2022年門源MS6.9地震同震應(yīng)變觀測

王宇龍 張 燕 王迪晉

1 中國地震局地震研究所,武漢市洪山測路40號,430071 2 中國地震局地震大地測量重點實驗室,武漢市洪山測路40號,430071

鉆孔應(yīng)變儀一般安裝于地下數(shù)十米深的基巖(或土層)中,可連續(xù)觀測地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài),具有數(shù)據(jù)精度高、觀測頻帶寬、受地形限制少、安裝方便、維護簡單等優(yōu)點,已成為主要的地殼應(yīng)變觀測儀器[1]。1968-09美國卡內(nèi)基研究所的Sacks和得克薩斯大學(xué)的Evertson研制出世界上第一臺鉆孔(體)應(yīng)變儀[2],隨后鉆孔應(yīng)變儀在中國、日本等國家先后被研制出來,并得到迅速發(fā)展和完善,出現(xiàn)了三分量、四分量鉆孔應(yīng)變儀。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,如今的鉆孔應(yīng)變儀已經(jīng)能夠觀測到地震的同震、靜態(tài)應(yīng)變變化,被廣泛應(yīng)用于地震預(yù)報預(yù)警及震級估計等方面[3-6]。

對地震破裂過程的探討一直都是地震學(xué)研究的熱點。目前對地震破裂過程反演的研究已相對成熟,所用的數(shù)據(jù)也從最初的單一(GPS、InSAR和地震儀等)數(shù)據(jù)發(fā)展到多源數(shù)據(jù)[7]。而鉆孔應(yīng)變觀測因其近年來表現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢[8],被越來越多的學(xué)者應(yīng)用于地震破裂研究。我國四分量鉆孔應(yīng)變觀測技術(shù)已相對成熟,觀測數(shù)據(jù)基本滿足自洽,站點數(shù)量也能滿足要求。本文以2022年門源MS6.9地震為例,通過分析四分量鉆孔應(yīng)變儀記錄的觀測值與計算的應(yīng)變模擬值之間的相關(guān)性,探索鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)約束地震破裂過程的可行性。

1 同震應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)處理

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心(CENC)測定,北京時間2022-01-08 01:45:27青海省海北藏族自治州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生MS6.9地震,震源深度10 km。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)給出的地震初始破裂點為37.828°N、101.290°E,地震矩大小為1.046×1019Nm,震級為MW6.6,震源深度為11.5 km,震源機制走向為104°、傾角為88°、滑動角為15°。全球矩心矩張量(GCMT)項目給出的地震起始破裂點為37.81°N、101.31°E,震級MW6.7,震源深度13.7 km,震源機制走向為105°、傾角為82°、滑動角為1°。

本文選取門源、湟源等17個鉆孔應(yīng)變儀臺站2022-01-08 00:00:00～23:59:59的1 sps(samples per second)采樣數(shù)據(jù)展開研究。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,對原始觀測數(shù)據(jù)的4個分量進行去除突跳和有效插值預(yù)處理。

1.1 時間校正

時間的準確性直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的可信度。當鉆孔應(yīng)變儀臺站GPS信號微弱時,難以保證儀器時間與實際時間完全一致,這時就需要對儀器進行時間校正[9]。通常P波的初至?xí)r刻比較清晰,本文利用發(fā)震后P波走時進行時間校正。

利用TauP軟件[10]分別求得17個臺站的P波理論走時(表1),之后將P波實際到時與理論到時進行求差,差值即為臺站的時間誤差。以門源臺NS向的元件觀測值為例,發(fā)震時刻為01:45:27,P波的理論走時為11 s,即P波的理論到時為01:45:38,但是P波的實際到時卻為01:46:47,表明門源臺儀器時間滯后了69 s(圖1)。相同的方法分別應(yīng)用到其余16個臺站,確定儀器的誤差時間(表1),完成對儀器時間的校正。

