安康地區(qū)地形變資料同震形變波特征分析＊

張雪娟 張創(chuàng)軍 王玥明 邵若潼 古云鶴

1) 陜西省地震局安康地震監(jiān)測中心站，陜西安康 725029

2) 陜西省地震局，陜西西安 710068

引言

作為地球物理場監(jiān)測的重要手段之一，地形變觀測是通過監(jiān)測地殼運動及變形來認識地震孕育及其發(fā)生過程，進而開展地震分析預報工作[1-2]。地形變是地震孕育及其發(fā)生過程中突出的伴生現(xiàn)象，地形變資料的分析研究及應用為推動地震分析預報的發(fā)展提供了重要的方法與途徑。

目前，對于地形變觀測資料的分析及研究，主要集中在3 個大方面：①地形變觀測資料的質量評估，如依據(jù)相關參數(shù)評估數(shù)字化觀測資料或對比分析同類別的數(shù)字化與模擬化觀測資料[3-6]；② 地形變資料中異常特征的識別與分析，如震前異?，F(xiàn)象或干擾異常的識別及分析[7-9]；③地形變觀測資料的同震響應特征、儀器映震能力的分析研究，如形變儀器的同震響應特征、同震形變波物理分布特征及形變儀器映震能力對比分析[10-14]。

同震形變響應是指受地震波激發(fā)，形變觀測儀器記錄到的震時傾斜、應變及應力的瞬時波動，其波形（即同震形變波）富含地震破裂及其傳播過程中的相關信息[10,13]。通過系統(tǒng)分析同震形變波的面波延遲時間、最大響應幅度及同震持續(xù)時間等特征參數(shù)與震源參數(shù)之間的關系，有助于深入了解地形變資料中的地震特征，這對于短臨預測工作的開展具有一定意義。

本文借助安康地區(qū)3 個形變臺2017—2020 年地形變資料，對比分析地下介質結構（3 個形變臺）和儀器自身特性（不同儀器）對映震能力的影響情況，深入了解數(shù)字化形變儀器的地震監(jiān)測現(xiàn)狀。同時，從面波延遲時間、最大響應幅度及同震持續(xù)時間等方面系統(tǒng)探討同震形變波的物理分布特征，獲知安康地區(qū)同震形變響應的特征或規(guī)律。

1 臺站及形變儀器概況

安康地區(qū)位于陜西省南部，區(qū)域內(nèi)共有3 個形變臺：安康臺、平利臺及寧陜臺，圖1 是其布設位置圖。安康臺始建于1976 年，數(shù)字化改造于2007 年完成，地處秦巴山地內(nèi)安康盆地南緣，地貌為丘陵溝壑區(qū)，構造上處于北西向月河斷裂帶，臺基出露基巖為志留紀千枚巖，基巖完整性好；平利臺地處大巴山脈，地貌為山地，構造上處于秦嶺斷塊內(nèi)的加里東褶皺斷裂帶內(nèi)，基巖為灰?guī)r，堅硬完整，致密均勻；寧陜臺始建于1977 年，數(shù)字化改造于2007 年完成，地處秦巴腹地，臺基巖性為印支期花崗巖，大面積出露，觀測環(huán)境良好。

圖1 安康地區(qū)3 個形變臺的布設位置圖Fig.1 Location of three deformation stations in Ankang area

2018 年3 月9 日安康臺的傾斜儀由VS 型更換為VP 型，2019 年9 月25 日寧陜臺也更換為VP 型，目前正在運行中的形變儀器及其地震記錄情況具體見表1。

表1 形變儀器及其地震記錄情況Table 1 Basic information and seismic record of deformation instrument

2 形變儀器映震能力分析

在系統(tǒng)分析同震形變波各類特征前，了解形變儀器的映震能力十分必要，這也有助于清楚認識數(shù)字化形變儀器的地震監(jiān)測現(xiàn)狀。映震能力一般體現(xiàn)在震級與震中距的關系上，但因同震形變波反映遠場面波信息，震級統(tǒng)一使用面波震級（MS）。面波震級換算公式為[13]：

式中，mb為體波震級，ML為地方性震級。

臺站震中距計算公式為：

式中，Δ為臺站震中距，λe為震中經(jīng)度，λs為臺站經(jīng)度，φe為震中地心余緯度，φs為臺站地心余緯度。地心余緯度 φ為：

式中，北緯為“ -”，南緯為“ +”，ψ為地心緯度，其與地理緯度φ′的關系如下：

式中，f為地球扁率，f=1/298.25≈0.003，如忽略不計，則ψ=φ′，于是

式中，φe′為震中地理緯度，φs′為臺站地理緯度，則式（3）可變?yōu)椋?/p>

若臺站震中距Δ用長度D表示，則：

式中，R為地球平均半徑，即6 371 km；Δ單位為弧度。

本文統(tǒng)計了3 個形變臺、6 套形變儀器記錄的所有地震，繪制其映震能力分布圖（圖2）。從圖2 中可看出，不同類型儀器的映震能力明顯不同，如VP 儀頻帶范圍最寬，記錄的震級下限最低，即為MS2.4（安康臺）和MS2.6（寧陜臺）；其次是水管儀記錄的震級下限為MS2.7，體應變儀記錄的震級下限為MS5.0（安康臺）和MS4.5（寧陜臺）；最后是伸縮儀，其記錄的震級下限為MS6.4。

