1、对两次印尼地震环型振荡剪应变方向的分析第 28 卷第 2 期2008 年 4 月大地测量与地球动力学JOURNALOFGEODESYANDGEODYNAMICSVo1.28No.2Apr.,2008文章编号:1671-5942(2008)02-0056-05对两次印尼地震环型振荡剪应变方向的分析唐磊邱泽华阚宝祥(中国地震局地壳应力研究所,北京 100085)摘要利用泰安台 YRY.2 型钻孔差应变仪的观测资料,研究了两次印尼苏门答腊地震的环型振荡的剪应变方向.首先对差应变仪观测数据进行实地标定,然后用标定后的数据检测 2004 年 12月 26 日和 2005 年 3 月 28 日印尼苏门答腊
2、两次大地震激发的环型振荡,发现基频环型振荡.T.T 最明显,且两次地震的振幅变化趋势基本一致.两次地震得到的.TT.型环型振荡的最大剪应变方向随时间变化比较小.通过与理论预期的对比,发现实测值的平均值与理论值之差仅为 2.这不仅证实了理论模型的正确性,同时也证实了该观测的可靠性.关键词钻孑 L 差应变仪;实地标定;地球环型振荡;最大剪应变方向; 苏门答腊地震中图分类号:P315.5 文献标识码:AANALYSISOFSHEARSTRAINoRIENTATIoNoFEARTHSToRSIoNALoSCILLATIoNEXCITEDBYTWoINDoNESIAEARTHQUAKESTangLei,
3、QiuZehuaandKanBaoxiang(InstituteofCrustalDynamics,CEA,Beng100085)AbstractUsing0bservati0ns0ftheYRY-2boreholeshearstrainmeter,westudiedmaximumshearstrain0rien.rationoftheearthStorsionaloscillationexcitedbytwoSumatraearthquakeoccurredonDecember26.2004andMarch28,2005.Firstly,wedidin.situcalibrationfort
4、hedataofboreholeshearstrainmeterandthendetectedthetorsionaloscillations.ItisfoundthatfundamentaltorsionalmodesoTl】oTl8wereveryobviousandvariationtrendofthetwoearthquakesamplitudewereinagreementwitheachothers,andvariationsofmaximumshearstrainorientationswithtimeoffundamentaltorsionalmodes0Tl】 0Tl8oft
5、hetwoSumatraearthquakesaresmal1.Throughthecomparison.wefoundthattheD.valueofthemeanmeasuredvaluewiththeoreticalanticipationvaluewasonly2.Ontheonehand,itcomfirmedthetheoreticalmodel,ontheotherhanditalsocomfirmedthatthisobservationwasreliable.Keywords:boreholeshearstrainmeter;insitucalibration;earthSf
6、reetorsionaloscillation;themaximumshearstrainorientation;Sumatraearthquake1 引言对地震激发地球自由振荡的研究,在认识地球结构和震源机制两方面都有重要意义.自 1961 年贝尼奥夫(Benioff) 等准确观测到智利大地震激发的长周期地球自由振荡以来,国内外学者对地球收稿日期:2008-0tt5基金项目:国家自然科学基金(4037401I);地震科学联合基金(1040037)作者简介:唐磊,男,t981 年生,硕士,研究方向为地球动力学.Email:tangshihanl12163.corn第 2 期唐磊等:对两次印尼地
7、震环型振荡剪应变方向的分析 57自由振荡做了大量的研究工作 J.长期以来,受到测震,重力,倾斜等仪器本身观测性质的限制,对环型振荡的剪应变特征的研究难以深入.钻孔差应变仪是一种理想的地壳形变观测仪器,它与其他应变仪不同,观测的是剪应变变化,可以直接提供地球环型振荡的信息.我们利用泰安台 YRY-2 型钻孔差应变仪的观测资料,在邱泽华等 2004 年 12 月 26Et 苏门答腊地震的环型自由振荡的研究基础上,进一步用阚宝祥等“j 提出的实地标定方法对观测资料进行了校正,然后检测了2004 年 12 月 26 日和 2005 年 3 月 28 日印尼苏门答腊两次大地震激发的地球环型振荡,绘制了典
