熊峰 張小艷 王旭東 楊紅櫻 蘇亞梅

內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010010

0 引言

在地震孕育過(guò)程中，隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷積累，地殼應(yīng)變能也持續(xù)增加。利用同一地震事件在地球上相同地點(diǎn)引起的地面運(yùn)動(dòng)的唯一性，定量研究同震形變波，可以認(rèn)識(shí)到在同一力源作用下同震波形特征的差異性。同震形變波中攜帶了地震破裂以及地震波傳播的信息,利用同震信息能夠評(píng)估地震震源參數(shù)，進(jìn)一步分析同震形變波的物理特征,有助于提高短臨前兆動(dòng)力特性的認(rèn)識(shí)，定量計(jì)算地殼應(yīng)變能積累也是地震危險(xiǎn)性分析的重要手段，對(duì)于理解形變前兆觀測(cè)的物理本質(zhì)具有重要意義(牛安福等，2002，2003，2006；龐亞瑾等，2017)。

地殼形變觀測(cè)是監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)、變形的重要手段，同震形變波包含了地震破裂及傳播過(guò)程的大部分信息，研究同震信息可以對(duì)地震震源的一些參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)研究同震形變波的物理性質(zhì)，有助于認(rèn)識(shí)短臨前兆的動(dòng)力特性(牛安福等，2002、2003、2006)。

定點(diǎn)傾斜、應(yīng)變、重力和連續(xù) GPS觀測(cè)，可檢測(cè)到豐富的地殼變動(dòng)信息。對(duì)于如何識(shí)別與地震過(guò)程相關(guān)的變形信息，前人雖已做了大量的研究，但尚未形成較為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)(黃曉華等，2009；楊婕等，2010；肖孟仁等，2012；孟方杰等，2018)。依據(jù)地震類型和震級(jí)的不同， 分別計(jì)算和分析所對(duì)應(yīng)的同震響應(yīng)， 進(jìn)一步確定由于破壞性地震引起的形變同震響應(yīng)以及震后影響的空間特征(司學(xué)蕓等， 2012)。本文利用同一構(gòu)造帶上多個(gè)臺(tái)站相同型號(hào)數(shù)字化傾斜儀資料，通過(guò)回歸分析，計(jì)算不同場(chǎng)地的遠(yuǎn)場(chǎng)形變同震響應(yīng)特征及有關(guān)物理量之間的函數(shù)關(guān)系，獲取不同觀測(cè)場(chǎng)地同震響應(yīng)能力的差異。

1 資料基本情況

呼和浩特臺(tái)、赤峰臺(tái)、烏蘭浩特臺(tái)、海拉爾臺(tái)等4個(gè)臺(tái)站的水管傾斜觀測(cè)均為數(shù)字化觀測(cè)，其觀測(cè)資料連續(xù)穩(wěn)定可靠，觀測(cè)精度均超過(guò)0.01，臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。本文以中國(guó)地震信息網(wǎng)發(fā)布的地震參數(shù)為依據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)2008—2018年的200個(gè)地震(國(guó)內(nèi)6級(jí)以上、國(guó)外7級(jí)以上)的同震響應(yīng)特征進(jìn)行了分析研究。

圖1 臺(tái)站分布

1.1 地震地質(zhì)背景

內(nèi)蒙古位于中國(guó)北部邊疆，橫跨我國(guó)西北、華北、東北地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，活動(dòng)斷層分布縱橫交錯(cuò)，地形地貌特征存在著較大的差異。有儀器記錄以來(lái)，內(nèi)蒙古區(qū)域內(nèi)曾發(fā)生多次中強(qiáng)及以上地震，主要分布在兩大地震活動(dòng)區(qū)域。其中，中、西部地震區(qū)主要受燕山、陰山構(gòu)造帶和鄂爾多斯塊體周緣的影響，是內(nèi)蒙古境內(nèi)主要的中強(qiáng)地震活動(dòng)地區(qū)。東部地震區(qū)主要受到太平洋板塊俯沖的影響。該板塊的俯沖作用不僅是深源地震的動(dòng)力來(lái)源，也是東北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要因素(楊彥明等，2017)。