圖2 形變儀器地震震級與震中距對數(shù)關系圖Fig.2 Relationship between the magnitude Ms and the logarithm of epicenter distance of deformation instrument

圖2 顯示所有形變儀器所記錄的地震基本位于關系圖的左上方，而且隨著震中距的增大，震級也呈現(xiàn)出增大趨勢。為量化分析形變儀器的映震能力，可在圖中所有震例下方，選取震中距較小的點A（x1，y1）和震中距較大的點B（x2，y2），由這兩點繪制出的斜線大體反映儀器記錄到的地震震級與震中距的變化趨勢，將該兩點帶入直線方程y=(lgx-lgx1) (y2-y1)/(lgx2-lgx1)+y1，化簡后即可獲得儀器的映震能力統(tǒng)計公式[13]。該映震能力統(tǒng)計公式可大體反映出儀器在某一震中距下能記錄到的地震震級最小值。6 套形變儀器的映震能力統(tǒng)計公式見圖2 和表2。

表2 形變儀器映震能力統(tǒng)計公式Table 2 Statistic formula of earthquake-reflecting capacity of deformation instrument

從表2 中可看出，3 個形變臺、6 套形變儀器的映震能力統(tǒng)計公式各不相同。同一臺站（同一地區(qū)）不同類型的形變儀器的映震能力明顯不同，如平利臺的兩套儀器在震中距相同的情況下，伸縮儀記錄到的最小地震震級可能比水管儀大了約2 個震級，這表明儀器的映震能力與儀器自身響應特性（如固有周期、采樣率及工作原理等）有關，如伸縮儀是測量水平位移的儀器，在結構原理設計上避免對地面垂直變化有反應，只能記錄水平方向的地震波，從而導致伸縮儀對6 級以上地震才有響應[13]；不同臺站相同類型儀器的映震能力也存在差異，如在震中距相同的情況下兩套體應變儀記錄到的最小震級相差約0.3 個震級，而兩套VP 儀記錄到的最小震級相差約1.3 個震級，這可能與地下介質特性和儀器系統(tǒng)誤差有一定關聯(lián)。

3 同震形變波物理分布特征分析

由于形變儀器采樣率的局限性，同震形變波目前主要集中在面波頻段，其物理特征主要體現(xiàn)在面波延遲時間、最大響應幅度及同震持續(xù)時間等參數(shù)，它的響應幅度和持續(xù)時間與震級大小和震中距都有一定關系[11]。本文選取3 個形變臺、6 套形變儀器記錄到的所有地震，系統(tǒng)探討同震形變波的物理分布特征。

3.1 面波延遲時間與震中距的關系

面波延遲時間是指儀器觀測到響應距地震發(fā)生時刻的等待時間，主要受地震波速和震中距影響，圖3 給出3 個形變臺、6 套形變儀器面波延遲時間與震中距的擬合關系圖。從圖中可看出，面波延遲時間與震中距之間基本符合線性分布特征。其中，震中距小于11 000 km，地震事件分布密集，面波延遲時間與震中距的線性分布特征明顯；震中距大于13 000 km，地震事件較為分散，面波延遲時間與震中距的線性規(guī)律較差，這與張創(chuàng)軍等[12]認為的隨震中距增大觀測到的同震形變波響應參數(shù)誤差較大的觀點一致。

圖3 中還發(fā)現(xiàn)，除寧陜VP 儀外，其他5 套儀器的關系圖清楚顯示震中距11 000—13 000 km 范圍內(nèi)存在一個地震空區(qū)。根據(jù)映震能力統(tǒng)計公式可獲知，形變儀器在震中11 000—13 000 km 范圍內(nèi)可記錄到的最小地震震級（表3）。通過分析中國地震臺網(wǎng)地震目錄發(fā)現(xiàn)，2017—2020 年MS≥5.0 地震事件共3 290個，而震中距在11 000—13 000 km 的地震事件總數(shù)371 個，其中5.0≤MS＜5.6 的地震事件數(shù)239 個，5.6≤MS＜6.5 的地震事件數(shù)121 個，6.5≤MS＜7.1 的地震事件數(shù)9 個，MS≥7.1 的地震事件數(shù)2 個。綜合上述分析，認為這一地震空區(qū)的出現(xiàn)可能與震中距11 000—13 000 km 所在區(qū)域大震數(shù)量（MS≥6.5 的地震事件數(shù)11 個）過少及形變儀器自身響應特性有關。

