Determination of Seismicity Parameters in Himalayan Seismic Belt
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摘要: GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》发布距今已有十多年，期间，地震资料（尤其是青藏地震区地震资料）发生了较大变化，及时开展相关地震带地震活动性参数研究对重大建设工程抗震设防安全具有重要意义。本文研究补充了600余条地震目录，其中8.0～8.9级地震7次，7.0～7.9级地震35次，并分析了地震资料的完整性：由于历史、地理、人文的原因，喜马拉雅地震带地震遗漏较严重，7级地震直至1897年才基本完整，6级地震直至1950年才基本完整，5级地震直至1980年才基本完整；本文根据8级以上地震密集活动时段划分了地震活动周期，公元1803年以来可以划分出2个活动周期，并对未来地震活动进行了预测；采用多种方案拟合了喜马拉雅地震带的b值和4级以上地震年发生率：b=0.90，v4=162，并与前人的计算结果进行了简单对比。Abstract: It has been more than ten years since the release of GB 18306—2015 "Seismic ground motion parameters zonation map of China". During this period, great changes have taken place in the seismic data, especially in the Qinghai Tibet seismic area. Timely research on the seismicity parameters of relevant seismic zones is of great significance for the seismic fortification safety of major construction projects. This work has supplemented more than 600 earthquake catalogs, including 7 earthquakes of M8～8.9 and 35 earthquakes of M7～7.9, and the integrity of seismic data is analyzed. Due to historical, geographical and cultural reasons, the earthquake omission in the Himalayan seismic belt is serious. The M7 earthquakes were basically complete until 1897, the M6 earthquakes were basically complete until 1950, and the M5 earthquakes were basically complete until 1980. The seismicity period is divided according to the intensive activity period of earthquakes above M8. Since 1803, two activity periods can be divided, and the future seismicity is predicted. Multiple schemes are used to fit the b value of the Himalayan seismic belt and the annual occurrence rate of earthquakes with M≥ 4: b = 0.90, v4 = 162, and the results are simply compared with the previous calculation results.
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Key words:
- Himalayan seismic belt /
- Seismic activity parameters /
- b value
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引言
随着中国城镇化建设的发展, 地震观测技术由地表观测向井下观测发展, 井下观测技术将传感器密封在筒内, 在几十米至几百米的钻孔中耦合安装, 可较好地屏蔽环境(降雨、雷电等)及人类活动的干扰, 有利于获得高精度的观测数据, 可用于记录地倾斜固体潮汐、地形变积累过程等丰富的地壳形变信息(董云开等, 2014)。CBT型钻孔倾斜传感器为井下安装使用的测地倾斜仪器, 此外还可与RZB系列的钻孔应变仪多形式组合为综合钻孔观测系统, 获得多测项更丰富的信息, 为地震监测和地球物理研究提供基础数据。
随着CBT型钻孔倾斜传感器的不断推广应用, 台站连续观测数据给仪器研发人员提供了进一步了解和提高仪器性能的机会。CBT型钻孔倾斜传感器观测数据质量受仪器自身性能、台站地质条件、钻孔条件、安装耦合情况等诸多因素的综合影响, 这些影响因素均为控制钻孔倾斜传感器观测质量的必要条件, 缺一不可。
