尤宇星，陳珊華，謝文杰，羅開奇

(泉州基準地震臺，中國 福建 362000）

泉州地震臺TJ-ⅡC觀測資料綜合分析

尤宇星，陳珊華，謝文杰，羅開奇

(泉州基準地震臺，中國 福建 362000）

介紹了泉州地震臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀的概況，對觀測資料質(zhì)量進行簡單的分析。利用觀測資料分鐘值，對2002～2010年發(fā)生在中國臺灣地區(qū)與印尼蘇門答臘及附近區(qū)域強震記錄特征進行了統(tǒng)計分析， 研究了記錄地震應(yīng)變波的震級與震中距、記錄到時差、記錄振幅等有關(guān)問題，通過對記錄到的震前應(yīng)力異常變化的相關(guān)分析，尋求其映震能力的有關(guān)結(jié)果。

泉州；鉆孔體應(yīng)變；觀測質(zhì)量；應(yīng)變地震波；映震能力；映震特征

0 引言

鉆孔體應(yīng)變觀測是地殼形變觀測中的一種小空間尺度的觀測，其工作頻段寬，分辨率達到10-9，除記錄固體潮外，也可以記錄到地震應(yīng)變波。目前有關(guān)學者研究了潮汐形變觀測儀記錄資料，發(fā)現(xiàn)不少震前應(yīng)變波動異?，F(xiàn)象[1～8]。本文在對泉州臺鉆孔體應(yīng)變觀測資料進行完整性、穩(wěn)定性、觀測精度等質(zhì)量分析的基礎(chǔ)上，利用固體潮觀測分鐘值，分析了發(fā)生強震時泉州臺體應(yīng)變記錄的地震應(yīng)變波振動特征、衰減特性、強度分布等，研究某些大震發(fā)生前泉州臺體應(yīng)變的短期和臨震異常，從中提取具有短臨預(yù)報意義的形變波變化特征。

1 泉州臺鉆孔體應(yīng)變概況

泉州基準地震臺位于福建省北東向長樂-詔安斷裂帶與北西向永安-晉江斷裂帶交匯點附近的清源山南麓羅古山南坡，地理經(jīng)緯度為 24°56′35″N，118°35′30″E，其海拔高程21 m。2000年10月福建省地震局選擇泉州臺院內(nèi)安裝了一臺中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀及氣壓、井下水位及室溫等輔助測項，探頭深度72.12 m，臺站基巖巖性為交代中粒二長花崗巖，巖芯完整，多呈柱狀，裂隙不發(fā)育，施工至孔深8 m處漏水，除此之外，均為極弱-隔水孔段。2001年8月開始正式投入觀測，記錄到的固體潮清晰、光滑、穩(wěn)定，與理論固體潮一致性很好。

2 體應(yīng)變觀測資料質(zhì)量分析

資料的完整性、穩(wěn)定性、可靠性是衡量觀測資料質(zhì)量的重要指標[1]。觀測資料只有達到觀測技術(shù)標準要求時，其應(yīng)用價值才高，才能更好地判斷出觀測資料的正常動態(tài)背景，以利于識別異常。為此有必要對觀測資料進行完整性、穩(wěn)定性、可靠性分析[8]。

2.1 觀測資料的完整性分析

利用 （1）式計算統(tǒng)計了泉州臺體應(yīng)變2002～2010年分鐘值觀測資料的完整連續(xù)率，其統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 泉州臺體應(yīng)變資料完整率和穩(wěn)定性分析Table 1 Analyses of integrity rate and stability of borehole strain data at Quanzhou seismic station

