地面运动旋转分量观测综述——以中国台湾地区旋转运动观测为例

旋转地震学是一门全面研究由地震、爆破以及周围环境震动引发的地面旋转运动的新兴学科.随着观测水平的提高及旋转运动研究的深入,旋转运动研究的重要性也逐渐突显出来.目前国际上对于旋转地震学研究较多,而中国大陆地区鲜有文章提及旋转运动观测.本文从3个方面对旋转运动观测进行描述.首先基于经典弹性力学,介绍了旋转运动的基本理论,表明可以通过直接、间接的两种方法获得旋转量.其次介绍了旋转运动观测进展,表明观测技术的发展对旋转运动的观测具有重要影响.最后考虑到中国台湾是旋转运动观测研究较早并且较为深入的地区,重点介绍了中国台湾地区的观测实例.本文对旋转运动观测进展进行梳理,期望对国内开展旋转地震学观测及研究提供一定的帮助.     

地震旋转效应教材:历史实例

地震旋转效应被观测到已有几个世纪。最初的旋转地震模型有两种,均由Mallet在19世纪中叶基于物体相对于其底部结构的旋转所定义。地震旋转效应能够完满地解释所观测到的地表旋转现象。本教材(大部分基于西方文献)中,我们将从历史角度简要介绍地震旋转效应。     

非对称连续介质中的基本变形

震源区内过程的复杂性促使我们考虑非对称连续介质中基本的运动与变形,包括单纯的运动(平移和称为自转的旋转)和单纯的变形。单纯的变形包括轴向,即点膨胀/压缩,以及关于弦—弦点变形的剪切核。将点变形进一步定义为另一种旋转,称为扭转,表示主剪切轴的振动及其振幅。在记录系统上加上一些标记以测量这些运动和变形。     

近场区地面旋转运动研究

在19和20世纪,地震观测者主要记录地震引起的平移波场,而缺乏对旋转运动的观测和研究。我们的目的是进一步认识地面旋转运动及其与平移波场的关系,着重研究离震源几个波长的近场,在那里可能需要考虑与旋转运动有关的破坏。通过收集大量已公布的强旋转运动数据,得到了一幅包括可获得的旋转振幅及其变化值的基本图件。为了得到更加详细的图件,我们对在格勒诺布尔谷发生的一个走滑型地震进行了大规模的三维数值研究,通过对那里的地形、震源和场地效应相结合,从而产生了逼真的波场。根据旋转和平移的峰值振幅,以及它们与土壤非线性和震源方向性这两个影响因素的关系,分析了合成数据集。在软土层上测得MW6.0级地震的峰值旋转运动量是1mrad,峰值旋转速率是10mrad/s。这些值很大程度上依赖于震源位置、场地条件和地形特征,这些因素会导致20km内的值发生几乎一个数量级的变化。最后,我们利用峰值地面速度(PGV)和峰值地面旋转量(PGω),对数值模拟的结果和类似条件下通过台阵技术得到的野外资料(帕克菲尔德)进行对比,以研究浅源中等大小地震在近场所预期的平移与旋转运动振幅的关系。我们的数值模拟的结果与过去研究中的观测值拟合良好。再有,PGV/PGω比值的空间变化呈现出一个趋势,而这个趋势与研究所选择模型的速度结构有关。     

旋转运动在地震学中的应用概述

旋转地震学是研究由天然地震、爆破和周围环境振动引起的地面旋转运动的新兴学科。对于它的研究不仅有助于对质点运动(平移运动、旋转运动和形变)进行完整的描述,而且对广义地球物理学,如强地面运动地震学、地震工程学、地震物理学、地震仪器等的研究也有重要指导意义。本文系统介绍了旋转运动在地震学中4个方面的应用。首先,介绍基于平移运动和旋转运动的共同测量,得出了计算远震瑞利波和勒夫波相速度的理论公式,并以西伯利亚地震为例,得出台站附近的相速度结构;其次,利用环形激光仪仅对地震SH波敏感的特性,分离P波和S波,分辨海洋噪声和面波,确定海洋噪声的反方位角;然后,介绍利用旋转传感器对自由振荡的长周期环形模式的观测;最后,对包含旋转观测量的多参数反演问题的重要性和实用性进行了阐述,并分析了旋转地震学研究现存的问题。     

台湾HGSD台站2007～2008年观测的地面旋转和平移运动

受仪器限制,地面旋转运动直到过去10年才被观测到。日本对地震近场旋转的观测(Takeo,1998)表明,地面旋转运动是经典弹性理论估计值的很多倍。由于利用类似Takeo所用的旋转传感器没有得到有价值的地面旋转运动,于是我们在台湾东部HGSD台站布设了灵敏得多的旋转速度传感器(R-1型)。在2004年12月7日至2006年11月12日的一期观测实施期间共记录到数百个地震。这主要是解决野外观测问题的一次实习;一期观测最终因其中两台R-1传感器停止工作而结束。2007年春我们重新安装了K2+R1型仪器,从而开展了二期观测。从2007年5月8日到2008年2月17日,我们观测了52个地方震,记录到信噪比～5的好的旋转速度信号和信噪比～10的极好的平移加速度信号。可惜的是,2008年2月中旬HGSD台站被洪水淹没,野外观测由此中断,一直到2008年6月才恢复正常观测。本文叙述了迄今为止HGSD台站对地面旋转和平移运动的观测,集中描述了我们的仪器和二期观测期间所得到的52个地方震的数据,并给出一些很初步的结果。     

