漳州地震台伸缩仪和体应变仪同震响应分析＊

方宏芳,刘序俨,张 凯

(1.福建省漳州市地震局,福建漳州 363000;2.福建省地震局,福州 350003;3.福建省地震局漳州地震台,福建漳州 363000)

漳州地震台伸缩仪和体应变仪同震响应分析＊

方宏芳1,刘序俨2,张 凯3

(1.福建省漳州市地震局,福建漳州 363000;2.福建省地震局,福州 350003;3.福建省地震局漳州地震台,福建漳州 363000)

对同一地震所激励的伸缩仪和体应变仪的体应变响应进行了对比分析,结果表明,这两个观测系统所记录到的是叠加在体应变固体潮背景上的一种振荡衰减变化。这两个系统分别对发生在印尼、中国台湾和福建的几次远震、地方震和近震作出了不同程度的响应。体应变响应幅度约为 10-7～10-9,并且体应变仪的响应幅度大于伸缩仪的。同一观测系统的响应幅度与地震能量成正比,响应延迟时间与震中距成正比。

伸缩仪;体应变仪;体应变响应;同震响应;漳州地震台

0 前言

随着应变观测的开展,很多学者(刘序俨等,2008;郗钦文,2004;李杰等,2003;王梅等,2005)都进行了有关应变固体潮方面的研究。目前,我国许多台站都安装有两方向互为 90°的线应变观测仪,这样所得资料除可用作不同方向的线应变分析外,还可用作面应变和体应变分析。体应变仪可以直接记录到体应变固体潮,如何根据安装在正南北和正东西方向上的伸缩仪观测值的组合来计算该台站的体应变?伸缩仪和体应变仪两个观测系统所记录到的同一地震所激励的体应变响应有何不同?这些正是本文所要探讨的。

1 台站概况

漳州地震台位于福建省漳州市下辖的县级市龙海市九湖镇院后村石狮岩,距漳州市区 6 km。台站所在地九湖镇为亚热带水果花卉种植区,年平均温度为 22℃,年平均湿度为 70%,年平均降雨量为 1400 mm,年平均雷电天气约 20多天,海浪干扰较轻。

台站位于北东向长乐—诏安断裂带的南端,台站基岩为花岗闪长岩,覆盖层厚度为 15～32 m。台站建有一条长 100 m、近 EW走向的窿道,窿道主巷道总体走向为 S WW266°,支巷为 NNW356°。巷道交叉口以西安装有 SS-Y型伸缩仪 EW向仪器,仪器长度为 24.9 m,支巷安装伸缩仪 NS向仪器,长度为 17.8 m。TJ-ⅡE型体应变仪安装在洞口附近,观测孔孔深为 60.3 m。

2 伸缩仪观测资料处理

考虑到地壳的非均匀性,特别是地层的裂隙和层面之间的连续特征,把伸缩仪的基线长度布设得尽可能长是很有必要的,同时,为了保证环境的稳定,又要尽可能深地把仪器往地下深处安装,但安装的深度毕竟要比潮汐应变的波长小得多,因此,我们可以认为观测是在地球自由表面进行的,则由自由边界条件(erθ=erλ=eλθ),可得到正南北、正东西两个方向的用线伸缩观测值计算面应变的公式(刘序俨等,1988)

由于满足拉普拉斯方程,故 divgradVn=0,顾及可得

于是(1)式可写成

由自由边界条件,又得到垂直向的应变固体潮值

取泊松比v=0.25,则(5)式变为

因地表的体应变固体潮为

由(1)式和(6)式,可将(7)式变为

从(8)式可知,地表上某一点处的体应变等于该点处的面应变的 2/3,在此基础上,由漳州台东西与南北方向伸缩仪的观测值得到该地区的体应变值。

3 伸缩仪与体应变仪的体应变响应

笔者分别计算了漳州台伸缩仪与体应变仪对2007年 9月 12日印尼 8.5级、2007年 9月 13日印尼 8.3级、2007年 9月 13日印尼 7.5级、2007年 8月 16日秘鲁 7.8级、2006年 12月 26日中国台湾恒春海外 7.2级、2008年 5月 12日中国四川汶川 8.0级、2008年 7月 5日俄罗斯鄂霍次克海7.6级、2008年 7月 5日中国福建漳州长泰 4.6级共 8次地震所激发的体应变响应。

图 1为漳州台伸缩仪、体应变仪于 2007年 9月 13日 11:30～12:30的分钟值体应变曲线图,记录的是印尼 8.3级地震的体应变响应。

图 1 2007年 9月 13日 11:30～12:30漳州台伸缩仪(a)和体应变(b)的分钟值体应变曲线Fig.1 Volumetric strain curve of extensometer(a)and body strain gauge(b)from 11:30 to 12:30 on September 13,2007

图 2为漳州台伸缩仪和体应变仪于 2008年 5月 12日 14:10～15:10的分钟值体应变曲线图,记录的是汶川 8.0级地震体应变响应。

图 2 2008年 05月 12日 14:10～15:10漳州台伸缩仪(a)和体应变仪(b)的分钟值体应变曲线Fig.2 Volumetric strain curve of extensometer(a)and body strain gauge(b)from 14:10 to 15:10 onMay 12,2008

从图 1和图 2可以看出,在强震面波到达漳州台之前,这两种观测手段的观测曲线都是非常平稳的,这是因为体应变主要是由低频日波和半日波组成。地震面波到达后这两个系统所记录到的变化,就是强震所引起的体应变。因此由印尼远震、台湾近震和漳州地方震所引起的体应变变化,是一种叠加在体应变固体潮曲线上的高频变化,也正是伸缩仪、体应变仪观测系统对地震的体应变响应。所记录到的体应变响应波形以一种振荡衰减的形式出现,由于地震震级的不同,阶跃有高有低,体应变响应有大有小。为了充分展示体应变响应过程,我们只给出地震当天伸缩仪与体应变仪 1～2 h的体应变分钟值变化曲线,并统计了响应延迟时间、体应变响应幅度、震中距、地震能量等参数,连同 8个所选地震的三要素一起归纳在表 1中。

