鎮江市地震臺RZB型分量鉆孔應變儀地震記錄特征與地震參數相關性分析

董晨陽

（中國江蘇 212001 鎮江市地震臺）

0 引言

分量鉆孔應變儀是一種用于觀測地殼應變，進而研究地球物理過程和地球動力學動態變化的儀器。該儀器安裝在鉆孔中，使用特種水泥作為耦合介質，具有較高的觀測精度和穩定性，可以記錄到清晰的固體潮汐和地震孕育過程中地殼的伸縮變形。

目前，中國主要使用YRY 型和RZB 型兩種分量應變儀進行地殼應力應變觀測，并在地震分析預報研究中取得諸多成果，如：蔣靖祥等（2004）、柳忠旺等（2014）、蒲小武等（2014）對分量式鉆孔應變儀在地震前后出現的異常進行了研究；賴愛京等（2010）、陽光等（2015）對造成分量式鉆孔應變儀的干擾原因進行了分析；劉琦等（2013）、唐磊等（2013）、李玉麗等（2017）、張才劍等（2019）對分量式鉆孔應變儀同震響應進行了分析。

鎮江市地震臺（下文簡稱鎮江臺）使用RZB 型分量式鉆孔應變儀（下文簡稱分量鉆孔應變儀）進行觀測，且自2014 年運行以來，對全球遠大地震響應較好。文中總結了鎮江臺分量鉆孔應變儀2014 年5 月至2018 年3 月記錄的全球地震概況，分析地震震級與最大振幅的關系、震中距與最大振幅的關系、地震波傳播方向與四分量中振幅最大的分量方位之間的關系，以便了解并掌握該應變儀性能，發現其中的規律性，為防震減災工作提供數據參考。

1 鎮江臺概況及分量應變儀參數

鎮江臺位于鎮江市潤州區官塘新城，臺站所在區屬寧鎮山脈地質條件，基巖為三疊系黃馬青組砂巖。地震臺始建于1978年，目前開展測震、強震動和應變觀測，主要配備測震儀、強震儀以及分量鉆孔應變儀。

分量鉆孔應變儀由中國地震局地殼應力研究所于2014 年3 月30 日安裝，4 月1 日投入觀測運行。分量鉆孔應變儀元件分布見圖1，測項主要參數見表1。

表1 鎮江臺分量鉆孔應變觀測參數Table 1 Parameters of the component borehole strainmeter at Zhenjiang Seismic Station

圖1 探頭內傳感器方位Fig.1 Sensor orientation in the probe

根據邱澤華等（2005）的計算方法，取鎮江臺2016 年7 月1 日至11 月30 日分量鉆孔應變儀四分量整點值數據進行標定，計算得到四分量相對標定靈敏度，結果見表2。

表2 相對標定靈敏度計算結果Table 2 Relative calibration results

2 分量鉆孔應變儀同震記錄能力

自2014 年5 月1 日分量鉆孔應變儀運行穩定以來，至2018 年3 月31 日（2018 年8 月29 日后分量鉆孔應變儀出現故障，為保障觀測數據的精確性，儀器故障前后的數據未采用），鎮江臺共記錄142 次天然地震，地震選取標準如下：在4 個分量中，有一個及以上分量記錄的最大振幅可與背景振幅區分，且地震發生后短時間內有余震發生的以一次地震計算。其中，與全球同期發生的相同震級大小的地震相比，鎮江臺記錄8.0 級以上地震6 次，占比100%；記錄7.0—7.9 級地震34 次，占比77.3%；記錄6.0—6.9 級地震86 次，占比25.0%；記錄5.0—5.9 級地震16 次，結果見表3。文中所有地震參數均來源于中國地震臺網中心網頁，未統計全球5.0—5.9 級地震數。

表3 鎮江臺分量鉆孔應變儀地震記錄統計結果Table 3 Statistics of the earthquakes recorded by the component borehole strainmeter at Zhenjiang Seismic Station