2.2 觀測資料的穩(wěn)定性分析

觀測資料的年變幅度和年零漂可以反映觀測儀器的穩(wěn)定性。鉆孔體應(yīng)變儀的傳感器埋深大，由膨脹水泥和基巖耦合為一體，理論上體應(yīng)變傳感器不應(yīng)出現(xiàn)由于地表溫度變化引起的年變形態(tài)，年變幅應(yīng)保持在一個較小且穩(wěn)定的范圍內(nèi)；年零漂可用來衡量觀測儀器及其墩基的穩(wěn)定程度，如墩基穩(wěn)定且耦合較好則儀器零漂小，獲得的觀測數(shù)據(jù)精確性便高[1]。圖1分別為泉州臺體應(yīng)變的2001～2005年和2006～2010年的日均值圖，其觀測資料的年變幅度和年零漂統(tǒng)計結(jié)果見表1。

從圖1(a)可以看出泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變自正式觀測到2005年年底體應(yīng)變觀測值均為線性的張性變化，從表1可以看出泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變在安裝后相當長一段時間內(nèi)有較大的零漂和存在較大年變幅度，自2005年以后每年的年零漂和年變幅度逐年呈遞減方式且趨于穩(wěn)定。在儀器安裝初期產(chǎn)生的零漂可能與儀器探頭周邊的小環(huán)境有關(guān)，如① 鉆孔開挖致使某些吸水飽和層吸水膨脹，探頭四周的巖石應(yīng)力加大；② 地下溫度場受干擾后，新的地溫分布有一建立過程；③ 水泥固結(jié)緩慢過程；④鉆孔開挖后的蠕變過程；⑤ 巖孔的脫水過程等[11]。2005年之后的體應(yīng)變曲線零漂應(yīng)該來自于儀器本身，但我們在數(shù)據(jù)處理過程中可通過加常數(shù)的方法加以改正，故不會對數(shù)據(jù)的應(yīng)用產(chǎn)生影響。

圖1 泉州臺體應(yīng)變?nèi)站祱DFig.1 Curve of mean daily value of borehole strain data at Quanzhou seismic station

2.3 觀測資料的可靠性分析

在固體潮汐形變分析中，可采用Venedikov調(diào)和分析法來檢驗觀測儀器和觀測資料的內(nèi)在精度[9～11]。本文分析了2002～2010年以來的觀測資料，利用Venedikov調(diào)和分析法進行逐月分析，根據(jù)分析結(jié)果來跟蹤潮汐參數(shù)隨時間的變化，表2給出了泉州臺體應(yīng)變觀測資料按月序列的潮汐參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，從表2的分析結(jié)果可以得到泉州臺體應(yīng)變數(shù)據(jù)完全符合形變規(guī)范要求的α≥2.0，δα/α≤0.05的內(nèi)在精度要求[1]。

3 泉州臺體應(yīng)變觀測映震能力與映震特征

表2 泉州臺體應(yīng)變資料調(diào)和分析逐年統(tǒng)計Table 2 Statistics of harmonic analysis of borehole strain data at QuanZhou seismic station every year

泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀自運以來，至2010年12月31日共記錄到的112次地震形變波，能夠獲得較多的地下應(yīng)力變化信息，尤其是分鐘值能記錄到強震前及震時的應(yīng)力突變。如果在同一地區(qū)不同時間發(fā)生不同震級地震多次，通過研究這些地震形變波的到時、振幅、周期等基本參數(shù)的[2]，可得到泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀對該地區(qū)地震的映震能力及其映震特征。中國臺灣地區(qū)及附近海域和印尼蘇門答臘及附近地區(qū)同屬地震多發(fā)區(qū)，泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀對這兩個區(qū)域記錄已到多次不同震級的地震形變波，其有關(guān)分析如下：

