2017, Vol. 38
表1(Table 1)
2. 中国福建 353000 南平地震台;
3. 中国福建 354000 邵武地震台
2. Nanping Seismic Station, Fujian Province 353000, China;
3. Shaowu Seismic Station, Fujian Province 354000, China
地壳在长期构造运动中发生形变，不断累积应力，当应力超过岩石承受极限时，发生断裂，并产生错动，应力迅速释放形成构造地震。因此，构造应力与断层滑动互成因果，前者的超限促进后者加速，后者反过来释放前者，使地壳岩层受力重新达到平衡稳定。TJ-Ⅱ型体应变仪探头用膨胀水泥固结在钻孔底部基岩中，根据钢筒内硅油的体积变化而获得岩体体积的相对变化量 (苏恺之，2003)。邱泽华等 (2004)指出，构造地震发生时，有可能使一些在“应力影”区域内的断层释放应力后更加趋于稳定，也可能因“应力触发”作用造成另一些断层上的应力增大，进而产生滑动，因此近震体波传播会引起这些断层上测点形变仪器瞬间的振动，在曲线上表现为直接上升、下降或突跳，称为阶跃，而远距离地震面波传到测点时，如果频率与体应变仪的自振频率相似而引起共振，就会记录到脉冲或地震震荡波形态的信号。
在近年开展的地震研究中，诸多科研人员依据应变量在整个孕震及能量释放前后的表现形式，分析某个地区应变固体潮的响应形态及规律。例如，研究钻孔应变观测记震能力、记震特征及地震应变波阶变信息，均有助于识别和研究地震震源物理机制。邱泽华等 (2004, 2006) 对大量钻孔体应变资料中的同震应变阶做相关统计，对全球典型强震，如昆仑山M 8.1地震、苏门答腊M 7.3等地震应力触发展开讨论。另外，潘元生等 (2003)、杨林章 (2003)、明成山等 (2005)、汪翠枝等 (2009)、李艳等 (2011)、肖孟仁等 (2012)、李昆等 (2013)均采用不同方法对地震前兆资料或体应变观测的映震能力进行了相关分析。
自“九五”“十五”地震数字化改造以来，观测数据实现全面共享，单台资料质量分析及多台异常对比验证均能轻易实现，但鲜有研究者对地震仪器观测能力进行系统评估，观测资料在地震预报中的应用效能也不明显。永安地震台 (以下简称永安台) 隶属福建省地震局，设有测震台，含地形变、地下流体、电磁等地震前兆观测点 (福建省地震局，2005)。该台钻孔体应变连续观测6年以来，积累了大量可靠完整的数据，是研究应变波动拾取能力及变化规律的基础。本文采用计算记震能力线的方法，量化钻孔体应变仪对地震的响应能力，作为评价钻孔应变台站地震监测能力的一种衡量指标。
1 钻孔体应变观测背景永安台位于福建省三明市，该区域内地质构造发育，有中强地震发育背景，地震活动受2条NE向政和-海丰断裂带、邵武-河源断裂带及2条NW向永安-晋江断裂带、沙县-南日岛断裂带控制。钻孔体应变测点布设在永安台西北角，钻孔岩性致密，为晶屑凝灰岩，裂隙发育不明显，所处的政和-海丰断裂带近年构造活动较为平静稳定。钻孔高程179 m，采用TJ-ⅡC型体积式钻孔应变仪进行体应变观测，目前钻孔深度68.8 m，探头深度67.0 m。钻孔应变仪2002年初装，2005年遭雷击停测，2006年4月重新安装，目前为止，观测仪器性能稳定，运行正常，观测资料稳定可靠，固体潮变化清晰完整，能清晰记录到各种强震同震响应。
2 同震响应形态统计发现，永安台体应变记录的同震响应形态以脉冲波、地震震荡波为主。如：① 永安与中国台湾相距600 km以内，体应变能记录到中国台湾MS 5.5以上地震同震响应，但受震级所限 (MS < 7)，同震响应均为脉冲波，脉冲波幅度与震级大小成正比，见图 1；② 远震、强震持续时间长，面波丰富，永安台体应变记录的全球MS≥8地震同震响应形态为完整的应变地震震荡波，见图 2。
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图 1 永安台体应变脉冲波型记录 (a)2009年7月14日中国台湾花莲MS 6.7地震同震响应；(b)2013年3月7日中国台湾花莲MS 5.7地震同震响应 Fig.1 Record figure of pulse type coseismic response of the borehole strain meter at Yongan Seismic Station |
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图 2 永安台体应变地震震荡波型记录 (a)2008年5月12日四川汶川MS 8.0地震同震响应；(b)2011年3月13日日本本州MS 9.0地震同震响应 Fig.2 The record chart of seismic wave type of the body strain at Yongan Seismic Station |