研究區(qū)域整體地質(zhì)構(gòu)造背景為陰山構(gòu)造帶和大興安嶺造山帶，呼和浩特緊臨大青山山前斷裂，海拉爾、烏蘭浩特、赤峰分別位于大興安嶺造山帶北、中、南段。其中，呼和浩特地處呼包斷陷盆地，北靠大青山，具有發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造條件，1929年畢克齊M6.0地震距呼和浩特24km，1976年和林格爾M6.3地震距呼和浩特80km；赤峰為蒙古高原向松遼平原過(guò)渡地帶，燕山北麓和大興安嶺余脈綿延于赤峰西拉沐淪河、老哈河流域，主要斷裂構(gòu)造有：天山口-八里罕新華夏系斷裂構(gòu)造帶、西拉沐淪EW向斷裂構(gòu)造帶、錦山-開(kāi)原EW向斷裂構(gòu)造帶；烏蘭浩特主要斷裂構(gòu)造有：霍林河EW向斷裂構(gòu)造帶、寶石EW向斷裂構(gòu)造帶、歸流河EW向斷裂構(gòu)造帶、阿爾山-阿爾本格勒EW向斷裂構(gòu)造帶和伊爾施北部EW向斷裂構(gòu)造帶；海拉爾位于大興安嶺隆起帶與海拉爾沉降盆地接觸地帶，構(gòu)造以NE向?yàn)橹?，大斷裂帶有嫩江大斷裂，大興安嶺西側(cè)有德?tīng)柌几纱髷嗔?，NE向有巴爾圖斷裂、額爾古納斷裂，NW向主要有嫩江大斷裂的次斷裂。

1.2 觀測(cè)資料概況

中國(guó)地震局“十五”數(shù)字化項(xiàng)目完成之后，內(nèi)蒙古地球物理臺(tái)網(wǎng)積累了豐富、完整的數(shù)字化原始觀測(cè)資料。表1 為數(shù)字化水管傾斜觀測(cè)儀器概況。

表1 數(shù)字化傾斜觀測(cè)儀器概況

2 同震形變研究

2.1 同震形變

受地震波激發(fā)，借助數(shù)字化形變前兆儀器觀測(cè)到的地震時(shí)傾斜、應(yīng)變或應(yīng)力的波動(dòng)現(xiàn)象稱為震時(shí)形變波，以區(qū)分于地震波。震時(shí)形變波是地震波的另一形式(牛安福等，2005)。地震波通過(guò)地震儀輸出的往往是位移、速度和加速度等，而震時(shí)形變波則主要是傾斜、應(yīng)變或應(yīng)力的瞬間波動(dòng)，其震時(shí)輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間依賴于震中距和儀器精度，主要集中在幾十分鐘到幾小時(shí)范圍內(nèi)。由于采樣的局限性，震時(shí)形變波目前仍較難展示 P波和S波初動(dòng)，因而震時(shí)形變波反映的主要是遠(yuǎn)場(chǎng)面波。

面波主要包括勒夫波和瑞雷波。前者僅在水平方向運(yùn)動(dòng)，后者在行進(jìn)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。面波是地震體波反射產(chǎn)生的派生波，能量強(qiáng)、傳播遠(yuǎn)。利用同震傾斜形變階躍可給出地震的震源機(jī)制。

2.2 面波延遲時(shí)間與震中距的關(guān)系

面波延遲時(shí)間，指在測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的響應(yīng)與地震發(fā)生時(shí)刻之間的等待時(shí)間。該等待時(shí)間與地震面波的傳播速度及震中距有關(guān)。數(shù)字化水管傾斜儀采樣率為分鐘，面波到達(dá)時(shí)間受采樣率約束，精確到分鐘。表2 為震中距與面波延遲時(shí)間的函數(shù)關(guān)系和R值。

表2 震中距與面波延遲時(shí)間的函數(shù)關(guān)系和R值

x值的系數(shù)為0.0015～0.0019，該系數(shù)反映了面波的速率，系數(shù)越小，面波速率越高。由于距離跨度較大，所反映的速率比真實(shí)的面波速率要高。