8、型振型的最大剪应变方向随时问变化的曲线,统计得到的环型振荡的最大剪应变方向与理论预期十分接近2 观测数据的实地标定中国钻孔应变台网中,泰安台 YRY-2 型钻孔差应变仪工作状态最好,观测采样率为每分钟记录一个数据,多年来两条差应变曲线基本保持连续,光滑.但由于钻孔应变观测的特殊性,数据与真实情况可能还有误差.为了正确使用这些资料,有必要对泰安台差应变仪观测数据进行实地标定.通过对标定系数和滞后时问的分析认为:4 个元件的方位是按照图 1 放置的,元件 1 的方位角为 0.,顺时针每隔 45.放置 1 个元件;元件 2,4 工作状况比较稳定,观测值差应变 2 比较可靠;元件 3 的标定系数浮动较
9、大.经过实地标定后,差应变 1,2 基本上与各自的理论值相一致.在进行泰安台实地标定时,主要用到以下 3 个公式:S=A(1+3)=A(2+4)(1)2堪嚣鼷=+)=(2d2+)其中,A=(C/2 一 vF/(1 一),C 和 F 是比例常数,是泊松比.d 代表观测记录到的 EW 与 NS 方向上的差应变,称之为差应变 1 道,d 代表观测记录到的 NESW 与 NWSE 方向上的差应变,称之为差应变 2 道.k(i=1,2,3,4)为校正系数,(i=1,2,3,4)代表元件 i 的实际观测值,d 和 d 表示 d 和 d对应方向上经过标定的差应变值.山_图 1YRY 一 2 型差应变观测平面
10、不意图(1,2,3,4 表示 4个不同方向的元件)Fig.1SketchofshearstrainsmeasuringwithYRY 一 2typestrainmeter(numbers1to4indicatesfoursensorsrespectively)由于地球自由振荡随时问衰减,如果选取的震后观测数据过长,提取到的地球自由振荡将不明显,所以,经上述方法标定后,我们只截取泰安台差应变仪记录的这两次地震震后 5 天的分钟值数据(图2),即从地震发生开始,共 7200 个分钟值数据 J.010002000300040005000600070008000t/rain(b)2005 年 3 月
11、28 日 Ms8.6 地震图 2 泰安台差应变仪记录的印尼两次地震的标定后的分钟值曲线Fig.2RecordsofthetwoIndonesiaearthquakesbyboreholestrainmeteratTaianstationinChinaaftercalibration55958575158642 锚“枷猫猫猫58 大地测量与地球动力学 28 卷3 环型振荡的识别与选取在检测地球自由振荡时,我们分别利用消除周期大于 1 小时的含有低频成分数据的方法,分段多项式拟合固体潮法和小波变换法处理数据,发现经这 3 种方法处理得到的地球自由振荡的功率谱比较相近,差别很小.为了区别与以往分析方
12、法的不同,这里只选取小波变换法来处理数据,即用db4小波进行 6 层分解.然后朋离散小波的重构方法得到经小波分解后的 6 层近似系数和 6 层细节系数.小波分解发现地球自由振荡的信号存在于细节系数的第 2,3 和 4 层,其中高频和中频球型振荡信号存在于第 2 和第 3 层,低频信号存在于第 3 和第 4 层.最后对第 2,3 和 4 层的细节系数进行 Fourier 变换便得到地球环型振荡的功率谱 .离散 Fourier 变换公式:,()=(几)e 一一一,1N(4)其中,N=7200.为考察地球自由振荡随时问的变84O210=3蔚1.510?5O化,我们只用 4096 个数据作谱分析,以一
13、定的时间间隔进行滑动,由振幅谱乘方代表功率谱.经过上述处理后,发现差应变仪可以检测到.T,.T(理论周期:3301800S)基频环型振荡.我们将两次地震得到的环型振荡进行对比分析得到:检测到的环型振荡周期和 PREM 模型对比,误差较小;差应变仪比较容易检测中频环型振荡(理论周期 360780S);每个地震 d.和 d 显示的环型振荡的功率谱总体变化趋势没有明显的规律.邱泽华等在分析.T.T 基频环型振荡的品质因子时,发现振型.T.T.,相对其他振型比较稳定,准确;在分析最大剪应变方向随时间变化时,发现振型.T.T.的变化比较小.图 3 所示的是这两次地震激发的.T.T 环型振荡的功率谱,从图
14、中可以知道,两次地震 d 和 d 观测的.T.T.环型振荡都比较明显,且振幅变化及总体变化趋势基本一致.基于上述原因,我们在分析环型振荡的最大剪应变方向时,主要选取.T.T.环型振荡.0Ti80Tl70Ti6oTi50TI40Tl30Tl20TI】dllj.,lj.J,一/.一 /L 一一IfIlJ,.J.一 I.4004204404604805O)520540560506C周期/s(a)dIJ./.lIl/./.一/_LlfII/一 J 一,I.一 J,.460480500520540560580600周期/s(b)图 3 泰安台观测的印尼两次地震的基频环型振荡.T.T, 的功率谱Fig.3
