漳州地震臺伸縮儀和體應變儀同震響應分析＊

方宏芳,劉序儼,張 凱

(1.福建省漳州市地震局,福建漳州 363000;2.福建省地震局,福州 350003;3.福建省地震局漳州地震臺,福建漳州 363000)

漳州地震臺伸縮儀和體應變儀同震響應分析＊

方宏芳1,劉序儼2,張 凱3

(1.福建省漳州市地震局,福建漳州 363000;2.福建省地震局,福州 350003;3.福建省地震局漳州地震臺,福建漳州 363000)

對同一地震所激勵的伸縮儀和體應變儀的體應變響應進行了對比分析,結果表明,這兩個觀測系統所記錄到的是疊加在體應變固體潮背景上的一種振蕩衰減變化。這兩個系統分別對發生在印尼、中國臺灣和福建的幾次遠震、地方震和近震作出了不同程度的響應。體應變響應幅度約為 10-7～10-9,并且體應變儀的響應幅度大于伸縮儀的。同一觀測系統的響應幅度與地震能量成正比,響應延遲時間與震中距成正比。

伸縮儀;體應變儀;體應變響應;同震響應;漳州地震臺

0 前言

隨著應變觀測的開展,很多學者(劉序儼等,2008;郗欽文,2004;李杰等,2003;王梅等,2005)都進行了有關應變固體潮方面的研究。目前,我國許多臺站都安裝有兩方向互為 90°的線應變觀測儀,這樣所得資料除可用作不同方向的線應變分析外,還可用作面應變和體應變分析。體應變儀可以直接記錄到體應變固體潮,如何根據安裝在正南北和正東西方向上的伸縮儀觀測值的組合來計算該臺站的體應變?伸縮儀和體應變儀兩個觀測系統所記錄到的同一地震所激勵的體應變響應有何不同?這些正是本文所要探討的。

1 臺站概況

漳州地震臺位于福建省漳州市下轄的縣級市龍海市九湖鎮院后村石獅巖,距漳州市區 6 km。臺站所在地九湖鎮為亞熱帶水果花卉種植區,年平均溫度為 22℃,年平均濕度為 70%,年平均降雨量為 1400 mm,年平均雷電天氣約 20多天,海浪干擾較輕。

臺站位于北東向長樂—詔安斷裂帶的南端,臺站基巖為花崗閃長巖,覆蓋層厚度為 15～32 m。臺站建有一條長 100 m、近 EW走向的窿道,窿道主巷道總體走向為 S WW266°,支巷為 NNW356°。巷道交叉口以西安裝有 SS-Y型伸縮儀 EW向儀器,儀器長度為 24.9 m,支巷安裝伸縮儀 NS向儀器,長度為 17.8 m。TJ-ⅡE型體應變儀安裝在洞口附近,觀測孔孔深為 60.3 m。

2 伸縮儀觀測資料處理

考慮到地殼的非均勻性,特別是地層的裂隙和層面之間的連續特征,把伸縮儀的基線長度布設得盡可能長是很有必要的,同時,為了保證環境的穩定,又要盡可能深地把儀器往地下深處安裝,但安裝的深度畢竟要比潮汐應變的波長小得多,因此,我們可以認為觀測是在地球自由表面進行的,則由自由邊界條件(erθ=erλ=eλθ),可得到正南北、正東西兩個方向的用線伸縮觀測值計算面應變的公式(劉序儼等,1988)

由于滿足拉普拉斯方程,故 divgradVn=0,顧及可得

于是(1)式可寫成

由自由邊界條件,又得到垂直向的應變固體潮值

取泊松比v=0.25,則(5)式變為

因地表的體應變固體潮為

由(1)式和(6)式,可將(7)式變為

從(8)式可知,地表上某一點處的體應變等于該點處的面應變的 2/3,在此基礎上,由漳州臺東西與南北方向伸縮儀的觀測值得到該地區的體應變值。

3 伸縮儀與體應變儀的體應變響應

筆者分別計算了漳州臺伸縮儀與體應變儀對2007年 9月 12日印尼 8.5級、2007年 9月 13日印尼 8.3級、2007年 9月 13日印尼 7.5級、2007年 8月 16日秘魯 7.8級、2006年 12月 26日中國臺灣恒春海外 7.2級、2008年 5月 12日中國四川汶川 8.0級、2008年 7月 5日俄羅斯鄂霍次克海7.6級、2008年 7月 5日中國福建漳州長泰 4.6級共 8次地震所激發的體應變響應。

