形变台站灵敏度是指台站对周边地区地震形变前兆异常反映的灵敏程度,台站灵敏度S_S计算公式为:

S_S=(C_S/T_S)*R_S(1)

式中:T_S为台站映震范围内的地震数量,即自台站观测以来200,300,500 km范围内5～5.9级、6～6.9级、7级以上地震数量总和(去除余震、海域地震),距离、震级的统计范围参照了《中国震例》(张肇诚,2000)中定点观测台网前兆观测资料的统计范围; C_S为台站对应地震次数,即根据异常统计表统计出台站映震范围内震前有异常的地震次数; R_S为台站异常信度,即按照Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类信度分别取1.0,0.8,0.6,把该台站所有的异常信度取平均值。

华北地区形变台站灵敏度的计算结果见表2。取灵敏度S_S>0.5的台站作为灵敏台站,灵敏台站1主要分布于张渤地震带西段和郯庐地震带北段(表2)。

表2 华北地区形变台站灵敏度
Tab.2 The sensitivity of deformation stations in North China

自1966年以来,这2个构造区域5级以上地震相对比较活跃,台站灵敏度计算结果与区域地震较多有一定的关系,但计算时主要考虑台站的映震情况,即台站映震范围内震前有异常的地震次数,如果台站周边地震较多,但震前异常较少,所计算出的台站灵敏度也会偏低。

测项灵敏度是指台站的某一测项对周边地区显著地震震前异常反映的灵敏程度,测项灵敏度S_L计算公式为:

S_L=(C_L/T_L)*R_L(2)

式中:T_L为测项映震范围内的地震数量,即自测项观测以来200,300,500 km范围内5～5.9级、6～6.9级、7级以上地震数量总和(去除余震、海域地震),距离、震级的统计范围参照了《中国震例》(张肇诚,2000)中定点观测台网前兆观测资料的统计范围; C_L为测项对应地震次数,即根据异常统计表,统计出测项映震范围内震前有异常的地震次数; R_L为测项异常信度,即按照Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ类信度分别取1.0,0.8,0.6,把该台站测项的异常信度取平均值。

测项灵敏度计算结果如表3所示,灵敏度较高的测项均为地倾斜测项,除了太原台水管仪,其余都是水平摆测项。把所有大于0的测项灵敏度

表3 测项灵敏度统计
Tab.3 Statistic of the sensitivity of observation items

按照仪器类别取平均,得出伸缩仪、水管仪、水平摆、体应变的平均灵敏度分别为 0.25,0.28,0.37,0.34; 从仪器的平均灵敏度分析,水平摆的灵敏度最高,其次是体应变,伸缩仪的灵敏度相对较低; 根据《中国震例》统计出的华北地区形变异常,垂直摆无震例,因此垂直摆的灵敏度最低。

根据台站位置及华北地区构造,将研究区分为张渤地震带、山西地震带、郯庐地震带北段、郯庐地震带南段4个区域(图1),分别计算各个区域内的各类仪器的灵敏度(表4)。张渤地震带台站包括:宝昌台、昌平台、顺义台、赤城台、怀来台、张家口台、易县台; 山西地震带台站包括:离石台、太原台、阳原台、呼和浩特台; 郯庐地震带北段台站包括:辽阳台、沈阳台、铁岭台、营口台、抚顺台、锦州台、朝阳台; 郯庐地震带南段台站包括:泰安台、连云港台、徐州台。

从表4可以看出,水平摆灵敏度在各个区域都较高,特别是在张渤地震带和郯庐地震带北段。这是因为水平摆具有测量精度高、稳定性好、抗干扰能力强等特点(王秀等,2016; 李希亮等,2018),且对远场地震具有较强的响应能力(郭国祥等,2013)。根据相关研究结果,在强震发生前的短临阶段水平摆观测也往往有明显的地壳形变反映(胡琦薇,1984),因此水平摆在各个区域灵敏度都较高。水管仪在山西带灵敏度较高,在其他区域一般。这可能与山西地震带的区域构造有关,山西地震带的构造区内以NE向断裂且具有倾滑或走滑的运动方式为主(杨国华等,1999)。体应变在张渤地震带和郯庐地震带南段灵敏度较高,在其他区域为0; 伸缩仪在郯庐地震带北段灵敏度较高,在其他区域较差,这反映出在这2个区域应变类观测灵敏度优于倾斜类观测灵敏度。

表4 分区域测项灵敏度统计
Tab.4 Statistic of sensitivity of observation items in subarea

本文通过计算分析华北地区形变台站及测项灵敏度,并结合台站与断层的位置关系,得出以下结论:

(1)台站灵敏度计算综合考虑了台站映震范围内的地震数量、台站对应地震次数以及台站的异常信度。统计分析表明,华北地区形变灵敏台站主要分布在张渤地震带西段和郯庐地震带北段。

(2)测项与台站灵敏度计算方法相同。从测项灵敏度计算结果来看,灵敏度较高(>0.5)的测项均为地倾斜测项,并且除了太原台水管仪,其余都是水平摆测项。从仪器的平均灵敏度来分析,水平摆的灵敏度最高,其次是体应变,伸缩仪的灵敏度相对较低。

(3)华北地区各构造区域的测项灵敏度有明显的差异,因此在仪器布设方面有必要优先布设在该区域灵敏度较高的仪器测项。

(4)通过统计分析华北地区形变台站灵敏度以及台站与断层相对位置关系,对于处于正断性质断层附近的台站,位于断层上盘的台站灵敏度相对较高; 对于处于逆断性质断层附近的台站,位于断层下盘的台站灵敏度相对较高。本文得出的台站灵敏度与断层位置关系为统计结果,具体的研究还需进一步深入开展数值模拟、岩石实验等工作。

华北地区地应力观测震例比较丰富,但根据相关文献,电感式地应力的传感器存在较为明显的弱点,并且在观测中遇到了标定、接触、干扰、密封等问题(邱泽华,2017),现在已无地应力观测(电感法地应力),因此再进行地应力观测的统计意义不大; 部分台站(大兴、东三旗、涞水、香山等)停测,这些台站虽有一些震例,但由于后续无资料,所以无法进行映震效能统计分析。除去停测的台站、测项,华北地区形变异常只有70项,异常数量偏少,这与1998年张北6.2级地震后华北长期6级地震平静、2006年文安5.1级地震后华北长期5级地震平静有一定的关系。

相关岩石试验表明,断层错动失稳前在雁列岩桥区往往观测到裂纹扩展引起的声发射和应变变化以及在断层段观测到预滑; 岩桥区及与之邻近的断层段是断层失稳前兆的最佳观测部位(马瑾等,2007); 因此后续工作可以考虑对雁列断层附近的形变灵敏台站位置开展深入研究。形变台站的规划、选址应充分考虑区域构造、断层活动因素,并结合数值模拟、岩石试验等,选取灵敏位置开展形变观测,以获得更为有效的前兆信息。