3.1 對臺灣地區(qū)地震響應(yīng)能力的分析

2001年8月1日至2010年12月31日，泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀記錄到臺灣地區(qū)的最小地震為MS5.8級地震，所以本文主要研究該地區(qū)發(fā)生的MS>6.0地震。臺灣地區(qū)2001年8月1日至2010年12月31日共發(fā)生31次MS>6.0地震，應(yīng)變儀記錄到其中30條地震應(yīng)變波，相關(guān)統(tǒng)計見表3。在記錄響應(yīng)時間上，最快為震后2 min，大部分記錄到地震的時間集中在震后3～8 min，占全部記錄的79%，地震震級的大小與記錄到地震波的快慢無顯著關(guān)系。在波形變化幅度上和地震的大小及震中距的距離均有較直接關(guān)系，一般地震大或震中距較近時波形更像尖銳的脈沖，地震小或震中距較遠時往往是較平緩的脈沖，同時接收到的地震波初動方向表現(xiàn)為壓性的居多。在波動持續(xù)時間上，一般震級越大，持時則越長，但對小于6.5級地震表現(xiàn)不明顯，如在2009年10月04日臺灣花蓮發(fā)生6.2級地震，應(yīng)變儀記錄持續(xù)為16 min，而同年12月19日，同樣在臺灣花蓮再次發(fā)生6.4級地震，應(yīng)變儀記錄持續(xù)僅為12 min。

從地震波形來看來：6.0～6.5級地震，如果震中距大過300 km，地震波形變化幅度較小；6.0～6.5級地震，如果震中距小于300 km，可較清晰記錄到應(yīng)變波；6.5級以上地震全部能清晰地記錄到地震應(yīng)變波形。

3.2 對印尼蘇門答臘及周邊地區(qū)地震響應(yīng)能力的分析

印尼蘇門答臘島位于印度洋板塊與歐亞板塊之間，地震活動非?；钴S。泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀記錄到蘇門答臘及附近地區(qū)的最小地震為Ms6.8級地震，通過對蘇門答臘及附近海域地震研究 （相關(guān)統(tǒng)計見表3）發(fā)現(xiàn)：泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀所記錄的振幅、記錄時長與震級成明顯正比的關(guān)系。在記錄響應(yīng)時間上，地震震級的大小與記錄到應(yīng)變波的走時則無顯著關(guān)系。7.0級以上地震全部能清晰地記錄到地震應(yīng)變波形。

3.3 對比分析

表3 泉州臺應(yīng)變儀記錄地震形變波特征分析Table 3 Characteristic analysis of seismic deformation wave recorded by borehole strainmeter at Quanzhou seismic station

通過表3兩個地區(qū)的對比可以看出，震級與與體應(yīng)變記錄到的應(yīng)震波振幅成正比，而震中距則與體應(yīng)變記錄到時差亦成正比關(guān)系。通過對比臺灣地區(qū)和印尼蘇門答臘地區(qū)同一級別地震，如臺灣恒春海域2006年12月26日連續(xù)發(fā)生的7.1和7.4級地震以及蘇門答臘西南部2010年5月9日發(fā)生的7.4級地震，分析得到體應(yīng)變記錄到的地震應(yīng)變波特征：臺灣恒春海域振幅為5.7×10-8大于蘇門答臘地區(qū)5.2×10-8；記錄持續(xù)時間上，臺灣恒春海域接連發(fā)生兩次地震的應(yīng)變持時為32 min小于蘇門答臘地區(qū)35 min。

3.4 震前出現(xiàn)階躍異常分析

從記錄的波形分析上看蘇門答臘西南部2010年5月9日發(fā)生的7.4級地震在震前4 h曾出現(xiàn)階躍異常 （圖2黑色箭頭指示）。在沒有外界干擾因素影響情況下，此次階躍異常雖然持時很短，幅度也很小，說明在震前巖石內(nèi)已受到一定的外力擠壓后出現(xiàn)短暫的應(yīng)力失衡，這種變化確實是震前的一種應(yīng)力改變，研究這種現(xiàn)象對提高臨震預(yù)報能力很有意義