本研究選取2008—2018年記錄到的中國(guó)境內(nèi)50個(gè)6.0≤M<8.0地震及增加的全球150個(gè)M≥7.0地震，共200個(gè)樣本作為研究對(duì)象，面波延遲時(shí)間與震中距進(jìn)行回歸計(jì)算后呈線性分布特征，R值在0.74～0.90，相關(guān)特征顯著。最大R值臺(tái)站為烏蘭浩特臺(tái)，最小R值臺(tái)站為赤峰臺(tái)；烏蘭浩特臺(tái)面波延遲時(shí)間與震中距正相關(guān)特征明顯，震中距越遠(yuǎn)，面波延遲時(shí)間越長(zhǎng)，面波到達(dá)等待時(shí)間長(zhǎng)，說(shuō)明面波到達(dá)傳播速度慢，存在低速現(xiàn)象。圖2 為水管傾斜儀面波延遲時(shí)間與震中距關(guān)系特征。

圖2 面波延遲時(shí)間與震中距關(guān)系特征(a)呼和浩特臺(tái)；(b)赤峰臺(tái)；(c)烏蘭浩特臺(tái)；(d)海拉爾臺(tái)

2.3 同震形變振幅與震中距、震級(jí)關(guān)系研究

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，同震形變震級(jí)與振幅等具有線性相關(guān)，但是受震中距影響明顯，且非簡(jiǎn)單相關(guān)。為檢驗(yàn)同震形變觀測(cè)中場(chǎng)地響應(yīng)能力的大小和差異，應(yīng)用回歸分析，擬合震級(jí)模型公式

M=algA+blgD/D0+C

(1)

式中，M為震級(jí)，A為振幅，D為震中距，D0=290km為地應(yīng)力波半波長(zhǎng)(牛安福，2017)。通過(guò)將200個(gè)震例的同震形變物理量作為基本參數(shù)與震級(jí)模型進(jìn)行擬合，求出各臺(tái)站水管傾斜兩分量系數(shù)及參數(shù)，得出同震形變震級(jí)公式。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 同震形變震級(jí)公式及誤差

通過(guò)計(jì)算理論震級(jí)與實(shí)際震級(jí)的R值及標(biāo)準(zhǔn)誤差，可以得出多數(shù)測(cè)項(xiàng)對(duì)lgA的相關(guān)系數(shù)在0.65左右，對(duì)lgD的相關(guān)系數(shù)在0.8左右，震級(jí)擬合誤差在0.3級(jí)左右，擬合R值總體在0.8左右。在以上回歸分析中，赤峰臺(tái)NS向和烏蘭浩特臺(tái)NS向R值偏低，在0.55左右。赤峰臺(tái)NS向和烏蘭浩特臺(tái)NS向的觀測(cè)對(duì)振幅的依賴較強(qiáng)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.95和1.0；但對(duì)距離的依賴較弱，其相關(guān)系數(shù)分別為0.33 和0.28，很可能是由于該觀測(cè)測(cè)項(xiàng)的阻尼較低，影響了觀測(cè)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

通過(guò)研究2008—2018年200個(gè)地震的同震形變波形，回歸分析地震面波響應(yīng)延遲時(shí)間、振幅、面波持續(xù)時(shí)間、震級(jí)、震中距等基本物理量之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)4個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)能力進(jìn)行了初步判定，結(jié)論如下：

(1)面波延遲時(shí)間與震中距具有顯著相關(guān)性，R值在0.74～0.90，最大R值臺(tái)站為烏蘭浩特臺(tái)，最小R值臺(tái)站為赤峰臺(tái)；烏蘭浩特臺(tái)面波延遲時(shí)間與震中距正相關(guān)特征明顯，震中距越遠(yuǎn)，面波延遲時(shí)間越長(zhǎng)，面波到達(dá)等待時(shí)間越長(zhǎng)。

(2)同震振幅與地震震級(jí)、震中距有一定的相關(guān)性。通過(guò)震級(jí)擬合模型分析得出，擬合震級(jí)與實(shí)際震級(jí)相關(guān)系數(shù)多數(shù)為0.8左右，震級(jí)誤差為0.3級(jí)左右。在震級(jí)回歸模型分析中，赤峰臺(tái)NS向和烏蘭浩特臺(tái)NS向R值偏低，赤峰臺(tái)和烏蘭浩特臺(tái)NS向的觀測(cè)對(duì)振幅的依賴較強(qiáng)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.95和1.0；但對(duì)距離的依賴較弱，其相關(guān)系數(shù)分別為0.33和0.28，很可能是由于地震波頻段儀器的阻尼較低造成的。

致謝：感謝審稿專家為本文提出的寶貴意見(jiàn)。