易縣、延安市數(shù)字化線應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果的變化

易縣、延安市數(shù)字化線應(yīng)變觀測(cè)結(jié)果的變化

觀測(cè)尺度與區(qū)域應(yīng)變的關(guān)系根據(jù)不同的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合，是研究區(qū)域地殼變形的有效方法。gps連續(xù)觀測(cè)站提供了大規(guī)模的地殼變形，定量孔變形觀測(cè)提供了小規(guī)模的地殼變形變化。地殼變形信息來自不同的空間尺度和不同的觀測(cè)頻率范圍。有四個(gè)觀測(cè)站：延慶、宜縣、張家口市和懷來（三個(gè)方向的適應(yīng)組合觀測(cè)）和八個(gè)孔變形觀測(cè)站（圖1）。這些洞體適應(yīng)性連續(xù)觀測(cè)站的配置可以達(dá)到一定的密度。已有研究表明,2001年11月14日昆侖山口西8.1級(jí)大地震發(fā)生后華北地區(qū)的應(yīng)變?cè)隽繄?chǎng)是反向的變化,震后存在彈性回跳或調(diào)整的機(jī)制。這種大尺度的形變特征對(duì)強(qiáng)震發(fā)生的背景有指導(dǎo)意義,而對(duì)于首都圈重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)來說,則需從更小的觀測(cè)尺度分析區(qū)域形變變化。近期首都圈地區(qū)的應(yīng)變連續(xù)觀測(cè)顯示:2005年以來,易縣伸縮NE向觀測(cè)、延慶伸縮NS向觀測(cè)出現(xiàn)了較大幅度的變化,其中延慶伸縮NS向在2006年6、7月份出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化,在時(shí)間上與同年7月4日發(fā)生的文安5.1級(jí)地震相吻合,這些異常變化是否與文安地震有關(guān)、文安地震的發(fā)生對(duì)首都圈地區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生何種影響?這些問題是人們所關(guān)注的,也是判定今后首都圈地區(qū)震情趨勢(shì)的主要依據(jù)之一。本文在單項(xiàng)前兆異常的可靠性分析中,結(jié)合提取不同頻段與不同性質(zhì)的異常信息等方法對(duì)異常進(jìn)一步判定,進(jìn)而分析應(yīng)變場(chǎng)的時(shí)間、空間變化特征。1選字和數(shù)據(jù)處理方法1.1旋轉(zhuǎn)方向下直角坐標(biāo)應(yīng)變張量轉(zhuǎn)換公式在應(yīng)力場(chǎng)作用下,剪應(yīng)變的變化更能體現(xiàn)巖石破裂過程中的作用,雖然剪應(yīng)變不可直接觀測(cè)到,但可通過伸縮儀3個(gè)方向的應(yīng)變組合觀測(cè),計(jì)算出平面應(yīng)變參數(shù):剪應(yīng)變、主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變以及主應(yīng)變方向等,從而分析區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的變化。首都圈地區(qū)4個(gè)定點(diǎn)伸縮儀觀測(cè)站具有3個(gè)方向觀測(cè),除了2個(gè)正交方向的觀測(cè)外,張家口、延慶觀測(cè)站的斜邊觀測(cè)為NW向,懷來、易縣觀測(cè)站斜邊觀測(cè)為NE向,如圖2所示,按照地平坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為觀測(cè)方向的直角坐標(biāo)應(yīng)變張量轉(zhuǎn)換公式,在旋轉(zhuǎn)α方向后的直角坐標(biāo)應(yīng)變可表示為exx=eθθcos2α+eλλsin2α-2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ-eθθ)sin2α-2eθλcos2α}(1)exx=eθθcos2α+eλλsin2α?2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ?eθθ)sin2α?2eθλcos2α?????(1)當(dāng)α=135°時(shí),由式(1)中的第一式可得出2eθλ=2e135-(eθθ+eλλ)(2)當(dāng)α=45°時(shí),由式(1)中的第一式得出2eθλ=(eθθ+eλλ)-2e45(3)對(duì)于3個(gè)方向應(yīng)變觀測(cè)值而言,式(2)、(3)中的eθθ、eλλ分別為EW、NS向觀測(cè)值,e135、e45相應(yīng)為NW向、NE向斜邊觀測(cè)值。由式(2)或式(3)計(jì)算剪應(yīng)變,從而可進(jìn)一步計(jì)算出以下平面應(yīng)變參數(shù)。