統(tǒng)計分析，對于臺灣地區(qū)所記錄到的所有地震應(yīng)變波形，震前均沒異常階躍現(xiàn)象。但發(fā)生在蘇門答臘及其附近區(qū)域的部分MS7.0級以上地震，震前曾出現(xiàn)不同程度呈張性或壓性的階躍異常，如2008年2月20日印尼蘇門答臘MS7.7級地震、2009年蘇門答臘附近海域MS7.4級地震 （圖3黑色箭頭指示）。說明泉州臺鉆孔應(yīng)變儀對一些大震遠震均能記錄到一些地震應(yīng)變前兆異常，如2008年5月12日汶川8.0級地震震前7 h也曾出現(xiàn)持時6 min變幅7*10-9階躍 （圖3黑色箭頭指示）。牛福安、張晶的巖體破裂模擬實驗研究表明[5]：當圍繞區(qū)域出現(xiàn)較強的地殼運動時，所圍區(qū)域?qū)⒖赡墚a(chǎn)生失穩(wěn)前彈性應(yīng)變能在局部地區(qū)的高度積累，達到峰值后，在薄弱部位發(fā)生斷裂或有斷層發(fā)生粘滑。在斷裂發(fā)生或斷層發(fā)生粘滑前會出現(xiàn)一個短暫的預(yù)破裂和預(yù)滑過程，產(chǎn)生不同于地震波且波速較慢的長周期形變波。泉州臺TJ-ⅡC鉆孔應(yīng)變儀所記錄到的這些長周期形變波如果屬于此類，仔細分析應(yīng)具有短臨預(yù)報意義。

圖2 體應(yīng)變記錄地震應(yīng)變波形圖Fig.2 Waveform diagram of seismic strain wave recorded by borehole strainmeter

4 結(jié)論

通過對泉州臺體應(yīng)變觀測資料的觀測質(zhì)量、地震波的記錄能力及其記錄地震形變波的特征等進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：

（1）泉州臺體應(yīng)變資料年變幅度及年零漂自安裝后逐年減小，趨于穩(wěn)定。

圖3 體應(yīng)變記錄地震應(yīng)變波分鐘值特征Fig.3 Characteristic of minute value of seismic strain wave recorded by borehole strainmeter

（2）從地震波記錄能力上分析：臺灣地區(qū)5.8級以上、印尼蘇門答臘一帶7.0級以上、全球8.0級地震以上可較清晰完整地記錄到地震應(yīng)變波形。

（3）從地震波特征分析：地震波變化幅度與地震震級的大小成正比，遠震大震其記錄的地震波持時較長，而體應(yīng)變記錄到應(yīng)變地震波的早晚與震級的大小并無顯著關(guān)系。

（4）震中距較遠的大震震前常有較明顯的應(yīng)變階躍現(xiàn)象，但目前為止記錄到的地震應(yīng)變震例并不多，需要儀器的長期穩(wěn)定運行，積累資料、總結(jié)案例。

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Comprehensive Analysis of TJ-ⅡC Observation Data at Quanzhou Seismic Station

YOU Yuxing，CHEN Shanhua，XIE Wenjie，LUO Kaiqi

（Quanzhou seismic station，F(xiàn)ujian 362000，China）

This paper introduces TJ-ⅡC borehole strainmeter at Quanzhou seismic station and analyses the quality of its observation data.Based on the minute-value observation data,we conduct a statistical analysis of strong motion records of Taiwan and Indonesian Sumatra and its adjacent area from 2002 to 2010.And investigate parameters such as magnitude of seismic strain wave,epicentral distance,arrival time difference and amplitude.By analyzing seismic stress changes before earthquakes,earthquake-reflecting ability of the borehole strainmeter is represented.

Quanzhou；Borehole Strain；Observation Quality；Seismic Strain Wave；Earthquakereflecting Ability；Earthquake-reflecting Characteristics

P315.61

A

1001-8662（2012）03-0118-07

2012-01-10

尤宇星，男，1979年生，助理工程師.主要從事地下流體觀測工作。E-mail:181420741@qq.com.