體應變大地震同震形變響應

劉川琴 盧葉嘯 孫鴻博 隆愛軍 陶 瑗（中國安徽230031大蜀山地震臺）

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體應變大地震同震形變響應

劉川琴 盧葉嘯 孫鴻博 隆愛軍 陶 瑗
（中國安徽230031大蜀山地震臺）

摘要統計分析安徽大蜀山地震臺體應變記錄曲線的同震形變波，總結2011—2014年國內外同震形變波形特征，繪制體應變映震能力圖。結果顯示，體應變能清晰記錄遠大地震形變波。對于全球7級以上地震，體應變記錄到明顯地震形變波占地震總數的83%；對于中國6級以上地震，體應變記錄到明顯地震形變波占總數的86%；記錄最小地震為4.8級，震中距133 km，最遠地震為7.6級，震中距為18 552 km。

關鍵詞體應變；震時形變波；同震變化；映震能力

E-mail：liuchuanqin1026@sina.com

本文收到日期：2015-08-03

0 引言

地殼形變是地震孕育、發生過程中最直接的伴隨現象。受地震波激發，地震發生時，借助數字化形變前兆觀測手段，在多測點觀測到的傾斜、應變或應力波動現象，稱為震時形變波，以區分地震波（牛安福等，2006）。

體應變前兆觀測數字化使得記錄同震形變成為可能，體應變震時形變波主要是應變或應力的瞬間波動變化，依據震中距離遠近，震時輸出信號持續時間一般為幾十分鐘到幾小時。目前，由于儀器低頻采數的原因，震時記錄的形變波主要反映遠場面波。在地震前兆異常研究尚未成熟的今天，同震響應備受廣大專家學者關注（牛安福等，2005；陳啟林等，2005；于慶民等，2014）。震時形變波包括地震破裂及傳播過程的大部分信息，可用于一些地震震源參數估計，通過對震時形變波物理性質的研究，對認識地震短臨前兆特征具有積極意義。

1 觀測環境

大蜀山地震臺（以下簡稱大蜀山臺）處于華北斷塊區南緣，郯廬北北東向深大斷裂西側33 km處，區域斷裂構造比較發育。大蜀山臺位于合肥市西郊大蜀山（死火山口）東麓森林公園，屬淮陰地槽東端的丘陵地帶，覆蓋層較薄，觀測地形西高東低，井口海拔高程約77 m，基巖巖性為火山成巖、玄武巖、輝綠巖、侵人白堊系紅砂巖，紅砂巖巖性較軟，井孔條件相對較差。TJ-Ⅱ體積式體應變儀2009年6月安裝，鉆孔探頭底部埋深72.3 m，孔徑130 mm，水深約7 m。

2 TJ -Ⅱ體應變觀測

大蜀山臺TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀由傳感探頭與數據采集主機組成，系統觀測地殼區域場應變狀態的微小變化，形變波頻響帶寬0—20 Hz，儀器觀測應變靈敏度≤1×10-9。選取2014年6月至9月體應變分鐘值做傅里葉變換振幅譜分析，見圖1。從圖1可見，儀器明顯記錄到日潮、半日潮、三分之一固體潮變化。干擾較小，TJ-Ⅱ鉆孔體應變儀日變規律明顯，曲線光滑流暢，固體潮清晰，具有良好的周期性特征（圖2）。體應變記錄的應變波是地震波傳遞到區域場的外力，引起體應變瞬間突跳，反映應變力作用產生的應變強度。

圖1　體應變數據振幅譜曲線Fig.1 The amplitude spectrum curve of bore-hole body strain

圖2　體應變、固體潮小時值曲線Fig.2 The hour value curve of bore-hole body strain and earth tide

3 TJ -Ⅱ體應變震時形變波形響應分析

對大蜀山臺TJ-Ⅱ體應變儀記錄的震時形變波進行分析，發現體應變對全球7級以上地震和中國6級以上同震響應明顯。對2011—2014年全球地震進行統計，參考安徽省地震局提供的地震目錄，分析發現，全球共發生7.0級以上地震75次，主要分布在太平洋板塊、歐亞板塊、北美板塊和南美板塊的碰撞交匯處；國內6級以上地震21次，其中中國臺灣地震6次，主要分布在青藏高原、新疆、華北及中國臺灣地震區。對大蜀山臺體應變記錄的震時形變波形進行統計，同一時間發生的多次地震，若波形疊加取最先記錄的形變波，分析發現：記錄到全球7級以上地震具有明顯震時形變波形的62次，達到地震總數的83%；記錄到中國6級以上地震的18次，達到地震總數的86%，對于中國臺灣地震6級以上地震，體應變儀均記錄到明顯的震時形變波。對統計時段的記錄資料，選取國內外幾個典型震例波形進行特征分析。

3.1 中國典型震例

（1）2014年2月12日新疆維吾爾自治區和田地區于田縣發生7.3級地震，震中距3 222 km，從體應變記錄波形特征分析，體應變數采記錄的初動時間為17時28分，波動延續時間約1小時，最大幅度-18.90×10-7，階變幅度1.73×10-8[圖3(a)]。

（2）2014年4月2日智利發生8.1級地震，震中距18 730 km，體應變記錄初動時間為08時08分，波動延續時間約2 h6 min，最大幅度29.73×10-7，階變幅度1.05×10-8[圖3(f)]。

圖3　體應變地震形變波記錄(a)新疆于田7.3級地震；(b) 中國臺灣南投縣MS6.7地震；(c)云南省昭通市魯甸縣MS6.5地震；(d)日本本州東海岸MS7.1地震；(e)拉特群島MS7.9地震；(f)智利MS8.1地震Fig.3 The seismic wave record of bore-hole body strain

