体应变大地震同震形变响应

刘川琴 卢叶啸 孙鸿博 隆爱军 陶 瑗（中国安徽230031大蜀山地震台）



体应变大地震同震形变响应

刘川琴 卢叶啸 孙鸿博 隆爱军 陶 瑗
（中国安徽230031大蜀山地震台）

摘要统计分析安徽大蜀山地震台体应变记录曲线的同震形变波，总结2011—2014年国内外同震形变波形特征，绘制体应变映震能力图。结果显示，体应变能清晰记录远大地震形变波。对于全球7级以上地震，体应变记录到明显地震形变波占地震总数的83%；对于中国6级以上地震，体应变记录到明显地震形变波占总数的86%；记录最小地震为4.8级，震中距133 km，最远地震为7.6级，震中距为18 552 km。

关键词体应变；震时形变波；同震变化；映震能力

E-mail：liuchuanqin1026@sina.com

本文收到日期：2015-08-03

0 引言

地壳形变是地震孕育、发生过程中最直接的伴随现象。受地震波激发，地震发生时，借助数字化形变前兆观测手段，在多测点观测到的倾斜、应变或应力波动现象，称为震时形变波，以区分地震波（牛安福等，2006）。

体应变前兆观测数字化使得记录同震形变成为可能，体应变震时形变波主要是应变或应力的瞬间波动变化，依据震中距离远近，震时输出信号持续时间一般为几十分钟到几小时。目前，由于仪器低频采数的原因，震时记录的形变波主要反映远场面波。在地震前兆异常研究尚未成熟的今天，同震响应备受广大专家学者关注（牛安福等，2005；陈启林等，2005；于庆民等，2014）。震时形变波包括地震破裂及传播过程的大部分信息，可用于一些地震震源参数估计，通过对震时形变波物理性质的研究，对认识地震短临前兆特征具有积极意义。

1 观测环境

大蜀山地震台（以下简称大蜀山台）处于华北断块区南缘，郯庐北北东向深大断裂西侧33 km处，区域断裂构造比较发育。大蜀山台位于合肥市西郊大蜀山（死火山口）东麓森林公园，属淮阴地槽东端的丘陵地带，覆盖层较薄，观测地形西高东低，井口海拔高程约77 m，基岩岩性为火山成岩、玄武岩、辉绿岩、侵人白垩系红砂岩，红砂岩岩性较软，井孔条件相对较差。TJ-Ⅱ体积式体应变仪2009年6月安装，钻孔探头底部埋深72.3 m，孔径130 mm，水深约7 m。

2 TJ -Ⅱ体应变观测

大蜀山台TJ-Ⅱ钻孔体应变仪由传感探头与数据采集主机组成，系统观测地壳区域场应变状态的微小变化，形变波频响带宽0—20 Hz，仪器观测应变灵敏度≤1×10-9。选取2014年6月至9月体应变分钟值做傅里叶变换振幅谱分析，见图1。从图1可见，仪器明显记录到日潮、半日潮、三分之一固体潮变化。干扰较小，TJ-Ⅱ钻孔体应变仪日变规律明显，曲线光滑流畅，固体潮清晰，具有良好的周期性特征（图2）。体应变记录的应变波是地震波传递到区域场的外力，引起体应变瞬间突跳，反映应变力作用产生的应变强度。

图1　体应变数据振幅谱曲线Fig.1 The amplitude spectrum curve of bore-hole body strain

图2　体应变、固体潮小时值曲线Fig.2 The hour value curve of bore-hole body strain and earth tide

3 TJ -Ⅱ体应变震时形变波形响应分析

对大蜀山台TJ-Ⅱ体应变仪记录的震时形变波进行分析，发现体应变对全球7级以上地震和中国6级以上同震响应明显。对2011—2014年全球地震进行统计，参考安徽省地震局提供的地震目录，分析发现，全球共发生7.0级以上地震75次，主要分布在太平洋板块、欧亚板块、北美板块和南美板块的碰撞交汇处；国内6级以上地震21次，其中中国台湾地震6次，主要分布在青藏高原、新疆、华北及中国台湾地震区。对大蜀山台体应变记录的震时形变波形进行统计，同一时间发生的多次地震，若波形叠加取最先记录的形变波，分析发现：记录到全球7级以上地震具有明显震时形变波形的62次，达到地震总数的83%；记录到中国6级以上地震的18次，达到地震总数的86%，对于中国台湾地震6级以上地震，体应变仪均记录到明显的震时形变波。对统计时段的记录资料，选取国内外几个典型震例波形进行特征分析。

3.1 中国典型震例

（1）2014年2月12日新疆维吾尔自治区和田地区于田县发生7.3级地震，震中距3 222 km，从体应变记录波形特征分析，体应变数采记录的初动时间为17时28分，波动延续时间约1小时，最大幅度-18.90×10-7，阶变幅度1.73×10-8[图3(a)]。

（2）2014年4月2日智利发生8.1级地震，震中距18 730 km，体应变记录初动时间为08时08分，波动延续时间约2 h6 min，最大幅度29.73×10-7，阶变幅度1.05×10-8[图3(f)]。

图3　体应变地震形变波记录(a)新疆于田7.3级地震；(b) 中国台湾南投县MS6.7地震；(c)云南省昭通市鲁甸县MS6.5地震；(d)日本本州东海岸MS7.1地震；(e)拉特群岛MS7.9地震；(f)智利MS8.1地震Fig.3 The seismic wave record of bore-hole body strain