CBT型钻孔倾斜传感器灵敏度达0.0002角秒(欧阳祖熙等, 2009), 为使观测系统能以万分之几角秒量级稳定工作, 倾斜传感器装配后需较长时间的预老化放置, 以消除加工和安装过程中产生的残余应力, 保证传感器的自身稳定性, 保证CBT型钻孔倾斜传感器顺利安装并投入使用。由于摆式倾斜仪器的特殊悬挂结构, 观测数据在较长一段时间内会存在突跳台阶及尖峰(李明等, 2011)、漂移量大(王梅等, 2003)等问题。目前为获得高灵敏度和高稳定性, 依靠热处理和自然时效处理摆式传感器弹性部件的方法非常普遍, 这种说法存在一定局限性, 一方面在工业环保的高要求下, 能进行热处理的企业越来越少；另一方面, 自然时效的周期太长, 部分仪器弹性部件需自然放置几个月, 甚至长达几年。倾斜传感器加工稳定的长周期与快速发展的地震监测网络台站建设之间的矛盾日益凸显, 如何快速消除倾斜传感器, 特别是摆体悬挂弹性部件的残余应力, 使其能在加工装配后快速稳定投入使用是解决问题的关键。
针对CBT型钻孔倾斜传感器存在的上述实际情况, 在实验室开展了倾斜传感器整机预老化工艺研究和实践, 取得良好的应用效果。
1. CBT型钻孔倾斜传感器简介
1.1 工作原理
CBT型钻孔倾斜传感器采用电容式倾斜传感原理(吴立恒等, 2010), 传感器为刚性支架上竖直悬挂的重摆, 如图 1(a)所示, 固定极板A、固定极板B和重摆M构成了三端电容差动式倾斜传感器。重摆M受到地球重力作用, 始终保持铅垂方向。当地面向某一方向倾斜角度ΔΨ时, 摆支架随之产生ΔΨ的倾斜量, 而重摆M在重力作用下仍保持铅垂方向, 重摆与摆支架必然产生相对位移, 如图 1(b)所示, 地面倾斜ΔΨ使重摆与固定极板产生相对位移Δδ, 关系式为:
$$ \Delta \mathit{\Psi }=\Delta \delta / L \text { （弧度 }) $$ (1) 物体间的电容量C与构成电容元件的2个极板面积S、相互距离δ、极板间介电常数ε有关, 关系式为:
$$ C=\varepsilon S / \delta $$ (2) 结合式(1)、式(2)可知, 重摆位移量仅与地面倾斜角成正比关系, 因此将测角问题转化为测位移问题。电容量仅与重摆位移量成正比关系, 进而将测位移问题转化为测电容问题。因此建立被测物理量ΔΨ和测量电容的关系, 即为CBT型电容式倾斜传感器的工作原理。
1.2 残余应力分析
根据工作原理设计结构尺寸合理的倾斜传感器, 其中悬挂部件为倾斜传感器成功与否的关键, CBT型钻孔倾斜传感器选用0.1mm厚的铍青铜弹簧片悬挂重摆M, 弹簧片性能尤其重要。传感器各部件通过加工、装配成有机整体, 实现倾斜测量。传感器在加工、装配过程中不可避免地产生残余应力, 主要包括加工材料自身的残余应力；加工过程中产生的残余应力；装配过程中产生的残余应力。对于普通观测系统, 残余应力量级很小, 不影响观测系统的性能, 可忽略不计。但对于具有0.0002角秒灵敏度的测地倾斜仪器, 将在很长一段时间内存在残余应力, 传感器会不断释放和调整。而调整为几角秒量级, 在一般的实验室环境下被背景噪声淹没, 因而无法观测。将新组装的倾斜传感器组(2个)密封后置于河北怀来地震台山洞中进行观测, 观测数据如图 2所示, 由图 2可知, 固体潮汐形态不平滑, 突跳多, 稳定周期长, 甚至长时间无法稳定。
1.3 以往残余应力的解决方法
通过多年的实践, 初步认为CBT型钻孔倾斜传感器摆体悬挂部件即弹簧片是关系传感器快速稳定、质量优良的核心部件, 以往对其采用热处理的方式消除材料自身及加工过程中的残余应力。此外, 当传感器组装完成后, 通过数周到数个月的悬挂放置消除装配残余应力, 此方法在实践中得到检验, 有利于钻孔倾斜传感器现场安装应用的快速稳定, 如漳州地震台深井综合观测系统于2008年12月安装, 倾斜单元在一星期内测到了平滑的固体潮汐, 图 3所示为2009年2月的数据, 由图 3可知数据质量良好, 具备入网工作条件。此套传感器悬挂放置时间长达8个月。
2. CBT型钻孔倾斜传感器振动时效工艺及试验
2.1 振动时效定义及原理
《振动时效工艺参数选择及效果评定方法》(GB/T 25712—2010)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等, 2011)中定义振动时效为物理过程, 即利用严格受控的振动能量, 对金属工件进行处理, 以解决工件加工过程中和加工后出现的内部残余应力导致的尺寸变化及抗荷载能力变化问题, 对消除、减少或均化金属工件内的残余应力, 提高工件抗动静荷载、抗变形能力, 稳定尺寸精度有超卓功效。从微观方面分析, 振动时效可视为一种以循环荷载的形式施加于零件上的附加应力。当工件受到振动, 施加于零件上的交变应力与零件中的残余应力叠加, 当应力叠加结果达到一定数值后, 在应力集中最严重的部位因超过材料的屈服极限而发生塑性变形。塑性变形降低了该处残余应力峰值, 并强化了金属基体, 而后振动又在其他应力集中较严重的部位产生同样作用, 直至振动附加应力与残余应力叠加的代数和不能引起任何部位发生塑性变形为止, 此时, 振动消除、均化残余应力及强化金属的过程结束。
2.2 传感器振动时效系统构建
根据振动时效原理, 结合倾斜传感器工作原理, 构建实验室倾斜传感器整机振动时效试验系统, 如图 4所示。该系统主要包括倾斜传感器、二维倾斜调平台、水平振动台、位移传感器、振动台采集控制单元及PC控制终端。
将倾斜传感器安装在振动平台上, 通过倾斜调平台调平传感器, 使传感器悬挂弹簧片在受力均衡的条件下开展试验。与此同时, PC控制终端能实时采集传感器输出, 保证振动时效试验在传感器量程内受控进行, 进而保证试验过程中传感器的安全。通过PC机控制界面, 将振型、幅值、频率等参数输出给振动台采集控制单元, 使水平振动台按照设定的模式带动传感器一维振动, 在一定时间内达到释放传感器残余应力、实现预老化的目的。此外, 位移传感器全程监测水平振动台振动幅度, 并作为反馈信号, 可更好地保证试验参数的准确性及试验的安全性。
2.3 传感器振动时效工艺
