樊俊屹 劉高川
中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045
鉆孔應(yīng)變地震監(jiān)測技術(shù)是監(jiān)測地層內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的一種精細(xì)觀測技術(shù),該技術(shù)利用安裝在地下鉆孔中的鉆孔應(yīng)變儀來觀測地殼表層應(yīng)變,可掌握地震應(yīng)變前兆的(長)中期、短期、臨震以及震后調(diào)整的時、空分布與發(fā)展變化的規(guī)律。鉆孔應(yīng)變觀測對象分為體應(yīng)變和分量應(yīng)變,體應(yīng)變反應(yīng)的是鉆孔周圍巖石體應(yīng)變變化,分量應(yīng)變反應(yīng)的是鉆孔中水平應(yīng)變狀態(tài)的變化。地震發(fā)生時,斷層破裂活動可能會引起觀測臺站所在地的應(yīng)力場發(fā)生張、壓性變化,鉆孔應(yīng)變儀會記錄到同震變化,震級越大,同震變化越明顯。研究同震波動變化與地震的關(guān)系,有利于對前兆現(xiàn)象的認(rèn)識和理解,對于減輕次生災(zāi)害、追溯地震前兆、跟蹤后續(xù)地震以及研究地殼活動規(guī)律等均具有理論和實際意義。國內(nèi)外已經(jīng)開展的科研工作顯示,當(dāng)全球發(fā)生7級以上地震時,我國的各類鉆孔應(yīng)變儀器,大多可以觀測到地震引起的波動。邱澤華等(2005、2006、2007)首先利用體應(yīng)變記錄到的同震資料,對昆侖山MS8.1地震和蘇門答臘MS8.7地震引起的同震應(yīng)力觸發(fā)斷層活動進(jìn)行了研究;唐磊等(2011、2013)利用中國鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)記錄的93個臺站同震變化資料,分析了中國大陸主要活動斷裂可能受到日本MS9.0地震的影響程度,以及利用川滇地區(qū)的6套分量應(yīng)變儀記錄到的同震變化,對汶川MS8.0和蘆山MS7.0地震的同震應(yīng)變階進(jìn)行了分析。分析鉆孔應(yīng)變同震階變,探討同震應(yīng)變階的可靠性及影響因素,研究震源過程、應(yīng)力觸發(fā)、地球自由振蕩等問題,從而進(jìn)一步探討研究區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力釋放情況,分析研究區(qū)域未來的地震危險性。
2021年5月22日2時4分青海果洛藏族自治州瑪多縣(34.63°N,98.52°E)發(fā)生MS7.4地震,震中位于巴顏喀拉塊體,距離此次地震震中最近的斷層是甘德南緣斷裂帶。震源機(jī)制為走滑型破裂(鄧文澤,2021),結(jié)合巴顏喀拉塊體內(nèi)部廣泛發(fā)育的不同級別的NW-SE向的左旋走滑斷裂系,說明東側(cè)區(qū)域斷裂系構(gòu)造應(yīng)力作用處于較強(qiáng)閉鎖狀態(tài),區(qū)域構(gòu)造背景應(yīng)力水平相對較高,且由震源機(jī)制解正演獲得地震同震造成的應(yīng)變場顯示,震中東、西兩側(cè)區(qū)域分別處于較強(qiáng)的擠壓和拉張狀態(tài),該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)整體處于一種“東緊西松”的狀態(tài)(1)李瑜,2021.私人通訊.。我國鉆孔應(yīng)變監(jiān)測臺網(wǎng)中的鉆孔應(yīng)變儀記錄到本次地震的響應(yīng)特征各有差異,因此本文對比了TJ型鉆孔體應(yīng)變、YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀和RZB型分量鉆孔應(yīng)變儀這3種在網(wǎng)鉆孔應(yīng)變儀的同震應(yīng)變波,分析3種儀器的同震響應(yīng)特征和能力,為今后儀器的定型入網(wǎng)提供參考。
目前納入中國地震局地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的鉆孔應(yīng)變儀包括TJ型鉆孔體應(yīng)變儀72套、YRY-4型分量鉆孔應(yīng)變儀36套、RZB型分量鉆孔應(yīng)變儀29套(下文中分別簡稱為體應(yīng)變儀、YRY型應(yīng)變儀和RZB型應(yīng)變儀),空間分布如圖1 所示。體應(yīng)變儀主要集中在中東部地區(qū),YRY型應(yīng)變儀主要集中在青海、四川、云南、山西和江蘇等地,RZB型應(yīng)變儀主要集中在新疆、甘肅、重慶、山東和廣東等地。