鎮江臺記錄的5.0—5.9 級地震基本發生在中國臺灣地區，少部分分布在廣西、云南、南海地區，震中距836—2 101 km，最遠地震發生在云南省普洱市景谷傣族彝族自治縣；6.0—6.9 級地震震中距784—10 421 km，最遠地震發生在直布羅陀海峽；7.0—7.9 級地震震中距887—18 312 km，最遠地震發生在智利；8.0 級以上地震震中距2 079—18 972 km，最遠地震發生在智利中部沿岸近海。統計結果見表4。

表4 不同震級范圍內震中距統計Table 4 Statistics of epicentral distance within different magnitude ranges

3 分量鉆孔應變儀記錄能力

形變儀器對地震的記錄能力，可在震級和震中距的關系中反映出來。

對于鎮江臺記錄的142 次天然地震，以震中距對數值lgΔ為橫坐標，以震級M為縱坐標做散點圖，并進行標準曲線擬合，見圖2，可得擬合直線公式為

由圖2 可見，震級越大，可記錄地震的震中距也越大，但震級約8.0 的地震幾乎均偏離擬合直線，究其原因是，這些地震不一定發生在分量鉆孔應變儀可記錄同等震級地震的最遠地點，即使震中距更大，仍可有效記錄。

圖2 震級與震中距對數關系Fig.2 Relationship between magnitude and logarithm of epicentral distance

4 地震參數與記錄特征關系

對于所選取的142 次地震，從震中距和震級分別與地震波形最大振幅的關系以及地震傳播方向與四分量中振幅最大的分量方位的關系進行分析，探討鎮江臺分量鉆孔應變儀地震波記錄特征和地震參數的關系。文中的最大振幅指，分量鉆孔應變儀4 個分量記錄的最大振幅。

4.1 震中距與最大振幅的關系

統計發現，鎮江臺分量鉆孔應變儀記錄M6.2、M6.4、M6.5、M6.7、M6.8、M6.9、M7.2（據中國地震臺網中心網頁）地震數量較多，選擇此7 個震級的地震，對震中距與波形記錄最大振幅進行曲線擬合，發現部分地震偏離擬合曲線（這部分地震記錄波形的最大振幅較小，其震源深度≥150 km）。剔除該部分地震后，M6.2、M6.4、M6.5、M6.7、M6.8、M6.9、M7.2 地震分別保留10 個、13 個、8 個、8 個、9 個、9 個、8 個，對震中距與波形記錄最大振幅進行重新擬合，結果見圖3。由圖3 可見，震級相同，震中距越大，最大振幅越小，擬合曲線較為符合冪函數關系。總體上，震中距與最大振幅數值擬合較好，而個別數據點偏離曲線較遠，可能原因如下：①分量鉆孔應變儀采樣率為1次/min，有時周期長度難以分辨，所選最大振幅的最大值和最小值可能不在一個周期內，導致最大振幅量取出現誤差，振幅偏大；②應變量的最大值或最小值未被記錄，所量取數值非實際最大振幅，振幅偏小。

圖3 最大振幅與震中距關系（a）M =6.2 地震；（b）M =6.4 地震；（c）M =6.5 地震；（d）M =6.7 地震；（e）M =6.8 地震；（f）M =6.9 地震；（g）M =7.2 地震Fig.3 The relationship between the maximum amplitude and epicentral distance

4.2 震級與最大振幅的關系

在142 次地震中，選取震中距相近的地震，分析震級與最大振幅的關系。震中距近似相等的地震選取原則如下：每組地震震中距相近，組內地震數≥7。據此，將震中距劃分為以下6 段：Δ=836—941 km、944—1 086 km、2 268—2 404 km、4 184—4 289 km、5 374—5 472 km、6 675—6 808 km，對應地震數分別為14、13、10、7、9、7（同樣剔除震源深度≥150 km 的地震），對6 段數據進行曲線擬合，結果見圖4。

圖4 最大振幅與震級關系（a）836—941 km；（b）944—1 086 km；（c）2 268—2 404 km；（d）4 184—4 289 km；（e）5 374—5 472 km；（f）6 675—6 808 kmFig.4 The relationship between the maximum amplitude and magnitude