振动时效工艺目前主要应用于黑色金属领域, 对铸铁件和焊接件中应力集中的部位进行应力消减与均化, 以达到工程要求(廖凯等, 2019), 具有较成熟的工艺可供借鉴。然而对于不同材质装配而成的复杂工件组(如倾斜传感器)无法找到相关的工艺参数作为指导。合理的振动时效参数设计尤为重要, 由于很多台站应用已证实井下安装后的倾斜传感器逐渐趋于稳定, 因此可通过模拟传感器在井下的工作状态, 使其在实验室条件下提前老化稳定, 作为选择振动时效参数的重要思路。
CBT型钻孔倾斜传感器已在实验室和现场应用中积累了丰富经验, 无论是传感器在实验室的自然时效, 还是在井下工作初期的自然时效, 均受地球固体潮汐的作用, 产生24小时2波峰2波谷的运动(视为2个周期的正弦波), 因此将振动运动形式选为正弦波型。
为获得高灵敏度, 倾斜传感器摆体与左右极板的间隙仅为0.2mm, 因此振幅可选0.15mm、0.1mm等, 根据传感器自振周期, 选择振动频率为10Hz、8Hz等。此外, 结合多台站自稳定周期, 按3个月计算需要振动时效确定老化试验时间, 在实验室开展参数组合, 优化组合得到最佳方案。
2.4 传感器振动时效预老化应用实例
选用16-4、16-5号钻孔倾斜传感器作为应用实例样本, 传感器装配时间为2016年6月29日, 根据实验室优化参数, 进行实验室振动时效预老化工作, 工艺参数如表 1所示。
表 1 倾斜传感器振动时效预老化工艺参数Table 1. Vibrating stress relief system process parameters of the tilt sensor传感器号 振动类型 振动幅值/mm 振动频率/Hz 振动时间/h 16-4号传感器 正弦波 0.1 10 4 16-5号传感器 正弦波 0.1 10 4 2016年7月31日, 16-4号钻孔倾斜传感器在新疆阿图什下井安装, 安装后的早期数据如图 5所示。
图 5 阿图什站CBT型钻孔倾斜传感器安装初期观测数据Figure 5. Observation data in early assembly of the CBT borehole tilt sensor at Atushi station2016年8月3日, 16-5号钻孔倾斜传感器在新疆新源地震观测点下井安装, 安装后的早期数据如图 6所示。
图 6 新源地震台CBT型钻孔倾斜传感器安装初期观测数据Figure 6. Observation data in early assembly of the CBT borehole tilt sensor at Xinyuan station由图 5、6可知, 仪器安装后传感器快速稳定, 很快便记录到固体潮汐, 形态光滑, 漂移量较小, 说明振动时效预老化起到了积极作用。
需指出的是, 钻孔倾斜传感器的稳定工作与传感器自身稳定、钻孔条件、台站地质条件、耦合可靠性等诸多因素密不可分, 多因素共同作用才能保证钻孔倾斜传感器稳定工作, 产出高质量的观测数据。而传感器自身稳定可靠性仅为其中一个影响因素, 是产出高质量观测数据的必要条件, 而非充要条件。
由于残余应力的检测只能针对某个零部件, 一般还会产生损伤, 因此传感器振动时效预老化前后难以开展整体检测工作, 在实践中的应用效果检验无疑是一种有效手段。CBT型钻孔倾斜传感器在阿图什地震台快速稳定并投入观测的实例, 充分说明实验室振动时效预老化工艺对倾斜传感器快速稳定起到了积极作用, 此预老化系统及工艺对地震监测领域的摆式传感器具有较大借鉴意义。
3. 结语
CBT型钻孔倾斜传感器采用振动时效预老化工艺, 消除传感器加工、装配过程中的残余应力, 满足传感器快速稳定应用的要求, 取得良好的实践应用效果, 为地震监测领域的摆式传感器提供了新的预老化思路。与此同此, 应认识到影响传感器稳定工作的因素较多, 需诸多因素的共同配合, 且预老化工艺的积极作用需在更多的台站应用中加以检验, 该工艺也需进一步探索和完善, 才能更好地服务于地震监测事业。
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图 2 FMD方法估计最小完整性震级示例
Figure 2. Example of minimum integrity magnitude estimation by FMD method
图 3 喜马拉雅地震带M-T图及能量释放图（1500年～2021年，M≥5.0）
Figure 3. M-T diagram and energy release diagram of Himalayan seismic belt （1500～2021, M≥5.0）
图 4 喜马拉雅地震带地震活动周期划分图（1800年～2021年，M≥5.0）
Figure 4. Division of seismicity period in Himalayan seismic belt （1800～2021, M≥5.0）
图 5 喜马拉雅地震带地震发生率统计结果比较
Figure 5. Comparison of statistical results of Himalayan seismic belt
图 6 喜马拉雅地震带各时段年发生率与第五代区划图对比
Figure 6. Comparison of annual occurrence rate in each period of Himalayan seismic belt with the fifth generation zonation map
表 1 喜马拉雅地震带5级以上地震频次（公元25年～2021年12月）
Table 1. Frequency of earthquakes above M5 in Himalayan seismic belt （25 AD ～ December 2021）
类别 震级/级 总数 5.0～5.9 6.0～6.9 7.0～7.9 8.0～8.6 第五代区划图地震目录（截止2008年） 348 55 9 2 412 本研究增加地震目录 2008年前 270 152 33 7 666 2009年～2021年 187 15 2 0 
