內蒙古中東部地區數字化形變同震響應特征研究

熊峰 張小艷 王旭東 楊紅櫻 蘇亞梅

內蒙古自治區地震局，呼和浩特 010010

0 引言

在地震孕育過程中，隨著構造應力的不斷積累，地殼應變能也持續增加。利用同一地震事件在地球上相同地點引起的地面運動的唯一性，定量研究同震形變波，可以認識到在同一力源作用下同震波形特征的差異性。同震形變波中攜帶了地震破裂以及地震波傳播的信息,利用同震信息能夠評估地震震源參數，進一步分析同震形變波的物理特征,有助于提高短臨前兆動力特性的認識，定量計算地殼應變能積累也是地震危險性分析的重要手段，對于理解形變前兆觀測的物理本質具有重要意義(牛安福等，2002，2003，2006；龐亞瑾等，2017)。

地殼形變觀測是監測地殼運動、變形的重要手段，同震形變波包含了地震破裂及傳播過程的大部分信息，研究同震信息可以對地震震源的一些參數進行估計，通過研究同震形變波的物理性質，有助于認識短臨前兆的動力特性(牛安福等，2002、2003、2006)。

定點傾斜、應變、重力和連續 GPS觀測，可檢測到豐富的地殼變動信息。對于如何識別與地震過程相關的變形信息，前人雖已做了大量的研究，但尚未形成較為統一的標準(黃曉華等，2009；楊婕等，2010；肖孟仁等，2012；孟方杰等，2018)。依據地震類型和震級的不同， 分別計算和分析所對應的同震響應， 進一步確定由于破壞性地震引起的形變同震響應以及震后影響的空間特征(司學蕓等， 2012)。本文利用同一構造帶上多個臺站相同型號數字化傾斜儀資料，通過回歸分析，計算不同場地的遠場形變同震響應特征及有關物理量之間的函數關系，獲取不同觀測場地同震響應能力的差異。

1 資料基本情況

呼和浩特臺、赤峰臺、烏蘭浩特臺、海拉爾臺等4個臺站的水管傾斜觀測均為數字化觀測，其觀測資料連續穩定可靠，觀測精度均超過0.01，臺站分布見圖1。本文以中國地震信息網發布的地震參數為依據，應用統計方法，對2008—2018年的200個地震(國內6級以上、國外7級以上)的同震響應特征進行了分析研究。

圖1 臺站分布

1.1 地震地質背景

內蒙古位于中國北部邊疆，橫跨我國西北、華北、東北地區，地質構造較為復雜，活動斷層分布縱橫交錯，地形地貌特征存在著較大的差異。有儀器記錄以來，內蒙古區域內曾發生多次中強及以上地震，主要分布在兩大地震活動區域。其中，中、西部地震區主要受燕山、陰山構造帶和鄂爾多斯塊體周緣的影響，是內蒙古境內主要的中強地震活動地區。東部地震區主要受到太平洋板塊俯沖的影響。該板塊的俯沖作用不僅是深源地震的動力來源，也是東北地區地質構造運動的主要因素(楊彥明等，2017)。

研究區域整體地質構造背景為陰山構造帶和大興安嶺造山帶，呼和浩特緊臨大青山山前斷裂，海拉爾、烏蘭浩特、赤峰分別位于大興安嶺造山帶北、中、南段。其中，呼和浩特地處呼包斷陷盆地，北靠大青山，具有發生中強地震的構造條件，1929年畢克齊M6.0地震距呼和浩特24km，1976年和林格爾M6.3地震距呼和浩特80km；赤峰為蒙古高原向松遼平原過渡地帶，燕山北麓和大興安嶺余脈綿延于赤峰西拉沐淪河、老哈河流域，主要斷裂構造有：天山口-八里罕新華夏系斷裂構造帶、西拉沐淪EW向斷裂構造帶、錦山-開原EW向斷裂構造帶；烏蘭浩特主要斷裂構造有：霍林河EW向斷裂構造帶、寶石EW向斷裂構造帶、歸流河EW向斷裂構造帶、阿爾山-阿爾本格勒EW向斷裂構造帶和伊爾施北部EW向斷裂構造帶；海拉爾位于大興安嶺隆起帶與海拉爾沉降盆地接觸地帶，構造以NE向為主，大斷裂帶有嫩江大斷裂，大興安嶺西側有德爾布干大斷裂，NE向有巴爾圖斷裂、額爾古納斷裂，NW向主要有嫩江大斷裂的次斷裂。