表1 各臺站時間誤差

1.2 數(shù)據(jù)自洽與相對實地標定

我國四分量鉆孔應(yīng)變儀經(jīng)多年運行,儀器探頭得以改進,最大的亮點就是四元件觀測,即元件兩兩夾角為45°。四元件觀測值滿足關(guān)系式:

S1+S3=S2+S4

(1)

式中,Si(i=1,2,3,4)為四元件的觀測值,其中S1+S3和S2+S4均為觀測面應(yīng)變,當儀器與圍巖的耦合處于理想狀況時兩者應(yīng)相等[8]。

自洽程度決定觀測數(shù)據(jù)的可靠程度。為衡量自洽程度,引入面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)r[11]:

r=

(2)

式中,S13和S24分別表示S1+S3和S2+S4,N表示數(shù)據(jù)個數(shù)。r越接近1表明觀測數(shù)據(jù)自洽程度越高,觀測數(shù)據(jù)越可靠。

分別計算17個臺站觀測數(shù)據(jù)的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)r1(表2),可以看出,多數(shù)臺站的觀測數(shù)據(jù)面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)接近于1,基本符合自洽,證明完整巖石可被看作理想彈性體。數(shù)據(jù)不十分符合自洽方程時,可能是井下探頭中的元件靈敏度發(fā)生了不一致的變化。例如,在將探頭裝入鉆孔的過程中,各元件的靈敏度可能因溫度等因素的變化而發(fā)生不一致的變化。對于這種變化,可以對所有元件的靈敏度變化進行相對實地標定,對觀測數(shù)據(jù)進行校正,具體標定方法見文獻[8]。

表2 各臺站面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)以及元件靈敏度標定系數(shù)

1.3 應(yīng)變換算

上述Si(i=1,2,3,4)是鉆孔應(yīng)變儀4個元件直接觀測的元件探頭套筒內(nèi)徑的相對變化,即元件長度變化量與元件長度之比,因此儀器測量的并不是實際應(yīng)變變化[12]。同時,儀器元件布設(shè)時往往與地理坐標軸存在夾角,為便于后續(xù)研究,本文將元件觀測值換算為地理坐標軸上NS向和EW向的正應(yīng)變。

平面應(yīng)變狀態(tài)只有3個獨立分量,而四分量鉆孔應(yīng)變儀有4個元件,記錄4個觀測值。一般情況下,令

(3)

將4個直接觀測值轉(zhuǎn)化為3個替代觀測值(s13,s24,sa),來求解3個未知分量。3個未知分量的表示方法有多種,最常用的是求解ε1、ε2、φ,其中ε1為最大主應(yīng)變,ε2為最小主應(yīng)變,φ為最大主應(yīng)變方向,其表達的物理意義最清晰,還可進一步轉(zhuǎn)換為其他形式的獨立分量。

已知觀測值與主應(yīng)變和主方向(ε1,ε2,φ)的關(guān)系為:

(4)

式中,θ1為S1的方位角。聯(lián)立式(3)和式(4)可求出主應(yīng)變和主方向(ε1,ε2,φ):

(5)

進行鉆孔應(yīng)變觀測的應(yīng)變換算需要知道耦合系數(shù)A和B的值,其與套筒的材料和尺寸、水泥的材料和尺寸及周圍巖石的性質(zhì)都有復(fù)雜的關(guān)系,一般使用實地絕對標定方法確定,具體公式為:

(6)

地理坐標系下平面的3個獨立分量表示為εN、εE、εNE,其與ε1、ε2、φ的關(guān)系為[8]:

(7)

根據(jù)式(7)將17個臺站的四分量鉆孔應(yīng)變儀原始觀測應(yīng)變值換算為地理坐標系下的NS向正應(yīng)變εN和EW向正應(yīng)變εE。