圖1 3種鉆孔應(yīng)變儀空間分布
鉆孔應(yīng)變觀測的同震效應(yīng)是指地震波傳播到鉆孔應(yīng)變觀測點所激發(fā)的近場局部應(yīng)力應(yīng)變的變化。為了方便對比分析,將分量鉆孔應(yīng)變儀的觀測值通過換算得出面應(yīng)變值(邱澤華等,2009),與體應(yīng)變儀觀測值進(jìn)行對比。地震引起的鉆孔應(yīng)變同震變化有振蕩和階變2種類型(鄭江蓉等,2013;楊紹富等,2013;王小娟,2015)。
(1)振蕩型:一般由遠(yuǎn)震引起,表現(xiàn)為鉆孔應(yīng)變快速高頻振蕩、快速高頻衰減,鉆孔應(yīng)變振蕩持續(xù)時間、波動幅度與震級呈正比關(guān)系,持續(xù)時間為幾十分鐘至幾小時,振蕩幅度為10-9~10-6應(yīng)變。瑪多MS7.4地震引起的地應(yīng)變振蕩型變化特征如圖2 所示。
圖2 典型同震曲線
(2)階變型:一般由地方震及近地震引起或大震對較遠(yuǎn)觀測的應(yīng)力觸發(fā)引起,表現(xiàn)為地震波引起鉆孔應(yīng)變變化出現(xiàn)壓性階變、張性階變,持續(xù)時間及幅度亦與震級有關(guān)。幅度為10-9~10-6應(yīng)變,持續(xù)時間為幾十分鐘至幾小時,有時甚至產(chǎn)生永久性的應(yīng)變階變。
瑪多MS7.4地震引起的鉆孔觀測的張性階變變化特征及壓性階變變化特征如圖2 所示。通過初步分析可知,同震初到時間、波動幅度、持續(xù)時間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性,但同震階變等方面差異明顯,這可能和地震波的傳播路徑、臺站地質(zhì)環(huán)境、鉆孔與巖石的耦合及儀器自身特性有關(guān)。
此次地震在全國范圍共引起117個鉆孔應(yīng)變測點發(fā)生同震響應(yīng)(圖3),其中包括56個分量鉆孔應(yīng)變測點和61個體應(yīng)變測點。在56個分量應(yīng)變測點中,10個測點的分量鉆孔應(yīng)變?yōu)閴盒噪A變,3個測點為張性階變,43個測點為振蕩型變化;在分量應(yīng)變測點中,震中距最近的為青海德令哈臺,約為322km,波動幅度約22168.5×10-10;震中距最遠(yuǎn)的為吉林通化臺,約2543km,波動幅度約3217.6×10-10。按照波動幅度變化分析,波動幅度最大的是震中距2009km的江蘇常熟臺,約31790.5×10-10;波動幅度最小的為震中距約971km的重慶墊江新民臺,其波動幅度僅5.7×10-10。
圖3 青海瑪多MS7.4地震鉆孔應(yīng)變同震響應(yīng)分布
在61個體應(yīng)變測點中,同震變化表現(xiàn)為壓性階變的測點有3個,表現(xiàn)為張性階變的有9個,表現(xiàn)為振蕩型變化的有49個。震中距最近的為四川甘孜臺,約366km,波動幅度約3257×10-10。震中距最遠(yuǎn)的為黑龍江牡丹江,約2901km,波動幅度約19.7×10-10。按照波動幅度變化分析,波動幅度最大的為震中距1728km的江蘇徐州臺,幅度約為89732×10-10,波動幅度最小的為震中距最遠(yuǎn)的黑龍江牡丹江臺,其波動幅度僅為197×10-10。
鉆孔應(yīng)變觀測的同震變化在空間分布上具有明顯的集聚特征,震中距在500km范圍內(nèi)多呈現(xiàn)振蕩變化。RZB型應(yīng)變儀多呈現(xiàn)壓性階變,主要分布在震中的東側(cè),震中距在700km范圍內(nèi),與震源機(jī)制解正演應(yīng)變場結(jié)果一致; YRY型應(yīng)變儀表現(xiàn)為同震壓性階變的分布范圍較廣,震中距在1300~2100km范圍內(nèi);體應(yīng)變儀同震張性階變較為集中的區(qū)域為山東和江蘇,震中距在1700~2000km范圍內(nèi); 3種儀器同震振蕩的測點分布范圍廣,震中距為322~2901km不等,集聚性特征不明顯。