表 1 漳州地震台伸缩仪与体应变仪体应变响应幅度参数统计Tab.1 Statistics of volumetric strain response amplitude of extensometer and body strain gauge at Zhangzhou seis mostation

图 3给出了漳州台伸缩仪和体应变仪对上述 8个震例的体应变响应幅度对比曲线。从图中可看出,8个震例中,两种仪器对其中 7次地震的体应变响应幅度,都是体应变仪的大于伸缩仪的,只有 2007年 9月 13日印尼 7.5级地震所激发的体应变响应幅度,是伸缩仪的稍大一些。

图 3 漳州台伸缩仪和体应变仪对 8个震例的体应变响应幅度对比曲线Fig.3 Contrast curves of volumetric strain response amplitude of extensometer and body strain gauge for 8 earthquakes

从图 4可以看出,体应变响应幅度与地震震级成正比关系,地震震级越大,能量越高,响应幅度就越大(牛安福等,2005,2006)。这也可从表 1中印尼 3次地震的体应变响应对比看出。以体应变仪为例,在震中距近似相等的条件下,印尼8.5级、8.3级、7.5级地震的体应变响应幅度分别为 2.446×10-7、1.528×10-7、2.04×10-8,幅度随着震级的下降而逐渐降低,这说明了震级与体应变响应幅度的正比关系。对汶川 8.0级地震,印尼 8.5级、8.3级强震,台湾恒春海外 7.2级地震,两种仪器的体应变响应幅度较大,可达到10-7量级,对于 4600 km之遥的鄂霍次克海 7.6级地震和相距仅 25 km的福建长泰 4.6级地震,体应变响应幅度最小,仅为 10-9量级。

图 4 伸缩仪(a)和体应变仪(b)响应幅度与震级关系曲线Fig.4 Relationship between volumetric strain response amplitude of extensometer(a)and body strain gauge(b)and earthquake magnitude

从图 5可看出,响应延迟时间与震中距成正比,震中距越大,响应时间越晚。仪器对于印尼 3次地震的响应延迟时间平均为 13 min。2007年 8月 16日秘鲁地震的震中距为 18000 km,响应延迟时间最长。2008年 7月 5日福建长泰 4.6级地震震中距只有 25 km,响应最快。从伸缩仪、体应变仪观测系统记录到的响应波形来看,两者响应延迟时间相当。

图 5 伸缩仪(a)和体应变仪(b)体应变响应延迟时间与震中距关系曲线Fig.5 Relationship between volumetric strain response delay ti me of extensometer(a)and body strain gauge(b)with epicentral distance

4 结语

(1)伸缩仪和体应变仪观测系统,在其记录到的体应变固体潮背景上,以一种振荡衰减的形式,对印尼远震、台湾近震和漳州长泰地方震都分别做出了不同程度的响应。对于同一地震,体应变仪的体应变响应幅度大于伸缩仪的。伸缩仪和体应变仪观测系统的体应变固体潮幅度相当,约为 10-7～10-9。

(2)对同一观测系统而言,体应变响应幅度与地震能量成正相关,地震震级越大,地震能量越高,体应变响应幅度就越大。

(3)伸缩仪与体应变仪的响应延迟时间相当。体应变响应延迟时间与震中距成正相关,震中距越大,响应延迟时间越晚。

本研究中的体应变响应还只限于 “同震波”,还无法提取更有效的震前信息,应结合其它观测手段,做进一步的综合分析,以寻找震前长、中、短、临的体应变变化时空演化特征,最大限度地发挥数字化前兆观测资料的作用。

刘序俨,黄声明,梁全强 .2008.正交曲线坐标系的应变张量转换[J].大地测量与地球动力学,28(2):71-76.

刘序俨,李平,张雁滨 .1988.地表的面应变和体应变固体潮理论值计算及其调和分析[J].地壳形变与地震,8(4):354-358.

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郗钦文 .2002.现代引潮位质疑与调和分析方法评论[J].大地测量与地球动力学,22(2):7-9.

Analysis of the Co-seismic Response of Extensometer and Body Stra in Gauge at Zhangzhou Seismic Station

FANG Hong-fang1,L IU Xu-yan2,ZHANG Kai3
(1.Earthquake Administration of Zhangzhou City,Fujian Province,Zhangzhou 363000,Fujian,China)
(2.Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou 350003,Fujian,China)
(3.Zhangzhou seismic Station,Earthquake Administration of Fujian Province,Zhangzhou 363000,Fujian,China)

We conduct a comparative analysis of volumetric strain response of extensometer and the volumetric strain response of body-strain gauge to the same earthquake.The two observational system s recorded an oscillating attenuation change overlaying the background of the solid tide of volumetric strain.The two system s differently response to Indonesian distant shock, inland earthquake and Taiwan earthquake.The magnitude of volumetric strain response of these two system s to the earthquakes varies from10-9to10-7.The response amplitude of body strain gauge system is larger than that of extensometer.For the same system, the response amplitude keeps in direct proportion to quake energy and the delay time of response keeps in direct proportion to epicentral distance.

extensometer; body strain gauge; volumetric strain response; co-seismic response; Zhangzhou seismic Station

P315.72+7

A

1000-0666(2010)03-0287-05

2009-09-28.