易县、延安市数字化线应变观测结果的变化

易县、延安市数字化线应变观测结果的变化

观测尺度与区域应变的关系根据不同的变形观测数据和观测数据的综合，是研究区域地壳变形的有效方法。gps连续观测站提供了大规模的地壳变形，定量孔变形观测提供了小规模的地壳变形变化。地壳变形信息来自不同的空间尺度和不同的观测频率范围。有四个观测站：延庆、宜县、张家口市和怀来（三个方向的适应组合观测）和八个孔变形观测站（图1）。这些洞体适应性连续观测站的配置可以达到一定的密度。已有研究表明,2001年11月14日昆仑山口西8.1级大地震发生后华北地区的应变增量场是反向的变化,震后存在弹性回跳或调整的机制。这种大尺度的形变特征对强震发生的背景有指导意义,而对于首都圈重点监视区来说,则需从更小的观测尺度分析区域形变变化。近期首都圈地区的应变连续观测显示:2005年以来,易县伸缩NE向观测、延庆伸缩NS向观测出现了较大幅度的变化,其中延庆伸缩NS向在2006年6、7月份出现转折变化,在时间上与同年7月4日发生的文安5.1级地震相吻合,这些异常变化是否与文安地震有关、文安地震的发生对首都圈地区可能会产生何种影响?这些问题是人们所关注的,也是判定今后首都圈地区震情趋势的主要依据之一。本文在单项前兆异常的可靠性分析中,结合提取不同频段与不同性质的异常信息等方法对异常进一步判定,进而分析应变场的时间、空间变化特征。1选字和数据处理方法1.1旋转方向下直角坐标应变张量转换公式在应力场作用下,剪应变的变化更能体现岩石破裂过程中的作用,虽然剪应变不可直接观测到,但可通过伸缩仪3个方向的应变组合观测,计算出平面应变参数:剪应变、主应变、最大剪应变以及主应变方向等,从而分析区域应变场的变化。首都圈地区4个定点伸缩仪观测站具有3个方向观测,除了2个正交方向的观测外,张家口、延庆观测站的斜边观测为NW向,怀来、易县观测站斜边观测为NE向,如图2所示,按照地平坐标转换为观测方向的直角坐标应变张量转换公式,在旋转α方向后的直角坐标应变可表示为exx=eθθcos2α+eλλsin2α-2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ-eθθ)sin2α-2eθλcos2α}(1)exx=eθθcos2α+eλλsin2α−2eθλsinαcosαeyy=eθθsin2α+eλλcos2α+2eθλsinαcosα2exy=(eλλ−eθθ)sin2α−2eθλcos2α⎫⎭⎬⎪⎪(1)当α=135°时,由式(1)中的第一式可得出2eθλ=2e135-(eθθ+eλλ)(2)当α=45°时,由式(1)中的第一式得出2eθλ=(eθθ+eλλ)-2e45(3)对于3个方向应变观测值而言,式(2)、(3)中的eθθ、eλλ分别为EW、NS向观测值,e135、e45相应为NW向、NE向斜边观测值。由式(2)或式(3)计算剪应变,从而可进一步计算出以下平面应变参数。面应变:eΣ=eθθ+eλλ=eΝS+eEW(4)主应变:e1=eθθ+eλλ2+√(eθθ-eλλ2)2+e2θλe2=eθθ+eλλ2-√(eθθ-eλλ2)2+e2θλ}(5)最大剪应变:τmax=(e1-e2)2=√((eθθ-eλλ2)2+e2θλ(6)主应变方向:2αe=arctg(-2eθλeθθ-eλλ)(7)本文计算采用2002年至2006年7月数字化观测的观测数据。1.2固体潮观测模型数字化形变观测最小采样率达到分钟,既有固体潮响应的周期性变化,也有类似地震波频段的高频变化,其中也可能存在临震前兆信息,类似形变“暂态变化”。固体潮观测模型可表示为Yt=RV(t+Δt)+∑amtm(8)式中,Yt为观测值,R为潮汐观测值相对理论值V的响应率,Δt为观测值相对理论值的时间滞后,am为观测值序列的漂移多项式系数,m取至2,对式(8)中V(t+Δt)取一级近似,则式(8)可表示为Yt=RVt+RΔtV´t+∑amtm(9)按照式(9)对观测值进行拟合并对残差限定异常阈值,以天为单位统计异常频次。潮汐因子的计算应用Mapsis中的模块进行计算。2计算与分析2.1nw向观测结果图3显示延庆台伸缩仪3个方向观测曲线和应变参数、潮汐因子、异常频次的计算结果,其中NS向观测于2005年加速下降,为3个方向变化幅度最突出的变化,至2006年6月下降幅度达6.8×10-6,并于2006年6、7月出现转折;NW向观测于2004年以来出现趋势上升,EW向观测相对变化比较平稳(图3a,b,c)。