為進(jìn)一步說明3種儀器的不同響應(yīng)特征,分析了3種鉆孔應(yīng)變儀器對青?,敹嗟卣鹜痦憫?yīng)的波動幅度、初動時間、持續(xù)時間、頻率等多個參量的關(guān)聯(lián)性。
分析鉆孔應(yīng)變儀器響應(yīng)波動幅度變化與震中距的關(guān)系發(fā)現(xiàn):
(1)震中500km范圍內(nèi),YRY型應(yīng)變儀響應(yīng)明顯;震中距大于500km時,3種儀器響應(yīng)波動幅度變化較為接近。
(2)YRY型和RZB型應(yīng)變儀在震中距1500km以上的波動幅度大于震中距500~1000km 范圍內(nèi)的波動幅度,且大部分YRY型應(yīng)變儀的響應(yīng)波動幅度大于RZB型應(yīng)變儀。
(3)體應(yīng)變儀波動幅度變化與震中距的相關(guān)性較另2種儀器高(表1)。
表1 鉆孔應(yīng)變儀器波動幅度變化與震中距的相關(guān)系數(shù)
同震響應(yīng)最早的臺站是體應(yīng)變儀的云南陸良臺、內(nèi)蒙古烏加河臺、山東相公莊臺、山東長清臺,YRY型應(yīng)變儀的海原小山臺,RZB型應(yīng)變儀的烏什臺。使用體應(yīng)變儀的臺站中,同震響應(yīng)最晚的是西藏拉薩臺和河北張家口臺,在震后16min才開始響應(yīng);使用YRY型應(yīng)變儀的臺站中最晚響應(yīng)的是上海松江佘山臺,在震后11min開始響應(yīng);使用RZB型應(yīng)變儀的臺站中響應(yīng)最晚的是山東青島臺和甘肅劉家峽臺,震后26min開始響應(yīng)。
通過對儀器響應(yīng)時間與震中距關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn):震中距500km內(nèi),YRY型應(yīng)變儀響應(yīng)最早。震中距500~1000km范圍內(nèi),YRY型應(yīng)變儀響應(yīng)最快,體應(yīng)變儀次之,RZB型應(yīng)變儀最慢;震中距1000~2000km范圍內(nèi),3種儀器響應(yīng)速度持平;震中距大于2000km時,大部分體應(yīng)變儀響應(yīng)早于其他儀器。
為了更好地對比分析3種類型儀器在瑪多地震中表現(xiàn)出的同震變化,根據(jù)震中距大小,選取震中距相近且3種類型儀器均存在的區(qū)域,按由近及遠(yuǎn)進(jìn)行分段,通過綜合對比分析,初步結(jié)果如下:
(1)在震中距300~500km范圍內(nèi),符合條件的有8套儀器(表2),其中YRY型應(yīng)變儀觀測到的同震波動幅度最大,體應(yīng)變儀波動幅度次之,RZB型應(yīng)變儀波動幅度最?。煌痦憫?yīng)的持續(xù)時間基本相同;RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀可能存在授時問題,記錄的此次地震的初動時間與理論值差別較大。
表2 震中距300~500km范圍內(nèi)3種儀器的響應(yīng)對比
(2)震中距900~1000km范圍內(nèi),符合條件的有6套儀器,其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大,YRY型應(yīng)變儀次之;有2套RZB型應(yīng)變儀和1套體應(yīng)變儀的波動幅度變化極小,難以從背景變化中進(jìn)行區(qū)分,這3套儀器的地震響應(yīng)持續(xù)時間較短;YRY型應(yīng)變儀和1套體應(yīng)變儀持續(xù)時間較長。
(3)震中距1000~1100km范圍內(nèi),符合條件的有6套儀器,其中RZB型應(yīng)變儀波動幅度變化最大,體應(yīng)變儀次之;有2套RZB型應(yīng)變儀波動幅度變化極小,難以從背景變化中進(jìn)行區(qū)分,還有1套儀器雖然波動幅度變化較大,但難以從背景變化中區(qū)分出持續(xù)響應(yīng)變化,這3套儀器地震響應(yīng)持續(xù)時間較短;YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較長。