由图3可知，体应变仪记录的远大地震形变波形，能记录到P波，且面波发育，波形清晰，震级越大，记录的形变波变化幅度越大，振幅衰减越慢，震中距越远，震级越大，波的延续时间越长，波的衰减越慢。目前，大蜀山台记录的形变波形主要表现为上下波动，震后逐渐衰减至正常状态，未记录到明显的阶跃变化。

3.2 震级与震中距关系

统计2011—2014年体应变仪记录的地震，绘出震级和震中距关系图。以同震变化的震中距对数logD（以10为底）为横坐标，以地震MS震级为纵坐标，绘出散点图，见图4。

图4　体应变震级与震中距对数关系Fig.4 Relationship of body strain magnitude with epicentral distance in logarithmic scale

从图4可见，具有震时形变波的地震基本分布在关系图右上部，图中画一条直线，取两点，参数坐标为（2.84，4.8）、（4.18，7.1），带入直线方程（于庆民，2014）

式中，logD1为第1个点的横坐标（震中距对数）；M1为第1个点的纵坐标（震级）；logD2为第2个点的横坐标（震中距对数）；M2为第2个点的纵坐标（震级）。则

根据对2011—2014年大蜀山台记录的地震震中距和震级的统计，绘制图4，得出如式（2）的直线方程，认为在大蜀山台记录的形变波形基本在直线右上方。大蜀山台体应变记录的震时形变波统计结果为：最小地震为2013年9月4日福建省莆田市仙游县、福州市永泰县交界4.8级地震，震中距704 km，最近地震为2011年1月19日安庆4.8级地震，震中距133 km，最远地震为2013年5月24日汤加以南海域发生的7.6级地震，震中距18 552 km。

3.3 震级与最大振幅关系

将同一地点发生的地震，震中距看作相同，总结震级与最大振幅的关系。以2011— 2014年日本近海地震为例，选择震时形变波波形清楚的震例，舍弃较大干扰时段数据，以便最大振幅的统计。选取震中距相近但震级不同，以MS震级为横坐标，最大振幅为纵坐标，绘制图形，见图5。

图5　体应变震级与最大振幅关系Fig.5 Relationship of magnitude with the maximum amplitude of the body strain

本次统计选取的最大震级为7.5级，从图5可见，数据基本集中在一条曲线上，6.5级地震以上，最大振幅明显随着震级升高而增大，符合指数关系。日本2011年3月11日9.0级地震最大振幅1 370×10-9，因震级和振幅太大，本次统计予以舍弃。

体应变仪所测地震震级和最大振幅大致符合指数关系，随着震级增大，最大振幅上升速度快，但从图形上看，离散性仍较大，主要是因为，形变仪器采样率低，分钟值采样不能保证是震时形变波的真实最大振幅，而现有分析软件有限，量取最大振幅也存在较大误差。

4 结论

通过对大蜀山台体应变仪震时形变波形分析统计，结果认为，该台体应变仪对全球7级以上、中国6级以上地震记录较好，同震形变波主要集中在面波频段，远大震面波发育，P波也有一定记录，波形特征主要表现为，波形上下波动变化，震后逐渐衰减恢复至正常状态。根据相关资料（刘福生等，2005；于庆民等，2014）显示，体应变能记录到同震或震后阶跃变化，而大蜀山台目前未记录到阶跃变化。

对体应变记录震时形变波震级和震中距进行统计，结果显示，体应变记录到震级最小，震中距最近的地震为2011年1月19日安庆4.8级地震，震级最大地震为2011年3月11日日本本州东海岸9.0级地震，最远地震为2013年5月24日汤加以南海域7.6级地震。对同一地点发生的震时形变波震级和最大振幅的地震进行统计，结果显示，震级和最大振幅符合指数分布；体应变低频采样技术使体应变对震级小的近震记录不好，目前未记录到震中距100 km以下的地震波形，且波的初动方向、最大振幅和实际地震波形有差异，所以震级和最大振幅离散程度较大，而大蜀山台周边近场地震较少，体应变近震形变波形记录有待积累。

国内外专家学者对地震前驱波研究较多（张雁滨等，2008；赵楠等，2013），TJ-Ⅱ应变观测系统频响宽，具备捕捉大震前驱波条件，但采集设备采样率过低，丰富的低频前驱波信息难以获取，建议改进并完善仪器技术指标，尽可能提高数据采样率，以便于快速捕捉异常，提高地震前兆异常分析的可信度。

参考文献

陈启林，王皓，毛华锋，等. 印尼8.7级和8.5级强震后江苏体应变同震效应分析[J]. 防灾技术高等专科学校学报，2005，7（2）：47-49.

刘福生，张国红，昌平地震台体应变资料分析[J].地震地磁观测与研究，2005，26：168-172.

牛安福，吉平，高福旺. 印尼强地震引起的同震形变波[J]. 地震，2006，26（1）：131-137.

牛安福，张晶，吉平. 强地震引起的同震形变响应[J]. 内陆地震，2005，19（1）：1-7.

于庆民，卢双岺，郝军丽，等. 泰安基准台体应变映震能力统计分析[J]. 山西地震，2014，2：1-7.

张雁滨，蒋骏，廖盈春，等. 宽频带地震计及倾斜、重力仪对长周期波动信号的综合观测[J]. 地震学报，2008，30（6）：626-633

赵楠，江沛春，李罡风，等. BBVS地震波与TJ-Ⅱ体应变波比较[J]. 华南地震，2013，33（2）：68-74.

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

基金项目：2015中国地震局三结合课题（编号：151202）资助

作者简介：刘川琴（1981—），女，安徽肥西人，工程师，硕士研究生，主要从事地形变观测与研究工作。