沈陽法庫地震臺體應變映震能力分析

逯紹鋒，石盛昌，程文海，翟麗娜，李彤霞（.沈陽市地震局，遼寧 沈陽 000；.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 0034）

沈陽法庫地震臺體應變映震能力分析

逯紹鋒1，石盛昌1，程文海1，翟麗娜2，李彤霞2
（1.沈陽市地震局，遼寧 沈陽 110001；2.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

通過對沈陽市法庫地震臺體應變同震波形的分析發現，法庫體應變儀器的映震能力較強，特別是對全球MS7.0級以上的地震映震能力較強。同時也發現，映震的地震震級、震中距和同震振幅之間存在著一定程度上的正反比關系，而且記錄到最小地震為MS3.9，并對原有的表達同震振幅、地震震級及震中距的關系經驗式進行了適當的修正計算。

法庫地震臺；體應變；映震能力

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[1]。為區別于地震波，把受地震波激發，借助數字化形變前兆臺網可觀測到地震時傾斜、應變和重力的波動現象，稱為同震形變波或震時形變波。這種同震波主要記錄的是應力的瞬間波動，持續時間和震中距相關，由于采樣是分鐘采樣，因此主要反映的是遠場面波[2-3]。

在當前地震預報水平下，對同震波形的研究顯得尤為重要，不僅可以為識別地震短臨前兆提供重要的方法途徑，而且對我們研究地震本身提供了重要的資料積累，加深對地震特性的認識，于慶民等[4]（2014）對處于郯廬斷裂帶中南段的泰安臺的形變進行了詳細的分析，因此本文著重對處于郯廬斷裂帶北段的沈陽法庫地震臺的體應變的映震能力進行分析。

1 臺站觀測環境及體應變觀測

沈陽地處郯廬斷裂帶北段，中朝地臺東北部，法庫地震臺位于沈陽市法庫縣城西北角的二龍山東坡北側，海拔40m，系醫巫閭山支脈，地質構造主要是第四系地層，遼河沖積平原，康平斷裂沿北東走向分布。鉆孔應變觀測，作為小尺度地形變觀測中重要的一種，在短臨前兆觀測中起著重要的作用[5]。因此，沈陽市地震局自2010年起，在轄區內陸續安裝了4臺套體應變觀測儀器，本文主要對最早安裝的沈陽法庫地震臺體應變儀進行統計分析。法庫TJ-II型鉆孔體應變儀器于2010年5月安裝，安裝觀測井深69m，探頭底部實際埋深為63.5m，開口孔徑219mm，終孔直徑150mm，水深15m，終孔巖石為凝灰角礫巖，儀器為分鐘采樣，靈敏度為10-9ε/1mv，整點值均可記錄到完整的固體潮，分鐘值可以清晰地記錄到地震應變波、遠震的面波和近震的高頻地震波等。運行至今相對誤差小于0.05%，潮汐因子小于2，達到形變規范所要求α≥2.0、δα/α≤0.05的內精度指標要求。

2 沈陽法庫臺體應變映震能力統計分析

選取2012年至2015年法庫體應變記錄到的所有地震，地震目錄均采用“中國地震臺網目錄”提供的參數，震級統一采用面波震級MS，對于ML和Mb震級，按有關文獻公式進行了轉換。震中距的計算采用地心緯度法[6]。

本文主要是通過對記錄到的形變同震波形的初動時間、結束時間、到時差、同震波持續周期、最大振幅、階變幅度、初動方向、震中距的統計，并結合實際震例的發震時刻、震級，尋求諸多要素之間存在的關系。

2.1 震級和震中距關系

通過對資料2012年1月1日至2015年12月31日統計，繪制震級MS和震中距Δ之間散點關系圖（圖1），以震中距Δ為橫坐標，震級MS為縱坐標。

圖1 震級MS和震中距Δ散點關系圖Fig.1 Scatter diagram of magnitude MSwith epicenter distance Δ

蘇愷之[5]（2004）在計算振幅因子異常時使用如下的經驗總結公式：

其中Δ為不同震級的反應半徑，單位km，M為面波震級。從上圖可以看出，這條經驗性公式偏離的太多，無法繼續使用。

為了更直觀的分析震級和震中距數據間的關系，我們對橫坐標數據取對數（以e為低）再次繪制兩者關系散點圖如圖2所示：

圖2 震級MS和震中距Δ對數值散點關系圖Fig.2 Numerical scatter diagram of magnitude MSwith epicenter distance Δ