1.2 觀測資料概況

中國地震局“十五”數字化項目完成之后，內蒙古地球物理臺網積累了豐富、完整的數字化原始觀測資料。表1 為數字化水管傾斜觀測儀器概況。

表1 數字化傾斜觀測儀器概況

2 同震形變研究

2.1 同震形變

受地震波激發，借助數字化形變前兆儀器觀測到的地震時傾斜、應變或應力的波動現象稱為震時形變波，以區分于地震波。震時形變波是地震波的另一形式(牛安福等，2005)。地震波通過地震儀輸出的往往是位移、速度和加速度等，而震時形變波則主要是傾斜、應變或應力的瞬間波動，其震時輸出信號持續時間依賴于震中距和儀器精度，主要集中在幾十分鐘到幾小時范圍內。由于采樣的局限性，震時形變波目前仍較難展示 P波和S波初動，因而震時形變波反映的主要是遠場面波。

面波主要包括勒夫波和瑞雷波。前者僅在水平方向運動，后者在行進面內運動。面波是地震體波反射產生的派生波，能量強、傳播遠。利用同震傾斜形變階躍可給出地震的震源機制。

2.2 面波延遲時間與震中距的關系

面波延遲時間，指在測點觀測到的響應與地震發生時刻之間的等待時間。該等待時間與地震面波的傳播速度及震中距有關。數字化水管傾斜儀采樣率為分鐘，面波到達時間受采樣率約束，精確到分鐘。表2 為震中距與面波延遲時間的函數關系和R值。

表2 震中距與面波延遲時間的函數關系和R值

x值的系數為0.0015～0.0019，該系數反映了面波的速率，系數越小，面波速率越高。由于距離跨度較大，所反映的速率比真實的面波速率要高。

本研究選取2008—2018年記錄到的中國境內50個6.0≤M<8.0地震及增加的全球150個M≥7.0地震，共200個樣本作為研究對象，面波延遲時間與震中距進行回歸計算后呈線性分布特征，R值在0.74～0.90，相關特征顯著。最大R值臺站為烏蘭浩特臺，最小R值臺站為赤峰臺；烏蘭浩特臺面波延遲時間與震中距正相關特征明顯，震中距越遠，面波延遲時間越長，面波到達等待時間長，說明面波到達傳播速度慢，存在低速現象。圖2 為水管傾斜儀面波延遲時間與震中距關系特征。

圖2 面波延遲時間與震中距關系特征(a)呼和浩特臺；(b)赤峰臺；(c)烏蘭浩特臺；(d)海拉爾臺

2.3 同震形變振幅與震中距、震級關系研究

由數據分析結果可以看出，同震形變震級與振幅等具有線性相關，但是受震中距影響明顯，且非簡單相關。為檢驗同震形變觀測中場地響應能力的大小和差異，應用回歸分析，擬合震級模型公式

M=algA+blgD/D0+C

(1)

式中，M為震級，A為振幅，D為震中距，D0=290km為地應力波半波長(牛安福，2017)。通過將200個震例的同震形變物理量作為基本參數與震級模型進行擬合，求出各臺站水管傾斜兩分量系數及參數，得出同震形變震級公式。具體參數見表3。

表3 同震形變震級公式及誤差

通過計算理論震級與實際震級的R值及標準誤差，可以得出多數測項對lgA的相關系數在0.65左右，對lgD的相關系數在0.8左右，震級擬合誤差在0.3級左右，擬合R值總體在0.8左右。在以上回歸分析中，赤峰臺NS向和烏蘭浩特臺NS向R值偏低，在0.55左右。赤峰臺NS向和烏蘭浩特臺NS向的觀測對振幅的依賴較強，其相關系數分別為0.95和1.0；但對距離的依賴較弱，其相關系數分別為0.33 和0.28，很可能是由于該觀測測項的阻尼較低，影響了觀測的穩定性。

3 結論

通過研究2008—2018年200個地震的同震形變波形，回歸分析地震面波響應延遲時間、振幅、面波持續時間、震級、震中距等基本物理量之間的函數關系，對4個臺站的場地響應能力進行了初步判定，結論如下：

(1)面波延遲時間與震中距具有顯著相關性，R值在0.74～0.90，最大R值臺站為烏蘭浩特臺，最小R值臺站為赤峰臺；烏蘭浩特臺面波延遲時間與震中距正相關特征明顯，震中距越遠，面波延遲時間越長，面波到達等待時間越長。

(2)同震振幅與地震震級、震中距有一定的相關性。通過震級擬合模型分析得出，擬合震級與實際震級相關系數多數為0.8左右，震級誤差為0.3級左右。在震級回歸模型分析中，赤峰臺NS向和烏蘭浩特臺NS向R值偏低，赤峰臺和烏蘭浩特臺NS向的觀測對振幅的依賴較強，其相關系數分別為0.95和1.0；但對距離的依賴較弱，其相關系數分別為0.33和0.28，很可能是由于地震波頻段儀器的阻尼較低造成的。

致謝：感謝審稿專家為本文提出的寶貴意見。