15、Powerspectrumoffundamentaltorsionaloscillations0Tl】0Tl3measuredbytheboreholestrainmeteratTaianstation4 环型振荡的最大剪应变方向要探讨环型振荡的最大剪应变方向,首先了解泰安台钻孔差应变仪的观测原理:一般地,当远处有均匀水平主应变 e 和 e 时 ,方位角为 0 的对应的孔径相对变化为S=AI(el+e2)+B1(ele2)cos2(一 0)(5)式(5)中,是 e.的方位角,A 和 B.是耦合系数与套筒内径,外径,套筒材料的杨氏模量,泊松比及围岩等效杨氏模量和泊松比有比较复杂的关系 H.根据研
16、究,标定后的泰安台差应变观测量 d.和 d 分别与剪应变 7(0=,rr/4 的剪应变)和(0=0 的剪应变)是成比例的,最大剪应变方向为D4-,rr/4,其中:一1(dr2-g-arctan57-)(6)=一 LLO第 2 期唐磊等:对两次印尼地震环型振荡剪应变方向的分析 59这里用钻孔差应变仪观测的两个方向的环型振荡振幅数据来表达 d 和 d,根据式(6),对环型振荡的剪应变方向问题进行探讨.地球环型自由振荡的图像是整个地球围绕对称轴(这里指通过地球中心和震中的连线)发生弹性扭转,在此形变中,其两个最大剪应变方向之一应该垂直于该对称轴.由地球自由振荡理论可以确定:震中应该是对称轴与球面的交
17、点之一.因此,观测点的最大剪应变方向之一,应该垂直于通过观测点和震中的大圆.印尼两次地震震中和台站的位置如图 4 所示,和表示两个最大剪应变方向的理论值,方向为北偏东,方向为北偏西,且+/3=90.JN震中台站图 4 震中,台站以及最大剪应变方向的平面示意图Fig.4Sketchofepicenter,TaianstationandthenlaxiiTiunlshearstrainorientation对标定后的数据进行处理,可以得到 2004 年l2 月 26 日和 2005 年 3 月 28 日两次苏门答腊地震激发的环型振荡.T.T 的振幅数据,然后利用式(6)得出最大剪应变方向随时间(1
18、 天) 的变化.和前述分析一样,发现振型.T.T 最大剪应变方向随时问的变化最稳定,所以只绘制了.T.T 的最大剪应变方向随时间的变化曲线(图 5),其中时间长度为 1 天,即 1440 分钟,mean 表示 1 天的平均值,std 表示标准误差.表 1 所示的是两次地震得到的环型振荡.T.T 的最大剪应变方向观测值及其平均值,理论值.结合表 1,从图 5(a)中可以看出:除了.T 标准误差比较大以外,其他振型相对比较小,且最大剪应变方向都是北偏东变化,大小也比较接近.所以取.T.T(.T 除外:.T 与理论值之差比较大,具体原因尚不清楚)最大剪应变方向的平均值,其为 N37.5E,可称为实测
19、值.又根据震中和台站的经纬度,利用球面三角公式计算,求得通过泰安台和震中的大圆与通过泰安台的经线的交角(在泰安台的方位角) 约为 N35.5.E,其可视为最大剪应变方向的理论值.由此得到:最大剪应变方向的实测值和理论值之差为 2.同图 5(a)一样,由图 5(b)可得到通过台站和第二次地震震中的大圆与通过台站的经线的交角约为 N33.0.E,且每个振型的标准误差要比 2004 年 l2 月 26 日得到的大,所以在取.T.T 最大剪应变方向的平均值时,只取标准误差小于 3 的振型(.T.T,.T,.T,.T),得到的平均值为 N35.2E.由此可知:最大剪应变方向的实测值和理论值之差为 2.2
20、.表 1 两次地震得到的环型振荡.T.一.T.的最大剪应变方向观测值及其平均值,理论值Tab.1Maximumshearstrainorientations,themeanvai-ueandthetheoreticalvalueoffundamentaltorsion-aimodes0Tll 一 0Tl8ofthetwoIndonesiaearth-quakeoccurredonDecember26,2004andMarch28,2005最大剪应变方向(.NE)基频环型振荡 2004 年 12 月 26 日 2005 年 3 月 28 日印尼苏门答腊地震印尼苏门答腊地震注:理论值是用球面三角公式计算得到的.括号中表的是观测值与理论值之差.通过上述分析可以看出,两次地震激发的环型振荡的最大剪应变方向的实测值和理论值之差大约都等于 2.这可能是由地震破裂的中心点与地震定位得到的破裂起始点不一致引起,也可能是由泰安台钻孔差应变仪安装时元件方位误差引起.5 结论通过泰安台 YRY.2 差应变仪检测到的印度尼西亚苏门答腊两次地震激发的地球环型振荡结果看,两个方向上的差应变得到的基频环型振荡.T.T 最明显,且.T.T 振幅的变化及总体变化趋势也最一致;两次地震得到的.T.T 型环型振荡的最大剪应变方向随时问变化比较小,且实测值的平均值和理论值非常接近;两次地震环型振荡的