综述:台湾地区爆破和近震地面旋转运动观测的进展

已成功地测量到由大震引起的远场地面旋转运动,其观测结果与经典弹性理论计算结果基本吻合。然而,最近日本和中国台湾地震的近场旋转测量结果却比经典弹性理论预测值大10～100倍。1999年台湾集集地震(Mw7.6)的近场强地面运动记录显示沿长达100km破裂的地面运动极其复杂,因此,要想从加速度数据的二重积分得到合理的位移值则必须进行随机基线校正。因为旋转运动会对地球重力场产生扰动,进而影响到加速度观测,所以我们在台湾开展了相应的对地面旋转运动的观测研究。有3篇文章描述了台湾地区地面运动旋转的观测结果:(1)HGSD台站的观测结果(Liu et al,2009);(2)台湾综合地球动力学研究(TAIGER)项目的两个爆破在N3台站的观测结果(Liu et al,2009);(3)中正大学(NCCU)校园的观测结果(Wu et al,2009)。此外,Langston等(2009)给出了对台湾综合地球动力学研究爆破数据的分析结果。如前面几位作者指出的那样,我们发现台湾地区近震峰值旋转速率(PRR,单位mrad/s)和峰值地面加速度(PGA,单位m/s2)之间存在线性关系,这个关系式为:PRR=0.002+1.301PGA,其相关系数为0.988。     

1998年4月日本伊东近海震群期间观测到的旋转运动

在日本伊豆半岛的伊东近海1998年4月震群期间,我们在近场地区观测到了地面旋转和平移运动的6个分量。为了检验我们使用MotionPack传感器观测结果的可靠性,我们安装了8301F传感器,即灵敏度比MotionPack传感器高的惯性角位移传感器。MotionPack的噪声水平远高于8301F的噪声水平,但这些信号分量的波形却相互相当相似,说明MotionPack记录旋转速率正确,但噪声较高。我们的观测使人们知道了垂直轴周围最大旋转位移和最大平移速度之间的线性相关。围绕垂直轴旋转运动的波形与平移水平速度的波形类似,说明最大值之间线性相关。这些旋转运动远大于由圣安德烈斯断层台阵数据计算的旋转运动。这种大差异可由下列一种或一种以上作用来解释:单一回转仪测量和台阵观测所得旋转运动空间尺度的差异;记录伊东近海震群的台站受陡峭地形的影响;圣安德烈斯断层和伊东近海震群区之间成熟度的差异。     

台湾地区可能存在整体顺时针旋转运动——兼论周边地区的地震活动特征及地震预测

综合研究了台湾及邻区的地壳运动、地震活动、地震地质和地球物理场特征后认为,该区可能存在一种整体顺时针旋转运动,这种运动方式的产生是台湾两侧板块俯冲方向相反造成的,导致不同影响区出现有所区别的地震活动和地壳运动格局.基于这种动力模型,浙江省的ML≥4级地震与闽粤赣交界及其沿海地区的中强地震具有较好的相关性.     

沿台湾梅山断层观测地面旋转和平移运动的台阵布设:进展报告

对日本(Takeo,1998)和台湾地区(Huang et al,2006;Liu et al,2009)的地震近场测量显示,地面旋转运动的测量值比经典弹性理论得到的预期值高出很多倍。为了在地震学和地震工程学层面上研究近场地震的细节,台湾气象机构(CWB)在台湾嘉义中正大学布设了4套仪器,正在监测一个多世纪前的1906年曾发生过大地震的梅山活断层的地面旋转和平移运动。这次观测布设的仪器是:(1)在自由场地32个测点的地震台阵;(2)在大楼内32个测点的地震台阵;(3)带有宽频地震计和加速度计的6通道仪器;(4)带有加速度计和外设旋转速度传感器的6通道仪器。本文是有关该台阵布设的进展报告。虽然从2007年12月12日到2008年7月3日,所布设的4套仪器中的一套或多套已记录到24次近震,但我们仍在对设备进行升级,改善现场观测。     

2008年3月4日台湾东北部两次TAIGER爆破记录的地面旋转和平移运动

2008年3月4日在台湾东北部的N3爆破点实施了两次爆破。第一次3000kg炸药的爆破编号为N3P,第二次750kg炸药的爆破编号为N3。为了记录这两次爆破,我们使用了8个三轴旋转传感器、13个三轴加速度计以及12个装有全球定位系统接收器的6通道24位数据记录仪在爆破前后几小时进行连续观测。这些仪器安装在距离爆破点250m(1个台)、500m(11个台)、600m(1个台)的地方,其中距离爆破点500m的11个台站形成了台站间距约为5m的中心台阵。除一个旋转传感器外,都得到了量程内的记录。尽管N3P爆破使用的炸药是N3爆破的4倍,但是13个台站记录的N3P爆破的平移加速度和旋转速度的峰值却只有N3爆破的1.5倍。在台站间距大约5m的中心台阵的记录中,我们还发现平移加速度和旋转速度变化很大(百分之几十)。N3P和N3爆破的最大峰值旋转速度分别为2.74mrad/s和1.75mrad/s。本文的主要目的是报告台湾这两次爆破的旋转和平移运动记录,并在网上发布以开放访问。Langston等(2009)已经对本次试验的平移加速度数据进行了分析,我们计划未来发表一篇关于分析旋转速度数据的文章。