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表 2 喜马拉雅地震带1800年以来活动周期分析
Table 2. Activity period analysis of Himalayan seismic belt since 1800
起止时间/年 7.0～7.9级 8级以上 最大震级/级 持续时间/年 周期划分 1803～1846 3 3 8.1 43 高潮期 第1活动周期 1847～1896 7 0 7.6 49 平静期 1897～1956 21 3 8.2 59 高潮期 第2活动周期 1957～2004 5 0 7.6 47 平静期 2005～2021（预计到2050年） 8 0 7.8 16 高潮期 新的活动周期
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表 3 喜马拉雅地震带活动周期年平均发生率
Table 3. Annual average occurrence rate of active period in Himalayan seismic belt
时间/年 统计类别 震级/级 ≥5.0 ≥5.5 ≥6.0 ≥6.5 ≥7.0 ≥7.5 ≥8.0 ≥8.5 1897～1956 频次 325 201 103 48 24 8 3 1 年累计发生率 5.4167 3.3500 1.7167 0.8000 0.4000 0.1333 0.0500 0.0167 1897～2021 频次 1269 460 204 79 31 11 3 1 年累计发生率 10.1520 3.680 1.6320 0.6320 0.2480 0.0880 0.0240 0.008
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表 4 喜马拉雅地震带 b 值及地震发生率ν值
Table 4. The b values and levels of Himalayan seismic belt ν value
时间/年 参数 b a ν4 ν5 ν7 ν7.5 ν8 ν8.5 δ 1897～1956 0.72 4.65 59 11 0.4074 0.1778 0.0776 0.0399 0.2902 1897～2021 1.04 6.66 316 28 0.2399 0.0724 0.0219 0.0066 0.8894
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表 5 喜马拉雅地震带不同时段地震年平均发生率
Table 5. Annual average occurrence rate of earthquakes in different periods of Himalayan seismic belt
项目 时间/年 震级/级 ≥5.0 ≥5.5 ≥6.0 ≥6.5 ≥7.0 ≥7.5 ≥8.0 ≥8.5 年平均发生率 1897～2021 — — — — 0.2480 0.0880 0.0240 0.0080 1950～2021 — — 1.9861 0.5833 — — — — 1980～2021 13.6905 3.5238 — — — — — —
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表 6 喜马拉雅地震带地震年发生率结果对比
Table 6. Comparison of annual occurrence rate results of Himalayan seismic belt
项目 统计方式 参数 b a v 4 v 5 v 7 v 7.5 v 8 v 8.5 δ 年发生率 1897～2021 1.04 6.66 316 28 0.2399 0.0724 0.0219 0.0066 0.8894 分段统计（可信震级与可信时段） 0.90 5.81 162 20 0.3236 0.1148 0.0407 0.0145 0.1964
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程建武, 陈继峰, 刘旭宙, 2020. 青藏高原北部地区地震统计区划分及地震活动特征. 地震地磁观测与研究, 41（3）: 1—11 doi: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.03.001Cheng J. W. , Chen J. F. , Liu X. Z. , 2020. Division of seismic statistical areas and analysis of seismicity trend in the northern part of the Qinghai-Tibet Plateau. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 41(3): 1—11. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.03.001 邓起东, 程绍平, 马冀等, 2014. 青藏高原地震活动特征及当前地震活动形势. 地球物理学报, 57（7）: 2025—2042Deng Q. D. , Cheng S. P. , Ma J. , et al. , 2014. Seismic activities and earthquake potential in the Tibetan Plateau. Chinese Journal of Geophysics, 57(7): 2025—2042. (in Chinese) 傅征祥, 程燕, 1986. 