由圖3可知，體應變儀記錄的遠大地震形變波形，能記錄到P波，且面波發育，波形清晰，震級越大，記錄的形變波變化幅度越大，振幅衰減越慢，震中距越遠，震級越大，波的延續時間越長，波的衰減越慢。目前，大蜀山臺記錄的形變波形主要表現為上下波動，震后逐漸衰減至正常狀態，未記錄到明顯的階躍變化。

3.2 震級與震中距關系

統計2011—2014年體應變儀記錄的地震，繪出震級和震中距關系圖。以同震變化的震中距對數logD（以10為底）為橫坐標，以地震MS震級為縱坐標，繪出散點圖，見圖4。

圖4　體應變震級與震中距對數關系Fig.4 Relationship of body strain magnitude with epicentral distance in logarithmic scale

從圖4可見，具有震時形變波的地震基本分布在關系圖右上部，圖中畫一條直線，取兩點，參數坐標為（2.84，4.8）、（4.18，7.1），帶入直線方程（于慶民，2014）

式中，logD1為第1個點的橫坐標（震中距對數）；M1為第1個點的縱坐標（震級）；logD2為第2個點的橫坐標（震中距對數）；M2為第2個點的縱坐標（震級）。則

根據對2011—2014年大蜀山臺記錄的地震震中距和震級的統計，繪制圖4，得出如式（2）的直線方程，認為在大蜀山臺記錄的形變波形基本在直線右上方。大蜀山臺體應變記錄的震時形變波統計結果為：最小地震為2013年9月4日福建省莆田市仙游縣、福州市永泰縣交界4.8級地震，震中距704 km，最近地震為2011年1月19日安慶4.8級地震，震中距133 km，最遠地震為2013年5月24日湯加以南海域發生的7.6級地震，震中距18 552 km。

3.3 震級與最大振幅關系

將同一地點發生的地震，震中距看作相同，總結震級與最大振幅的關系。以2011— 2014年日本近海地震為例，選擇震時形變波波形清楚的震例，舍棄較大干擾時段數據，以便最大振幅的統計。選取震中距相近但震級不同，以MS震級為橫坐標，最大振幅為縱坐標，繪制圖形，見圖5。

圖5　體應變震級與最大振幅關系Fig.5 Relationship of magnitude with the maximum amplitude of the body strain

本次統計選取的最大震級為7.5級，從圖5可見，數據基本集中在一條曲線上，6.5級地震以上，最大振幅明顯隨著震級升高而增大，符合指數關系。日本2011年3月11日9.0級地震最大振幅1 370×10-9，因震級和振幅太大，本次統計予以舍棄。

體應變儀所測地震震級和最大振幅大致符合指數關系，隨著震級增大，最大振幅上升速度快，但從圖形上看，離散性仍較大，主要是因為，形變儀器采樣率低，分鐘值采樣不能保證是震時形變波的真實最大振幅，而現有分析軟件有限，量取最大振幅也存在較大誤差。

4 結論

通過對大蜀山臺體應變儀震時形變波形分析統計，結果認為，該臺體應變儀對全球7級以上、中國6級以上地震記錄較好，同震形變波主要集中在面波頻段，遠大震面波發育，P波也有一定記錄，波形特征主要表現為，波形上下波動變化，震后逐漸衰減恢復至正常狀態。根據相關資料（劉福生等，2005；于慶民等，2014）顯示，體應變能記錄到同震或震后階躍變化，而大蜀山臺目前未記錄到階躍變化。

對體應變記錄震時形變波震級和震中距進行統計，結果顯示，體應變記錄到震級最小，震中距最近的地震為2011年1月19日安慶4.8級地震，震級最大地震為2011年3月11日日本本州東海岸9.0級地震，最遠地震為2013年5月24日湯加以南海域7.6級地震。對同一地點發生的震時形變波震級和最大振幅的地震進行統計，結果顯示，震級和最大振幅符合指數分布；體應變低頻采樣技術使體應變對震級小的近震記錄不好，目前未記錄到震中距100 km以下的地震波形，且波的初動方向、最大振幅和實際地震波形有差異，所以震級和最大振幅離散程度較大，而大蜀山臺周邊近場地震較少，體應變近震形變波形記錄有待積累。

國內外專家學者對地震前驅波研究較多（張雁濱等，2008；趙楠等，2013），TJ-Ⅱ應變觀測系統頻響寬，具備捕捉大震前驅波條件，但采集設備采樣率過低，豐富的低頻前驅波信息難以獲取，建議改進并完善儀器技術指標，盡可能提高數據采樣率，以便于快速捕捉異常，提高地震前兆異常分析的可信度。

參考文獻

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Big earthquake caused the coseismic deformation response of TJ-Ⅱbore -hole body strain

Liu Chuanqin，Lu Yexiao，Sun Hongbo，Long Aijun and Tao Yuan
(Dashushan Seismic Station， Anhui Province 230031， China)

Abstract

Based on the analysis of the coseismic variation recorded at Dashushan Seismic Station in Anhui Province, and the summaries of the coseismic deformation waveform characteristics at home and abroad, a formula of earthquake reflecting ability of body strain is figured out. The results show that the bore-hole body strain is better records far and big seismic waveform. It recorded more than 83% of global M≥7 magnitude and 86% domestic M≥6 magnitude deformation waves from 2011 to 2014. The magnitude of the minimum earthquake recorded is M = 4.8 with epicentral distance 133 km，while the farthest earthquake recorded is M = 7.6 with epicentral distance 18 552 km.

Key words：body strain，coseismic variation，wave characteristic，earthquake re fl ecting ability

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 015

基金項目：2015中國地震局三結合課題（編號：151202）資助

作者簡介：劉川琴（1981—），女，安徽肥西人，工程師，碩士研究生，主要從事地形變觀測與研究工作。