首先，從統計結果來看，2012年1月1日—2015年12月31日，全球發生7級以上地震76次，除2014年6月29日15:52:54.6在南桑威奇群島地區發生的MS7.2級地震（震中距17535km）外，法庫TJ-2型體積式鉆孔應變儀均有記錄到同震形變波形，占比達98.7%。

記錄到的最遠的地震是2013年11月25日14:27:10.9發生在南大西洋的MS7.2級地震,震中距為18733km。記錄到的最小同震反應地震是2013年1月21日16:10發生在內蒙古科爾沁左翼后旗的MS3.9級地震（最大振幅約2.6×10-9），同時也是震中距最近的一個有同震形變波形的地震。

其次，我們在關系圖中分別選取穿越不超過三個震例點的兩條直線，可以發現，幾乎所有記錄到的地震均位于這兩條直線所夾區域內。

這里我們采用兩種方法：

第一、自坐標原點，取下方區域一點做一條直線，在第一象限逆時針旋轉至劃過所有地震震例，求出該角度。那么這個扇形區域就是所有形變同震波形所在區域。第二、散點中分別在點集中的上下取一直線，那么他們之間所夾區域就是所有形變同震波形所在區域。上部選取點A1（5.5，5.6）、A2（7.21，7.5），下部選取點B1（7.88，5）、B2（9.84，6.1），分別帶入直線方程：

則有上部直線La: M= 1.11lnΔ-0.51；下部直線Lb: M= 0.56lnΔ+0.58。

更寬泛些來看，可以用下部直線Lb向上平移后的直線Lc來代替La。Lc直線方程使用點A2（7.21，7.5）與Lb方程，通過平移后求出平行直線Lc：M= 0.56lnΔ+3.46，這時可以看出，所有形變同震點均處于直線Lb和它向上平移2.88后構成的直線Lc所夾的平行區域內（圖3）。

圖3 形變同震波位置區域圖Fig.3 Location area map of body strain with coseismic

2.2 震中距和振幅之間的關系

蘇愷之[5]（2004）對于體波、面波應變地震波的振幅ε與地震震級M及震中距Δ的關系均給出了一個參考的經驗式，其中，對面波的經驗公式如下：

M=lgε+（0.59 ± 0.07）lgΔ+（2.71 ± 0.30） （3）

令Y=M-lgε，X = lgΔ，

則Y =（0.59±0.07）X +（2.71±0.30）。

本文先取部分統計數據，對該經驗式進行檢驗。

選取震級為MS7即M值為7的部分統計數據，繪制經驗式和統計數據的關系圖，如圖4所示：

圖4 面波振幅ε、震級M及震中距Δ的經驗式及修正式Fig.4 Empirical formula and revised formula of surface wave amplitude ε, magnitude M and epicentral distance M

從上圖可以看出，經驗式對于法庫臺體應變數據存在較大偏差，因此，考慮嘗試對該經驗式進行修正，以適應本地儀器采集的實際數據。

首先，對經驗式中的范圍參數用變量a、b表示，經驗式變為：M=lgε+algΔ+b；其次，選取部分統計數據，對該經驗式進行統計求解出經驗修正式。如上圖中y=1.5998x+0.3019,即M=lgε+1.5998lgΔ+0.3019，就是適合本地儀器的震級為MS7.0經驗修正式。

另外，為了分析震中距和振幅之間的關系，本文選取設定震級的數據進行繪制兩個量之間的關系圖，如下圖5（a）設定震級為MS7.0（2012—2015年共13個7級地震），圖5（b）設定震級為MS6.0（2012—2015年共18個6級地震），盡管由于數據采樣率不高，存在丟失數據的可能，再加上數據選取可能存在的誤差等因素影響，關系圖中部分點比較離散，但從震中距和振幅之間關系圖仍可以看出，震中距和振幅之間大致成反比關系，基本趨勢呈現冪指曲線特征。

圖5 震中距Δ和振幅A關系圖（a,地震震級MS7.0; b,地震震級MS6.0）Fig.5 Relationship diagram of earthquake epicentral distance Δ with the amplitude A