表3 形變儀器在震中距11 000—13 000 km 內(nèi)可記錄到的最小地震震級（MS）Table 3 The minimum magnitude（Ms）that can be recorded by deformation instrument within 11 000—13 000 km________from the epicenter

圖3 形變儀器面波延遲時間與震中距的關系圖Fig.3 Relationship between the delay time of surface wave recorded by deformation instrument and epicenter distance

3.2 同震響應最大幅度與震級的關系

同震響應最大幅度受震中距、震級、發(fā)震構造、臺址環(huán)境等因素的影響，故一般先基于發(fā)震時刻、震中距等參數(shù)判斷儀器異常變化是否為同震響應，再通過專業(yè)軟件獲取該同震響應事件的相關參數(shù)（如同震響應最大幅度）。在統(tǒng)計時段內(nèi)，VP 儀記錄的最大幅度下限為0.108 ms；體應變儀記錄的最大幅度下限為0.4×10-9；水管儀記錄的最大幅度下限為0.15 ms，伸縮儀記錄的最大幅度下限為1.0×10-10。

同震響應最大幅度是同震形變波能量大小的直觀體現(xiàn)，與地震震級存在強關聯(lián)。圖4 給出安康VP 儀、平利水管儀、平利伸縮儀及寧陜體應變儀的同震響應最大幅度與震級的擬合關系圖。從圖4 可看出，同震響應最大幅度（A）與震級（MS）之間滿足MS=aIn(A)+b（a，b為擬合參數(shù)），表明同震響應最大幅度與震級之間呈正相關關系。此外，從圖中還可發(fā)現(xiàn)，部分形變儀器的數(shù)據(jù)點過于分散，擬合效果較差，這可能是由于形變儀器一般難以記錄到完整的地震面波，采集到的最大響應幅度也不一定是地震面波真正的最大幅度[11]。

圖4 形變儀器同震響應最大幅度與震級的關系圖Fig.4 Relationship between the maximum amplitude of co-seismic response recorded by deformation instrument and earthquake magnitude

3.3 同震持續(xù)時間與震級、震中距的關系

同震持續(xù)時間是指在儀器可分辨的范圍內(nèi)觀測到同震響應的持續(xù)時間，可能與震級、震中距有一定關聯(lián)。圖5 和圖6 給出3 個形變臺、6 套形變儀器的同震持續(xù)時間與震級、震中距的擬合關系圖。圖5 表明同震持續(xù)時間（TC）與震級（MS）之間滿足TC=a×e(b×MS)（a，b為擬合參數(shù)），即震級越大，相應的同震持續(xù)時間越長。從圖6 可看出，同震持續(xù)時間（TC）與震中距（D）之間大體滿足TC=a×e(b×lgD)（a，b為擬合參數(shù)），但震中距在103—104km 范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點在同震持續(xù)時間的維度上極為分散，導致這種指數(shù)擬合效果不佳。對比圖5 和圖6 可知，同震持續(xù)時間與震級的擬合效果相對更好，這說明相較于震中距，同震持續(xù)時間與地震震級的比例關系更顯著。

圖5 形變儀器同震持續(xù)時間與震級的關系圖Fig.5 Relationship between the duration of co-seismic response recorded by deformation instrument and earthquake magnitude

圖6 形變儀器同震持續(xù)時間與震中距對數(shù)的關系圖Fig.6 Relationship diagram between the duration of co-seismic response recorded by deformation instrument and epicenter distance

4 結論

從儀器映震能力和同震形變波物理分布特征兩大方面對安康地區(qū)3 個形變臺、6 套形變儀器2017—2020 年的數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計分析，獲得以下幾點結論：

（1）各類形變儀器的映震能力明顯不同，如VP 儀頻帶范圍最寬，記錄的震級下限最低；其次是水管儀和體應變儀；最后是伸縮儀，其記錄的震級下限最高。

（2）對比分析形變儀器的映震能力統(tǒng)計公式，發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)不同類型的形變儀器的映震能力差異明顯，表明儀器的映震能力明顯受儀器自身響應特性影響；不同臺站相同類型儀器的映震能力也存在差異，表明儀器的映震能力也與地下介質特性、儀器系統(tǒng)誤差有關。

（3）通過分析同震形變波物理分布特征可知，面波延遲時間與震中距、同震響應最大幅度與震級、同震持續(xù)時間與震級及震中距之間存在一定的相關性。擬合面波延遲時間與震中距關系時發(fā)現(xiàn)，震中距11 000—13 000 km 范圍內(nèi)存在一個地震空區(qū)，分析認為這一地震空區(qū)的出現(xiàn)與震中距所在區(qū)域內(nèi)大震數(shù)量過少及形變儀器自身響應特性有關；對比分析同震持續(xù)時間與震中距、震級間的關系可知，同震持續(xù)時間與地震震級的比例關系更顯著。