(4)震中距1350~1405km范圍內(nèi),符合條件的有7套儀器,其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大,2種分量應(yīng)變儀次之;有1套體應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,雖然初始波動幅度變化值大,但后續(xù)變化幅度小,難以從背景變化中進(jìn)行區(qū)分,這套儀器的地震響應(yīng)持續(xù)時間較短;其他儀器持續(xù)時間較長。
(5)震中距1643~1651km范圍內(nèi),符合條件的有4套儀器,其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大,RZB型應(yīng)變儀次之;有1套體應(yīng)變儀和1套RZB型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,雖然波動幅度變化值大,但難以從背景變化中區(qū)分出持續(xù)響應(yīng)變化,地震響應(yīng)持續(xù)時間較短;其他儀器影響持續(xù)時間較長。
(6)震中距1699~1728km范圍內(nèi),符合條件的有8套儀器,其中體應(yīng)變儀波動幅度變化最大,YRY型應(yīng)變儀次之;有1套體應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,雖然波動幅度變化值大,但難以從背景變化中區(qū)分出持續(xù)響應(yīng)變化,地震響應(yīng)持續(xù)時間較短;其他儀器影響持續(xù)時間長。
(7)震中距2169~2236km范圍內(nèi),符合條件的有8套儀器,其中RZB型應(yīng)變儀波動幅度變化最大;體應(yīng)變儀和YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,雖然波動幅度變化值大,但持難以從背景變化中區(qū)分出續(xù)響應(yīng)變化,地震響應(yīng)持續(xù)時間短;其他儀器影響持續(xù)時間較長。
另外,還選取同一臺站有2種類型儀器的山西大同臺、山東泰安臺、江蘇徐州臺和青海高臺臺4個臺站,進(jìn)行了綜合對比分析,其中高臺臺的2種儀器為YRY型應(yīng)變儀和測震寬頻帶地震儀。由圖4 和表3 所示,①大同臺和泰安臺的2套儀器初動時間相同,徐州臺的YRY型應(yīng)變儀比體應(yīng)變儀晚1min,高臺臺的寬頻帶地震儀比YRY型應(yīng)變儀早1min;②大同臺和徐州臺YRY型應(yīng)變儀的持續(xù)時間大于體應(yīng)變儀,泰安臺體應(yīng)變儀的持續(xù)時間大于RZB型應(yīng)變儀,測震儀器的持續(xù)時間大于YRY型應(yīng)變儀。
表3 同臺站不同儀器響應(yīng)對比
圖4 同臺站不同儀器曲線對比
對比響應(yīng)波形發(fā)現(xiàn)同一臺站的2種儀器存在差異,3個震中距大于1000km臺站的體應(yīng)變儀的波動幅度大于分量應(yīng)變儀器,說明體應(yīng)變儀的敏感度較高,接收到地震波動后引起的振幅變化較大,但并未清晰地反應(yīng)實際波動情況。徐州臺的體應(yīng)變儀表現(xiàn)的是張性階變,而YRY型應(yīng)變儀表現(xiàn)的是壓性階變,這些差別可能與儀器性能、參量設(shè)置、場地響應(yīng)有關(guān)。寬頻帶地震儀初動時間僅早于YRY型應(yīng)變儀1min,由于YRY型應(yīng)變儀為分鐘值采樣,接收到的地震信號延遲1min響應(yīng);寬頻帶地震儀的持續(xù)時間大于YRY型應(yīng)變儀21min,說明YRY型應(yīng)變儀的同震變化持續(xù)時間是相對完整有效的,而寬頻帶地震儀采用率高,觀測到的信號比YRY型應(yīng)變儀豐富。
鉆孔應(yīng)變頻譜分析的常規(guī)方法是時頻類分析方法,該方法可以較方便地進(jìn)行信號頻譜的動態(tài)研究(劉琦等,2011、2013、2014;李文軍等,2014)。常用的時頻類分析方法較多,包括短時傅立葉變換、Gabor展開、小波變換、wignel-ville分布、Cohen類分布等方法,本文選用連續(xù)小波變換CWT方法,從頻率域方面研究3種觀測儀器記錄的同震響應(yīng)。連續(xù)小波變換具有頻帶更為連續(xù)的特點,特別適合全局時頻特征的總體把握,可以反映在整個同震時段的頻譜演變整體特性(侯海龍,2007)。選取同時有2種以上儀器觀測的山西大同臺、山東泰安臺和江蘇徐州臺3個臺站,采用上述時頻分析方法,分別繪制了3個臺站記錄的此次地震的同震變化時段的時頻曲線,如圖5 所示。