从各种参数计算的结果来看,主应变、剪应变自2004年开始均出现偏离原趋势的变化,在2005年7、8月达到最大速率(图3d,e,f),主应变方向也呈现不稳定的趋势转变(图3g)。NS向观测的m2波潮汐因子在2005年下半年出现上升,与平均水平相比,上升幅度达到14%,并于2006年恢复正常水平(图3h)。NS向观测的日异常频次2005年以来出现上升(图3i)。以上所述的异常变化在时间上可能与2005年8月31日蔚县4.0级地震、2006年7月4日文安5.1级地震的发生有一定的关系。2.2文安地震的地震反应特性主要表现为图4显示易县伸缩3方向观测曲线和平面应变参数、潮汐因子、异常频次的计算结果,从观测曲线来看,NE向自2005年下半年开始出现加速压缩变化,至2006年8月变化幅度达5×10-6(图4c);EW向在2004年出现趋势转平(图4a),NS向在2006年初出现转折变化(图4b)。整个观测时段除了2004年8月由于下大雨山洞进水导致观测结果出现不稳定扰动变化外,其他观测时段无干扰存在。图4d,e,f分别为主应变、最大剪应变、主应变方向,3个应变参数曲线在文安地震前1~2天都出现了转折,其中最大剪应变是在达到了2002年初的变化水平后出现的转折,而主应变的方向在2006年4月开始加速变化,文安地震前1天转折,震后正在加速恢复。以上应变参数曲线的同步转折变化与文安地震相对应,结合延庆伸缩NS向观测曲线,可以理解为文安地震的孕育与发生与首都圈西部区域应变场的变化与转折有某种联系。易县NE向观测m2波潮汐因子的变化结果显示(图4g),2003年和2005年下半年都出现了较大幅度的变化,2003年的观测数据断数较多,而2005年观测数据连续性好,潮汐因子下降幅度为8%,与延庆伸缩NS向潮汐因子的变化较同步。该台异常频次具有较明显的年周期成分,可能是由于季节性变化带来的扰动,去除周期变化后的日异常频次结果显示(图4h),NE向观测在2003年9月27日俄、中、蒙交界7.9级地震前后出现较突出的高频次异常,虽然地震距易县台较远(约2480km),但却是2002年观测以来最突出的变化。此外,文安地震前半个月也出现异常频次高值。虽然还不能确定它们之间一定存在因果关系,但这一结果已引起人们的关注。2.3文安地震前的区域间地震地质特征张家口台伸缩仪自2002年以来观测结果相对较平稳,无论是观测曲线还是计算出的平面应变参数,都显示2005年7、8月出现较快速的变化(图略);怀来台伸缩仪观测曲线比较平稳,计算的剪应变显示2005年7月出现加速变化。以上2个观测台应变出现同步加速,在时间上可对应同年8月31日发生的蔚县4.0级地震,该地震距2个台站约100km,怀来台恰好位于蔚广盆地南缘断裂的延伸方向上,与地震的发生有某种构造上的联系。而2006年7月4日文安地震前,2个台都没有异常显示,分析认为可能存在二个原因,其一与文安地震距离较远(怀来台、张家口台距震中约200km);其二,可能也存在构造上的原因,延庆台、怀来台与文安地震的距离大致相同,但由于延矾盆地北缘断裂刚好位于2个台站之间(图1),因此延庆台与地震地点同处于断裂的一侧,而怀来台在断裂的另一侧,因此可能造成延庆台出现异常而怀来台没有异常变化。根据首都圈8个钻孔体应变台的观测结果,其中涞水台体应变观测2006年初在压缩的背景上出现转折变化。除此之外,大部分体应变变化基本正常。3文安地震反应及应力场特征结果综合上述分析,无论是原始观测结果,还是应变计算结果,都不同程度地显示了首都圈西部区域应变场的变化在2005年开始加速,并在文安地震前出现转折。延庆台NS向、易县台NE向伸缩仪变化幅度最大,两者变化幅度均达到了10-6;从方向上来说,以NS偏NE向为应变压缩方向,根据主应变方向的计算结果,最大剪应变方向在75°~90°,根据中国国家数字台网震源机制解,文安地震P轴方向接近NE向,据震中最近的易县台恰好是NE向观测值出现加速压缩变化,可以认为这种变化不是偶然的,而可能是附加应力作用的结果。而易县主应变方向在文安地震前3个月开始加速偏离(图4f),似表明震前有附加应力变化而导致应力场出现短期扰动,在累积应变达到接近失稳阶段时,这种应力扰动变化可能是最后导致文安地震发生的原因。强震前的应力突变变化,可表现为微震活动呈现一定的空间分布形态,表明应力变化产生的地震效应是明显的,而临震前的应力突变,可能在临震前的几天至几个月出现,根据岩石破裂实验理论推测,强震发生前都有应力变化,但能否观测