1.4 濾波處理

鉆孔應(yīng)變儀原始觀測數(shù)據(jù)中通常包括長周期低頻潮汐信號及一些高頻干擾信號,這些信息會影響地震信號的識別,一般需要通過濾波處理將其去除[6]。經(jīng)過應(yīng)變換算得到的正應(yīng)變數(shù)據(jù)存在同樣的問題,本文設(shè)計通帶頻率為0.04～0.20 Hz的帶通濾波器對NS向和EW向的正應(yīng)變數(shù)據(jù)進行濾波處理。

濾波處理后以門源地震發(fā)震時刻(01:45:27)為零點,時間長度截取1 000 s,按震中距大小排列,分別得到17個臺站NS向和EW向的應(yīng)變觀測值波形(圖2),同時在圖中標明P波初至?xí)r刻。

圖2 應(yīng)變觀測值

可以看出,NS向和EW向的觀測波形中多數(shù)臺站的P波初至震相清晰,符合表1中的P波理論走時,僅有門源、湟源、汕頭和馬場4個臺站的P波初至震相不清晰?？赡苁怯捎陂T源臺和湟源臺震中距較小,P波和S波到達時間相差不大,經(jīng)濾波處理后波形疊加導(dǎo)致震相不清晰;而汕頭臺和馬場臺震中距較大,應(yīng)變波存在衰減,經(jīng)濾波處理后震相識別產(chǎn)生困難。但是,由于前期對觀測數(shù)據(jù)進行了時間校正,P波的實際到時與理論到時一致,因此可根據(jù)理論到時對P波初至?xí)r刻進行識別。

2 同震應(yīng)變模擬值計算

2.1 正演軟件QSSP

QSSP是由德國地學(xué)研究中心(GFZ)汪榮江教授基于Fortran編程語言編寫的一款計算完整合成地震圖的軟件,內(nèi)置具有大氣、海洋、地幔、液態(tài)外核和固態(tài)內(nèi)核多層結(jié)構(gòu)的球?qū)ΨQ自引力地球模型[13],可用于正演計算地震發(fā)生后地表任意位置、任意時間范圍的應(yīng)變、應(yīng)力、速度、位移、重力等參數(shù)的同震動態(tài)變化值。

2.2 數(shù)值模擬

QSSP軟件由源代碼文件、執(zhí)行文件和參數(shù)輸入文件3部分組成,正演計算理論模擬數(shù)值時需要修改參數(shù)輸入文件的內(nèi)容,并在執(zhí)行文件中運行,具體需要修改的主要參數(shù)見表3,其余參數(shù)可根據(jù)需求進行修改。

表3 QSSP計算時使用的參數(shù)

本文參考美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的斷層破裂模型參數(shù)修改參數(shù)輸入文件,分別計算17個臺站處的理論模擬應(yīng)變值,同時為與觀測數(shù)據(jù)的處理方式保持一致,將帶通濾波器通帶頻率設(shè)置為0.04～0.2 Hz,地球模型使用AK135模型。計算得到的理論應(yīng)變值為地理坐標系下的張量形式,為便于研究本文選取NS向和EW向的理論正應(yīng)變值。

2.3 模擬值波形

將NS向和EW向的理論正應(yīng)變值截取1 000 s,按震中距排列分別得到17個臺站NS向和EW向的應(yīng)變模擬值波形(圖3),同時在圖中標出P波初至?xí)r刻。從圖中可以看出,NS向和EW向的模擬波形中大部分臺站的P波初至震相清晰,P波走時符合表1的理論走時,僅南山口臺的模擬波形在發(fā)震時刻后存在波動,使P波的初至震相識別產(chǎn)生困難。

圖3 應(yīng)變模擬值

3 觀測值和模擬值擬合分析

相較于其他震相,P波震相既容易識別,又較為單一,并且前文得到的觀測波形和模擬波形基本上都清晰識別到了P波的初至震相,因此本文以初至?xí)r刻對齊的方式對觀測值和模擬值的P波進行擬合。