邱泽华等 (2004)指出：观测点应力受到震源处断层错动及测点构造是否稳定的共同影响，表明如果测点构造较为稳定，震源的应力释放并不一定会使测点应力状态发生变化。据统计，同震响应一般以脉冲、阶跃、地震震荡波或各种叠加形态表现 (孙毅，2005)，而永安台体应变同震波仅表现为2种形态：近震、小震为脉冲波，远震、强震为震荡波形，无其他地震台观测到的阶跃变化，可能与钻井所在构造稳定有关，测点地下应力场不容易受到影响而产生阶跃变化。
3 资料选取选取2007-2013年国家地震台网大震速报目录，将发震时间转换为北京时间 (+8)，对于震中经纬度，东经、北纬为正，西经、南纬为负，震级使用MS，以永安台钻孔体应变观测数据为基础，统计国外MS ≥ 6、国内MS ≥ 5、福建省内4级以上地震，共得到1 407次地震，其中214次地震具有同震反应，占15.21%。
4 同震响应分析 4.1 方法原理记震能力 (宋茉，2010) 指观测仪器能够捕捉到的相同震中距条件下的震级响应下限，或所能记录到的各档震级对应的最远震中距。理论上，对于相同震级的地震，震中距越小，地震台站观测仪器能记录到同震响应的概率越大；而同等距离下，观测仪器记录到同震变化的概率也随震级增大而增大。
通过分析体应变观测曲线，整理同震响应目录表，并与同期实际地震事件对比，使用震中距 (D) 和地震震级 (MS) 绘制目标台站的震级-震中距对数关系图，设定直线
| $ {M_{\rm{S}}} = a\lg D + b $ | (1) |
将地震台站观测和未观测到的地震事件在震级-震中距关系图中分隔开，可根据式 (1) 推导出不同震级的响应震中距离。
利用地心余纬度公式 (朱介寿，1988)，计算214次地震到永安台的距离。
| $ \cos \mathit{\Delta = }{\rm{cos}}{\varphi _{\rm{e}}}\cos {\varphi _{\rm{s}}} + \sin {\varphi _{\rm{e}}}\sin \varphi {\rm{s}}\cos ({\lambda _{\rm{e}}} + {\lambda _{\rm{s}}}) $ | (2) |
| $ D = \mathit{\Delta} \times R $ | (3) |
式中：Δ为震中距圆心角 (弧度)，D为震中距 (单位km)，R为地球半径 (R = 6 371 km)，λe为震中经度 (弧度)，φe为震中地心余纬度 (弧度)，λs为台站经度 (弧度))，φs为台站地心余纬度 (弧度)。在此仅给出部分地震的震中距结果，见表 1。
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表 1 永安台钻孔体应变地震记录 Tab.1 Earthquake catalog recorded with bore hole strain meter at Yongan Seismic Station |
对于选取的1 407次地震，通过绘制地震能力线，量化评估永安地震台体应变仪映震能力。根据式 (1)，绘制永安台钻孔体应变记震能力图，即震级与震中距对数关系图，其中214次具有同震响应的地震记录以黑色实心圆显示，无同震响应的地震记录以红色空心圆显示，见图 3，可见：5-6级响应地震 (黑色实心圆) 分布在震中距对数2.65-2.76(换算震中距为446-575 km) 范围内，6-7级响应地震分布在震中距对数2.63-3.60(换算震中距为426-3 981 km) 范围内。
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图 3 永安台钻孔体应变记震能力线 Fig.3 The straight line diagram of the earthquake recording ability of borehole strain meter at Yongan Seismic Station |
由图 3直观可见，1条直线分割黑色实心圆集中区与红色空心圆集中区，黑色实心圆，即有同震响应的记录基本分布在直线上部，直线下部则以红色空心圆为主，即无同震响应记录。该直线即为永安台体应变记震能力线，数学表达式为
| $ {M_{\rm{S}}} = 1.63571{\rm{g}}D + 1.20 $ | (4) |
式中MS为震级，D为震中距。根据式 (4) 计算永安台体应变地震响应范围，得出：震级5.5级，对应震中距425 km；震级6级，对应震中距860 km；震级7.0级，对应震中距3 514 km；震级7.5级，对应震中距7 104 km；由于地球半径为6 371 km，所以7.5级以上地震永安台基本有映震反应，与图 3显示结果相符。
5 结束语钻孔体应变仪对同震应变信息的捕捉能力与响应形态，受干扰信息影响较小，仅与地震震级、震中距直接相关。记震能力线与其他分析方法相比，不仅能直观反映测点构造情况，也可以定量显示体应变仪的地震观测能力。
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