2.3 震級和振幅關系

通過對資料2012年1月1日至2015年12月31日統計，繪制震級MS和振幅A之間散點關系圖（圖6），以振幅A取對數（以e為底）后作為橫坐標，震級MS為縱坐標。

圖6 震級M和振幅A對數值關系圖Fig.6 Numerical relationship diagram of magnitude M with amplitude A

我們在關系圖下部選取穿越不超過三個震例點的一條直線，可以發現，幾乎所有記錄到的地震均位于這條直線上方區域。然后將該直線向上平移后，所有形變同震點均處于直線L1和它向上平移3.038后構成的直線L2所夾的平行區域內。

選取直線上兩個點（2.6，5.3）、（1.59，4.7）求出該直線方程：

上部直線可選取穿越點（0.18，6.9）和直線L1方程,求出平移3.038后的方程：

分析上圖也可看出，每一級別地震在該體應變上可以體現出來的最大振幅大致都小于該直線與相應震級對應的橫軸平行線的交點的橫坐標值；同時，可看出在震級達到一定級別（MS8.0）后，體應變上響應到的振幅都要大于某個值（2.03）。

同樣，我們也從另一個角度分析震級和振幅之間的關系，本文選取一小范圍（比如設為2000km左右，1900～2100km）震中距內的數據，以忽略在此范圍內的地震的震中距因素，繪制震級和振幅兩個量之間的關系圖如圖7所示：

圖7 震級M和振幅A關系圖Fig.7 Relationship diagram of magnitude M with amplitude A

從上圖可以看出，除去存在的數據采樣率、數據選取等因素外，震級和振幅之間大致上呈現出指數關系。

3 結論

本文通過對沈陽法庫地震臺體應變數據進行統計分析，主要發現：（1）該儀器對全球MS7.0級以上的地震映震能力強，記錄到最小地震是MS3.9；（2）震級和震中距、振幅間的關系基本在一個平行的范圍內，即同震點基本上規律地集中在關系圖中的一個平行區域內，同時也發現，震級和振幅間存在大致的正比關系、震中距和振幅存在大致的反比關系；（3）對原有的不適應本地儀器的表達振幅ε與地震震級M及震中距Δ的關系經驗式進行了修正計算。

當然，本文在進行數據統計分析時也發現，數據結果還受到數據采樣率，數據選取等誤差因素影響，同時，我們對于地質構造、斷裂分布及地震波的走向、震源深度等等因素，尚未加以考慮。后續會進一步考慮震源深度、階躍變化震、前驅波等情況進行詳細分析。

[1]張雁濱, 蔣駿, 錢家棟, 等. 地殼介質微形變異常與強震短臨前兆[J]. 地震學報，2002, （01）: 103-108.

[2]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.

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

[4]于慶民, 盧雙苓, 郝軍麗, 等. 泰安基準地震臺體應變映震能力統計分析[J]. 山西地震, 2014，158（2）: 1-8.

[5]蘇愷之. 鉆孔地應變觀測新進展[M]. 北京: 地震出版社, 2004.

[6]胡克堅. 震中距計算方法使用范圍的討論[J]. 地震學刊, 1987, 1: 31-38.

Analysis on Earthquake-reflecting Capacity of Borehole Strain Meters at Faku Seismic Station

LU Shao-feng1, SHI Sheng-chang1, CHENG Wen-hai1，ZHAI Li-na2, LI Tong-xia2
（1. Earthquake Administration of Shenyang City, Liaoning Shenyang 110001, China; 2. Earthquake Administration of Liaoning Province, Liaoning Shenyang 110034, China）

The results of analysis on the coseismic variation recorded at Faku Seismic Station in Shenyang City show that the borehole body strain has brilliant earthquake-reflecting capacity, especially for M≥7.0 global earthquakes. At the same time, it’ s also found that there is positive-negative ratio relationship among earthquake magnitude, epicentral distance and coseismic variation in a certain degree, and the magnitude of the minimum earthquake recorded is MS3.9. Besides, this thesis also makes appropriate correction calculation on the original experiential formula of the relationship among coseismic variation, earthquake magnitude and epicentral distance.

Faku Seismic Station; borehole body strain; earthquake-reflecting capacity

P315.72

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.02.003

1674-8565（2017）02-0015-05

2016-12-15

2017-03-05

逯紹鋒（1982-），男，河南省洛陽市人，2009年畢業于安徽師范大學，碩士，工程師，現主要從事地震監測方面的工作。E-mail：lushaofeng21@163.com