由圖4 可見，震中距相近，震級越大，最大振幅越大，擬合曲線較為符合冪函數關系。圖中多個數值擬合較好，當震級M＞7，震中距Δ＜4 300 km 時，實際所測最大振幅比根據擬合曲線計算的結果偏大（5—8）×10-8。

圖4 中部分地震點位偏離擬合曲線，如：（e）圖中有一個地震A 數據點位置低于擬合曲線較多，可能是因為其震源深度較深（110 km）；（e）圖中地震B 的最大振幅明顯偏高，可能是因為所量取最大振幅的最大值和最小值不在一個周期內，造成最大振幅偏大；對于點位偏低的地震，可能是因為記錄的應變量最大值或最小值并非實際最大或最小振幅，導致量取振幅偏小。

4.3 地震傳播方向與最大振幅分量的關系

根據地震震中、地震臺站經緯度坐標，以及分量鉆孔應變儀測量探頭傳感器方位（圖1），使用MapSIS 軟件，提取有關震中及臺站位置的世界地圖，使用CorelDRAW X4 軟件，量取震中和臺站連線與最大振幅分量之間的角度（世界地圖以臺站為原點，圖1 中傳感器的中心點為原點，使二者重合），并根據測量角度的大小，判斷地震傳播方向和最大振幅分量方位的同向性。

設四分量鉆孔應變儀各分量方向線S1、S2、S3、S4，如圖5 所示，以中心點O 為臺站位置，設某一地震震中位于點A，點A、O 連線設為地震波傳播方向AO，假設該地震的S4分量振幅最大，S4與AO之間的夾角為α，若α≤30°，則判定AO與S4同向性較好；若30°＜α≤60°，則判定AO與S4同向性一般；若60°＜α≤90°，則判定AO與S4同向性較差。

圖5 最大振幅分量線與震中和臺站連線的夾角Fig.5 The angle between the line of the maximum amplitude component and the line between the epicenter and the station

據以上判定原則，統計所選取142 次地震傳播方向（震中與臺站連線方向）與最大振幅分量的夾角，結果見圖6。由圖6 可見，93 次地震傳播方向與最大振幅分量方向同向性好，占比65.5%；41 次地震同向性一般，占比28.9%；8 次地震同向性較差，占比5.6%。

圖6 地震傳播方向與最大振幅分量的方向的關系Fig.6 The relationship between seismic propagation direction and the direction of the maximum amplitude component

據此統計，同向性較好的地震占多數，表示多數地震最大振幅所在分量方向與地震傳播方向基本相同。

5 結論

通過對鎮江臺RZB 型分量鉆孔應變儀同震記錄進行分析，得出以下結論。

（1）該應變儀可記錄研究時段內震中距2 100 km 以內的部分5 級以上地震，10 421 km以內的部分6 級以上地震，18 312 km 以內的大部分7 級以上地震，以及全球所有8 級地震。

（2）實際地震發生時，震中距與震級無必然關系，但理論上震級越大，所能記錄的地震震中距可以越大，震中距對數值和震級符合線性關系。

（3）若震級相同，震中距越大，最大振幅越小，擬合曲線較為符合冪函數關系。若震中距相近，震級越大，最大振幅越大，擬合曲線較為符合冪函數關系。

總體而言，震中距與最大振幅和震級與最大振幅的數值擬合較好，但仍有數據點偏離曲線較遠。震源深度大于150 km，地震的最大振幅偏小，將明顯偏離擬合曲線，剔除后仍有數據點偏離曲線，原因如下：分量鉆孔應變儀采樣率為1 次/min，周期長度有時難以分辨，所選最大振幅的最大值和最小值不一定在一個周期內，導致最大振幅量取存在誤差，一般最大振幅偏大；未記錄到應變量最大值或最小值，量取值非實際最大振幅，導致振幅偏小。

（4）多數地震的最大振幅所在分量的方向與地震傳播方向基本相同。