圖 1為漳州臺伸縮儀、體應變儀于 2007年 9月 13日 11:30～12:30的分鐘值體應變曲線圖,記錄的是印尼 8.3級地震的體應變響應。

圖 1 2007年 9月 13日 11:30～12:30漳州臺伸縮儀(a)和體應變(b)的分鐘值體應變曲線Fig.1 Volumetric strain curve of extensometer(a)and body strain gauge(b)from 11:30 to 12:30 on September 13,2007

圖 2為漳州臺伸縮儀和體應變儀于 2008年 5月 12日 14:10～15:10的分鐘值體應變曲線圖,記錄的是汶川 8.0級地震體應變響應。

圖 2 2008年 05月 12日 14:10～15:10漳州臺伸縮儀(a)和體應變儀(b)的分鐘值體應變曲線Fig.2 Volumetric strain curve of extensometer(a)and body strain gauge(b)from 14:10 to 15:10 onMay 12,2008

從圖 1和圖 2可以看出,在強震面波到達漳州臺之前,這兩種觀測手段的觀測曲線都是非常平穩的,這是因為體應變主要是由低頻日波和半日波組成。地震面波到達后這兩個系統所記錄到的變化,就是強震所引起的體應變。因此由印尼遠震、臺灣近震和漳州地方震所引起的體應變變化,是一種疊加在體應變固體潮曲線上的高頻變化,也正是伸縮儀、體應變儀觀測系統對地震的體應變響應。所記錄到的體應變響應波形以一種振蕩衰減的形式出現,由于地震震級的不同,階躍有高有低,體應變響應有大有小。為了充分展示體應變響應過程,我們只給出地震當天伸縮儀與體應變儀 1～2 h的體應變分鐘值變化曲線,并統計了響應延遲時間、體應變響應幅度、震中距、地震能量等參數,連同 8個所選地震的三要素一起歸納在表 1中。

表 1 漳州地震臺伸縮儀與體應變儀體應變響應幅度參數統計Tab.1 Statistics of volumetric strain response amplitude of extensometer and body strain gauge at Zhangzhou seis mostation

圖 3給出了漳州臺伸縮儀和體應變儀對上述 8個震例的體應變響應幅度對比曲線。從圖中可看出,8個震例中,兩種儀器對其中 7次地震的體應變響應幅度,都是體應變儀的大于伸縮儀的,只有 2007年 9月 13日印尼 7.5級地震所激發的體應變響應幅度,是伸縮儀的稍大一些。

圖 3 漳州臺伸縮儀和體應變儀對 8個震例的體應變響應幅度對比曲線Fig.3 Contrast curves of volumetric strain response amplitude of extensometer and body strain gauge for 8 earthquakes

從圖 4可以看出,體應變響應幅度與地震震級成正比關系,地震震級越大,能量越高,響應幅度就越大(牛安福等,2005,2006)。這也可從表 1中印尼 3次地震的體應變響應對比看出。以體應變儀為例,在震中距近似相等的條件下,印尼8.5級、8.3級、7.5級地震的體應變響應幅度分別為 2.446×10-7、1.528×10-7、2.04×10-8,幅度隨著震級的下降而逐漸降低,這說明了震級與體應變響應幅度的正比關系。對汶川 8.0級地震,印尼 8.5級、8.3級強震,臺灣恒春海外 7.2級地震,兩種儀器的體應變響應幅度較大,可達到10-7量級,對于 4600 km之遙的鄂霍次克海 7.6級地震和相距僅 25 km的福建長泰 4.6級地震,體應變響應幅度最小,僅為 10-9量級。