3.1 相關(guān)系數(shù)

本文使用式(8)計算相關(guān)系數(shù)ρ對波形擬合程度進行評價,其中G、M、n分別表示觀測值、模擬值和數(shù)據(jù)個數(shù),相關(guān)程度類型按相關(guān)系數(shù)大小分為4類(表4),相關(guān)系數(shù)越接近于1表明相關(guān)程度越高,越接近于0則表明相關(guān)程度越差:

表4 相關(guān)程度的類型

ρ=

(8)

3.2 擬合結(jié)果

為保證截取到完整的P波波形,需要按照震中距大小選擇合適的時間長度(表5),之后以P波初至?xí)r刻為零點,按震中距從小到大的順序?qū)?7個臺站NS向和EW向的P波觀測值和理論值分別進行擬合并計算其相關(guān)系數(shù)(表6),得到二者的擬合波形,擬合相關(guān)系數(shù)標注于圖4臺站名稱后面。

圖4 P波觀測值與模擬值擬合

表5 擬合截取時間長度

表6 擬合波形相關(guān)系數(shù)

從擬合結(jié)果來看,NS向有13個臺站的擬合相關(guān)系數(shù)大于0.8,為高度相關(guān),占臺站總數(shù)的76.5%;有4個臺站為中度相關(guān),占臺站總數(shù)的23.5%;總的相關(guān)系數(shù)平均值為0.835,達到了高度相關(guān)的標準。EW向有14個臺站的擬合相關(guān)系數(shù)大于0.8,為高度相關(guān),占臺站總數(shù)的82.4%;有3個臺站為中度相關(guān),占臺站總數(shù)的17.6%;總的相關(guān)系數(shù)平均值為0.842,也達到高度相關(guān)的標準。

綜上所述,本文利用USGS提供的斷層破裂模型參數(shù),基于QSSP軟件計算得到理論應(yīng)變模擬值與實際應(yīng)變觀測值的P波震相吻合較好,17個臺站的波形擬合程度普遍達到了高度相關(guān)。結(jié)果表明,鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)可以較好地記錄到地震破裂信息,理論上可以作為研究地震破裂過程的數(shù)據(jù)源。

4 結(jié) 語

本文以2022年門源MS6.9地震為例,將17個臺站的四分量鉆孔應(yīng)變儀1 sps采樣率的同震應(yīng)變觀測值經(jīng)時間校正、實地相對標定、應(yīng)變換算等一系列處理后,與基于USGS斷層破裂模型參數(shù)通過QSSP軟件計算求得的同震應(yīng)變模擬值的P波進行擬合分析,得到以下結(jié)論:

1)鉆孔應(yīng)變儀儀器時間的準確性直接關(guān)系到觀測數(shù)據(jù)的可信度,本文對17個臺站的鉆孔應(yīng)變儀利用P波理論走時的計算方法進行時間校正,消除時間偏差。

2)對鉆孔應(yīng)變儀4個元件的靈敏度進行一致性檢驗,計算各元件的靈敏度標定系數(shù)。利用這個結(jié)果對觀測數(shù)據(jù)進行校正,校正后觀測數(shù)據(jù)的自洽程度得到顯著提高,作為自洽評價標準的面應(yīng)變相關(guān)系數(shù)普遍達到0.9以上。

3)17個臺站的P波觀測波形與模擬波形的擬合效果較好,相關(guān)程度普遍達到了高度相關(guān),NS向和EW向的擬合相關(guān)系數(shù)平均值分別為0.835和0.842。擬合結(jié)果表明,鉆孔應(yīng)變儀同震觀測數(shù)據(jù)與同震模擬數(shù)據(jù)具有較好的一致性,說明鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)可較好地反映地震破裂信息,具備約束地震破裂過程的潛力,進一步驗證鉆孔應(yīng)變觀測數(shù)據(jù)可用于地震破裂過程的研究。