綜合分析認(rèn)為,3種儀器對此次地震的響應(yīng)頻帶存在差別,大同臺YRY型應(yīng)變儀的主要頻帶為2~4min,體應(yīng)變儀為2~3min,YRY型應(yīng)變儀記錄的頻帶較寬;泰安臺RZB型應(yīng)變儀的主要頻帶為2~3min,體應(yīng)變儀為2~4min,RZB型應(yīng)變儀記錄的頻帶范圍非常小,體應(yīng)變儀記錄的頻帶較寬;徐州臺YRY型應(yīng)變儀的主要頻帶為2~5min,體應(yīng)變儀為2~3min,YRY型應(yīng)變儀記錄的頻帶也較寬。分析認(rèn)為,可能是觀測點介質(zhì)的各向異性造成了觀測點場地局部的應(yīng)變差異。對比發(fā)現(xiàn),同一臺站2種儀器的同震響應(yīng)的頻帶差別較大,可能與儀器性能、參量設(shè)置、場地響應(yīng)和鉆孔與有關(guān)。但總體上來說,YRY型應(yīng)變儀記錄的頻帶范圍最大,體應(yīng)變儀次之,RZB型應(yīng)變儀最小,說明YRY型應(yīng)變儀記錄同震信息的能力最強(qiáng)。
圖5 同一臺站3種觀測儀器的同震時頻對比白色虛線為影響錐
進(jìn)一步分析多個參量的相關(guān)性,分別從數(shù)據(jù)分布和斜率來對比震中距、初動時間、持續(xù)時間與波動幅度之間的關(guān)系(胡春美,2019)。由各參量之間關(guān)系的矩陣圖(圖6)可知:①在震中距1000km范圍內(nèi),3種儀器數(shù)量相當(dāng);②YRY型應(yīng)變儀的同震響應(yīng)的初動時間最早,RZB型應(yīng)變儀次之,體應(yīng)變儀最晚,但體應(yīng)變儀和RZB型應(yīng)變儀存在響應(yīng)滯后情況,這可能與儀器自身性能有關(guān),也可能與儀器的GPS授時有關(guān);③在同震變化持續(xù)時間上,約有一半的RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,僅少部分YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,由于觀測信號變化幅度減弱,使其后期的同震響應(yīng)與余震或背景變化重合,已無法區(qū)分;④RZB型應(yīng)變儀在波動幅度上的變化是3種儀器中最小的。
圖6 3種儀器的震中距與初動時間、持續(xù)時間、波動幅度關(guān)系
通過對3種鉆孔應(yīng)變儀記錄的瑪多MS7.4地震的同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析,初步得出以下結(jié)論:
(1)在震中距700km范圍內(nèi),RZB型應(yīng)變儀的記錄多呈現(xiàn)壓性階變,主要分布在震中的東側(cè),與震源機(jī)制解正演應(yīng)變場結(jié)果一致。
(2)YRY型應(yīng)變儀的開始響應(yīng)時間早于RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀,體應(yīng)變儀和RZB型應(yīng)變儀存在響應(yīng)滯后現(xiàn)象,此次地震中,部分儀器的初動時間與理論初動時間差別較大,可能與儀器GPS授時有關(guān);約有一半的RZB型應(yīng)變儀和體應(yīng)變儀的同震變化持續(xù)時間較短,僅少部分YRY型應(yīng)變儀持續(xù)時間較短,說明YRY型應(yīng)變儀記錄的同震變化信息更豐富。
(3)全國所有臺站的鉆孔應(yīng)變儀均記錄到青海瑪多MS7.4地震的同震響應(yīng),但RZB型應(yīng)變儀記錄的波動幅度變化最小,變化幅度與震中距相關(guān)性也最小。
(4)3種型號的儀器記錄的同震響應(yīng)頻帶存在差別,可能是觀測點介質(zhì)的各向異性造成了觀測點場地局部的應(yīng)變差異,但總體來說,YRY型應(yīng)變儀記錄同震信息的能力最強(qiáng)。
總體上,鉆孔應(yīng)變儀觀測記錄同震變化的初動時間、波動幅度和持續(xù)時間等與震中距存在一定的關(guān)系,但在同震應(yīng)變階、張壓性變化等方面差異較大,造成此差異的原因尚需進(jìn)一步研究。
致謝:中國地震臺網(wǎng)中心李瑜提供了利用GNSS計算出的瑪多地震區(qū)域構(gòu)造背景應(yīng)力,在此表示衷心感謝!