中国大陆近代幕式地震活动的某些特征. 地震, 16（2）: 28—35Fu Z. X. , Cheng Y. , 1986. Some characteristics of recent episodic seismicity in the mainland of China. Earthquake, 16(2): 28—35. (in Chinese) 刘瑞丰, 陈运泰, 薛峰, 2018. 测定的震级之间不应相互换算. 地震地磁观测与研究, 39（3）: 1—9Liu R. F. , Chen Y. T. , Xue F. , 2018. The measured magnitude should not be converted to each other. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 39(3): 1—9. (in Chinese) 潘华, 高孟潭, 谢富仁, 2013. 新版地震区划图地震活动性模型与参数确定. 震灾防御技术, 8（1）: 11—23Pan H. , Gao M. T. , Xie F. R. , 2013. The earthquake activity model and seismicity parameters in the new seismic hazard map of China. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 8(1): 11—23. (in Chinese) 宋治平, 张国民, 刘杰等, 2011. 全球地震目录. 北京: 地震出版社.Song Z. P., Zhang G. M., Liu J., et al., 2011. Global earthquake catalog. Beijing: Seismological Press. (in Chinese) 苏有锦, 李永莉, 李忠华等, 2003. 川滇地区区域地震目录完整性最小震级分析. 地震研究, 26（S1）: 10—16Su Y. J. , Li Y. L. , Li Z. H. , et al. , 2003. Analysis of minimum complete magnitude of earthquake catalog in Sichuan-Yunnan region. Journal of Seismological Research, 26(S1): 10—16. (in Chinese) 杨晓平, 吴果, 陈立春等, 2016. 青藏高原南缘2015年尼泊尔MW7.8地震发震构造. 地球物理学报, 59（7）: 2528—2538 doi: 10.6038/cjg20160718Yang X. P. , Wu G. , Chen L. C. , et al. , 2016. The seismogenic structure of the April 25, 2015 MW7.8 Nepal earthquake in the southern margin of Qinghai-Tibetan Plateau. Chinese Journal of Geophysics, 59(7): 2528—2538. (in Chinese) doi: 10.6038/cjg20160718 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2017. GB 17740—2017 地震震级的规定. 北京: 中国标准出版社.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China, 2017. GB 17740—2017 General ruler for earthquake magnitude. Beijing: Standards Press of China. (in Chinese) 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2016. GB 18306—2015 中国地震动参数区划图. 北京: 中国标准出版社.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China, 2016. GB 18306—2015 Seismic ground motion parameters zonation map of China. Beijing: Standards Press of China. (in Chinese) England P. , Bilham R. , 2015. The Shillong Plateau and the great 1897 Assam earthquake. Tectonics, 34(9): 1792—1812. doi: 10.1002/2015TC003902 Szeliga W. , Hough S. , Martin S. , et al. , 2010. Intensity, magnitude, location, and attenuation in India for felt earthquakes since 1762. Bulletin of the Seismological Society of America, 100(2): 570—584. doi: 10.1785/0120080329 期刊类型引用(1)
1. 张涛，邹进贵. 基于万有引力的普适定位. 全球定位系统. 2023(06): 91-97 . 
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