面應(yīng)變:eΣ=eθθ+eλλ=eΝS+eEW(4)主應(yīng)變:e1=eθθ+eλλ2+√(eθθ-eλλ2)2+e2θλe2=eθθ+eλλ2-√(eθθ-eλλ2)2+e2θλ}(5)最大剪應(yīng)變:τmax=(e1-e2)2=√((eθθ-eλλ2)2+e2θλ(6)主應(yīng)變方向:2αe=arctg(-2eθλeθθ-eλλ)(7)本文計(jì)算采用2002年至2006年7月數(shù)字化觀測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。1.2固體潮觀測(cè)模型數(shù)字化形變觀測(cè)最小采樣率達(dá)到分鐘,既有固體潮響應(yīng)的周期性變化,也有類似地震波頻段的高頻變化,其中也可能存在臨震前兆信息,類似形變“暫態(tài)變化”。固體潮觀測(cè)模型可表示為Yt=RV(t+Δt)+∑amtm(8)式中,Yt為觀測(cè)值,R為潮汐觀測(cè)值相對(duì)理論值V的響應(yīng)率,Δt為觀測(cè)值相對(duì)理論值的時(shí)間滯后,am為觀測(cè)值序列的漂移多項(xiàng)式系數(shù),m取至2,對(duì)式(8)中V(t+Δt)取一級(jí)近似,則式(8)可表示為Yt=RVt+RΔtV′t+∑amtm(9)按照式(9)對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行擬合并對(duì)殘差限定異常閾值,以天為單位統(tǒng)計(jì)異常頻次。潮汐因子的計(jì)算應(yīng)用Mapsis中的模塊進(jìn)行計(jì)算。2計(jì)算與分析2.1nw向觀測(cè)結(jié)果圖3顯示延慶臺(tái)伸縮儀3個(gè)方向觀測(cè)曲線和應(yīng)變參數(shù)、潮汐因子、異常頻次的計(jì)算結(jié)果,其中NS向觀測(cè)于2005年加速下降,為3個(gè)方向變化幅度最突出的變化,至2006年6月下降幅度達(dá)6.8×10-6,并于2006年6、7月出現(xiàn)轉(zhuǎn)折;NW向觀測(cè)于2004年以來出現(xiàn)趨勢(shì)上升,EW向觀測(cè)相對(duì)變化比較平穩(wěn)(圖3a,b,c)。從各種參數(shù)計(jì)算的結(jié)果來看,主應(yīng)變、剪應(yīng)變自2004年開始均出現(xiàn)偏離原趨勢(shì)的變化,在2005年7、8月達(dá)到最大速率(圖3d,e,f),主應(yīng)變方向也呈現(xiàn)不穩(wěn)定的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變(圖3g)。NS向觀測(cè)的m2波潮汐因子在2005年下半年出現(xiàn)上升,與平均水平相比,上升幅度達(dá)到14%,并于2006年恢復(fù)正常水平(圖3h)。NS向觀測(cè)的日異常頻次2005年以來出現(xiàn)上升(圖3i)。以上所述的異常變化在時(shí)間上可能與2005年8月31日蔚縣4.0級(jí)地震、2006年7月4日文安5.1級(jí)地震的發(fā)生有一定的關(guān)系。2.2文安地震的地震反應(yīng)特性主要表現(xiàn)為圖4顯示易縣伸縮3方向觀測(cè)曲線和平面應(yīng)變參數(shù)、潮汐因子、異常頻次的計(jì)算結(jié)果,從觀測(cè)曲線來看,NE向自2005年下半年開始出現(xiàn)加速壓縮變化,至2006年8月變化幅度達(dá)5×10-6(圖4c);EW向在2004年出現(xiàn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)平(圖4a),NS向在2006年初出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化(圖4b)。整個(gè)觀測(cè)時(shí)段除了2004年8月由于下大雨山洞進(jìn)水導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)不穩(wěn)定擾動(dòng)變化外,其他觀測(cè)時(shí)段無干擾存在。圖4d,e,f分別為主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變、主應(yīng)變方向,3個(gè)應(yīng)變參數(shù)曲線在文安地震前1~2天都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折,其中最大剪應(yīng)變是在達(dá)到了2002年初的變化水平后出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折,而主應(yīng)變的方向在2006年4月開始加速變化,文安地震前1天轉(zhuǎn)折,震后正在加速恢復(fù)。以上應(yīng)變參數(shù)曲線的同步轉(zhuǎn)折變化與文安地震相對(duì)應(yīng),結(jié)合延慶伸縮NS向觀測(cè)曲線,可以理解為文安地震的孕育與發(fā)生與首都圈西部區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的變化與轉(zhuǎn)折有某種聯(lián)系。