圖 4 伸縮儀(a)和體應變儀(b)響應幅度與震級關系曲線Fig.4 Relationship between volumetric strain response amplitude of extensometer(a)and body strain gauge(b)and earthquake magnitude

從圖 5可看出,響應延遲時間與震中距成正比,震中距越大,響應時間越晚。儀器對于印尼 3次地震的響應延遲時間平均為 13 min。2007年 8月 16日秘魯地震的震中距為 18000 km,響應延遲時間最長。2008年 7月 5日福建長泰 4.6級地震震中距只有 25 km,響應最快。從伸縮儀、體應變儀觀測系統記錄到的響應波形來看,兩者響應延遲時間相當。

圖 5 伸縮儀(a)和體應變儀(b)體應變響應延遲時間與震中距關系曲線Fig.5 Relationship between volumetric strain response delay ti me of extensometer(a)and body strain gauge(b)with epicentral distance

4 結語

(1)伸縮儀和體應變儀觀測系統,在其記錄到的體應變固體潮背景上,以一種振蕩衰減的形式,對印尼遠震、臺灣近震和漳州長泰地方震都分別做出了不同程度的響應。對于同一地震,體應變儀的體應變響應幅度大于伸縮儀的。伸縮儀和體應變儀觀測系統的體應變固體潮幅度相當,約為 10-7～10-9。

(2)對同一觀測系統而言,體應變響應幅度與地震能量成正相關,地震震級越大,地震能量越高,體應變響應幅度就越大。

(3)伸縮儀與體應變儀的響應延遲時間相當。體應變響應延遲時間與震中距成正相關,震中距越大,響應延遲時間越晚。

本研究中的體應變響應還只限于 “同震波”,還無法提取更有效的震前信息,應結合其它觀測手段,做進一步的綜合分析,以尋找震前長、中、短、臨的體應變變化時空演化特征,最大限度地發揮數字化前兆觀測資料的作用。

劉序儼,黃聲明,梁全強 .2008.正交曲線坐標系的應變張量轉換[J].大地測量與地球動力學,28(2):71-76.

劉序儼,李平,張雁濱 .1988.地表的面應變和體應變固體潮理論值計算及其調和分析[J].地殼形變與地震,8(4):354-358.

李杰,劉敏,鄒鐘毅,等 .2003.數字化鉆孔體應變干擾機理及異常分析[J].地震研究,26(3):230-237.

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

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

王梅,毛玉華,孔向陽,等 .2005.數字化體應變觀測資料的調和分析[J].地震研究,28(1):24-27.

郗欽文 .2002.現代引潮位質疑與調和分析方法評論[J].大地測量與地球動力學,22(2):7-9.

Analysis of the Co-seismic Response of Extensometer and Body Stra in Gauge at Zhangzhou Seismic Station

FANG Hong-fang1,L IU Xu-yan2,ZHANG Kai3
(1.Earthquake Administration of Zhangzhou City,Fujian Province,Zhangzhou 363000,Fujian,China)
(2.Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 350003,Fujian,China)
(3.Zhangzhou seismic Station,Earthquake Administration of Fujian Province,Zhangzhou 363000,Fujian,China)

We conduct a comparative analysis of volumetric strain response of extensometer and the volumetric strain response of body-strain gauge to the same earthquake.The two observational system s recorded an oscillating attenuation change overlaying the background of the solid tide of volumetric strain.The two system s differently response to Indonesian distant shock, inland earthquake and Taiwan earthquake.The magnitude of volumetric strain response of these two system s to the earthquakes varies from10-9to10-7.The response amplitude of body strain gauge system is larger than that of extensometer.For the same system, the response amplitude keeps in direct proportion to quake energy and the delay time of response keeps in direct proportion to epicentral distance.

extensometer; body strain gauge; volumetric strain response; co-seismic response; Zhangzhou seismic Station

P315.72+7

A

1000-0666(2010)03-0287-05

2009-09-28.