,在此不贅述,僅將響應特征列于表 2。

3.1 面波延遲時間

對于廈門臺重力儀,這 8次地震都發生在印度尼西亞蘇門答臘南部海中,震中距離相同。其中 5次能清晰辨別出初動時刻,廈門臺重力儀記錄到的同震形變波的延遲時間為 7分鐘或者 8分鐘。考慮到數字化觀測的采樣間隔為 1分鐘,可以認為延遲時間是相同的。地震波在巖石中傳播的時間與其傳播距離成正比,延遲時間的長短反映震中距的遠近。

3.2 最大變形幅度

同震響應的波幅可能與震級大小有較強的相關關系,該特征對于分析地震短臨前兆的特點及依據短臨前兆進行地震預測研究是有意義的[5]。從數字觀測資料的異常形態 (表 2)看,廈門臺重力儀對印尼這 8次地震的同震響應都是脈沖形式,6.2級地震的響應幅度明顯比較小,波幅僅有 23×10-8ms-2;6.9級地震的波幅為 169×10-8ms-2,8.5級地震的波幅則達到 1 859×10-8ms-2。震級大的同震形變波的波幅也比較大。

9月 13日的 8.3級地震,同震波幅為 2 090× 10-8ms-2,比 9月 12日 8.5級地震的同震波幅更大,表明這 2次地震雖然發生的時間接近,地點相近,深度也相同,但地震造成的破裂帶長度可能不同,因而釋放能量的方式有所不同,巨大能量隨地震波傳到幾千千米之外的廈門臺時,是有差異的。

3.3 同震持續時間

分辨率高的儀器,能觀測到更微小的變化,因此同震持續時間與觀測儀器的分辨率有關[5]。對于同樣的觀測儀器,震級大的地震釋放出更多的能量,同震持續時間應該更長。同等震級,震中距遠的地震造成的形變應該較小,同震持續時間有可能較短。

廈門臺重力儀在印尼這幾次強震之后都是出現同震脈沖,震后曲線快速恢復光滑,回到震前趨勢線上,無階躍,漂移速率也沒有改變。8.5級地震的同震持續時間稍長,但同震持續時間與震級的關系并不成比例。9月 13日,3次地震引起的地形變疊加影響,重力儀恢復正常觀測的時間也比較長一些。

4 結論

2007年 9月 12日至 26日,印度尼西亞發生 8次 6.0級以上強震。通過對廈門臺的重力儀記錄到的同震形變波資料進行分析,認為：

1)這8次遠震,廈門臺重力儀都記錄到同震形變波,說明廈門臺重力儀對巨大遠震的映震能力很強;

2)廈門臺重力儀的記錄曲線在印尼 8次強震后都回到原趨勢線上,沒有階躍,飄移速率也沒有改變。表明該類儀器比較穩定,適合固體潮汐觀測;

3)連續定點形變觀測到的遠震傳播的地面震動信號的表現形式為脈沖或脈沖疊加階躍。脈沖是由遠場地震波經長距離傳播形成面波,當面波的頻率與形變觀測儀器自振頻率接近時產生的共振現象[9]。廈門臺重力儀對這8次強震的響應形式都是脈沖,無階躍,說明重力儀的自振周期與印尼遠震的地震波的優勢周期相近;

4)地震波在巖石中傳播的時間與其傳播距離成正比。對廈門臺重力儀而言,這 8次遠震都發生在印尼蘇門答臘南部海中,震中距相同,其中 5次同震形變波的初動明顯,延遲時間也相同;

5)震級大的同震響應波幅也較大,同震響應的波幅與震級有較強的依賴關系,但沒有嚴格的比例關系;

6)同震持續時間與震級有一定的關系,震級大的,持續時間稍長,但沒有嚴格的比例關系。

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2 熊先保,等.從三次地震討論廈門臺地形變儀器的監測能力[J].地震研究,2009,32(1)：31-35.

3 牛安福,張晶,吉平.強地震引起的同震形變響應[J].內陸地震,2005,19(1)：1-7.

4 朱金芳,等.閩臺地區城市活動構造與地震[M].北京：科學出版社,2008.

5 張遠城,熊先保,黃曉華.數字化形變臺站觀測資料質量跟蹤分析[J].大地測量與地球動力學,2003,(4)：125-128.

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7 付虹,等,印尼巨大地震引起的云南水位異常記錄及其意義[J].地震地質,2007,29(4)：873-882.

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9 孫毅,程萬正.特大遠震引起的形變觀測變化圖像[J].內陸地震,2005,19(3)：264-270.

ANALYSIS OF CHARACTERISTICS OF COSEISM IC RESPONE OF GRAVITY INSTRUM ENT AT XIAM EN SEISMOSTATION

Yang Jie1),Zhan Hui2),Zhuo Qun3),Huang Xiaohua1),Lin Lifeng1)and Liu Zhongda3)

(1)X iam en Sei m ostation,Xiam en 361003 2)X iam en Research Centre of Seism ologic Survey,Xiam en 361021 3)X iam en Seism ic D igital Telem etering Centre,Xiam en 361003)

In September 2007,8 earthquakes broke out in Indonesia,and there was coseis mic response of the gravimeter at Xiamen seismostation.The coseis mic response characteristics in three aspects of delay ti me of surface wave,the greatest deformation range and coseis mic duration were researched.

characteristic of coseismic response;gravity instrument;perfor mance of instrument;surface wave;defor mation range

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0096-04

2010-05-01

楊婕,女,1974年生,工程師,主要從事地形變觀測與分析預報工作.E-mail：xmwjh@sina.com

P315.63

A