易縣NE向觀測(cè)m2波潮汐因子的變化結(jié)果顯示(圖4g),2003年和2005年下半年都出現(xiàn)了較大幅度的變化,2003年的觀測(cè)數(shù)據(jù)斷數(shù)較多,而2005年觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性好,潮汐因子下降幅度為8%,與延慶伸縮NS向潮汐因子的變化較同步。該臺(tái)異常頻次具有較明顯的年周期成分,可能是由于季節(jié)性變化帶來的擾動(dòng),去除周期變化后的日異常頻次結(jié)果顯示(圖4h),NE向觀測(cè)在2003年9月27日俄、中、蒙交界7.9級(jí)地震前后出現(xiàn)較突出的高頻次異常,雖然地震距易縣臺(tái)較遠(yuǎn)(約2480km),但卻是2002年觀測(cè)以來最突出的變化。此外,文安地震前半個(gè)月也出現(xiàn)異常頻次高值。雖然還不能確定它們之間一定存在因果關(guān)系,但這一結(jié)果已引起人們的關(guān)注。2.3文安地震前的區(qū)域間地震地質(zhì)特征張家口臺(tái)伸縮儀自2002年以來觀測(cè)結(jié)果相對(duì)較平穩(wěn),無論是觀測(cè)曲線還是計(jì)算出的平面應(yīng)變參數(shù),都顯示2005年7、8月出現(xiàn)較快速的變化(圖略);懷來臺(tái)伸縮儀觀測(cè)曲線比較平穩(wěn),計(jì)算的剪應(yīng)變顯示2005年7月出現(xiàn)加速變化。以上2個(gè)觀測(cè)臺(tái)應(yīng)變出現(xiàn)同步加速,在時(shí)間上可對(duì)應(yīng)同年8月31日發(fā)生的蔚縣4.0級(jí)地震,該地震距2個(gè)臺(tái)站約100km,懷來臺(tái)恰好位于蔚廣盆地南緣斷裂的延伸方向上,與地震的發(fā)生有某種構(gòu)造上的聯(lián)系。而2006年7月4日文安地震前,2個(gè)臺(tái)都沒有異常顯示,分析認(rèn)為可能存在二個(gè)原因,其一與文安地震距離較遠(yuǎn)(懷來臺(tái)、張家口臺(tái)距震中約200km);其二,可能也存在構(gòu)造上的原因,延慶臺(tái)、懷來臺(tái)與文安地震的距離大致相同,但由于延礬盆地北緣斷裂剛好位于2個(gè)臺(tái)站之間(圖1),因此延慶臺(tái)與地震地點(diǎn)同處于斷裂的一側(cè),而懷來臺(tái)在斷裂的另一側(cè),因此可能造成延慶臺(tái)出現(xiàn)異常而懷來臺(tái)沒有異常變化。根據(jù)首都圈8個(gè)鉆孔體應(yīng)變臺(tái)的觀測(cè)結(jié)果,其中淶水臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)2006年初在壓縮的背景上出現(xiàn)轉(zhuǎn)折變化。除此之外,大部分體應(yīng)變變化基本正常。3文安地震反應(yīng)及應(yīng)力場(chǎng)特征結(jié)果綜合上述分析,無論是原始觀測(cè)結(jié)果,還是應(yīng)變計(jì)算結(jié)果,都不同程度地顯示了首都圈西部區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)的變化在2005年開始加速,并在文安地震前出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。延慶臺(tái)NS向、易縣臺(tái)NE向伸縮儀變化幅度最大,兩者變化幅度均達(dá)到了10-6;從方向上來說,以NS偏NE向?yàn)閼?yīng)變壓縮方向,根據(jù)主應(yīng)變方向的計(jì)算結(jié)果,最大剪應(yīng)變方向在75°~90°,根據(jù)中國(guó)國(guó)家數(shù)字臺(tái)網(wǎng)震源機(jī)制解,文安地震P軸方向接近NE向,據(jù)震中最近的易縣臺(tái)恰好是NE向觀測(cè)值出現(xiàn)加速壓縮變化,可以認(rèn)為這種變化不是偶然的,而可能是附加應(yīng)力作用的結(jié)果。而易縣主應(yīng)變方向在文安地震前3個(gè)月開始加速偏離(圖4f),似表明震前有附加應(yīng)力變化而導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)短期擾動(dòng),在累積應(yīng)變達(dá)到接近失穩(wěn)階段時(shí),這種應(yīng)力擾動(dòng)變化可能是最后導(dǎo)致文安地震發(fā)生的原因。強(qiáng)震前的應(yīng)力突變變化,可表現(xiàn)為微震活動(dòng)呈現(xiàn)一定的空間分布形態(tài),表明應(yīng)力變化產(chǎn)生的地震效應(yīng)是明顯的,而臨震前的應(yīng)力突變,可能在臨震前的幾天至幾個(gè)月出現(xiàn),根據(jù)巖石破裂實(shí)驗(yàn)理論推測(cè),強(qiáng)震發(fā)生前都有應(yīng)力變化,但能否觀測(cè)