日本9.0級(jí)地震震后體應(yīng)變馳豫效應(yīng)

孟建國(guó)張 玲盧雙苓李希亮馬 娟李惠玲韓 博

1）中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局

2）中國(guó)山東271000泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)

3）中國(guó)山東261000濰坊市地震局

日本9.0級(jí)地震震后體應(yīng)變馳豫效應(yīng)

孟建國(guó)1），2）張 玲1）盧雙苓2）李希亮1）馬 娟3）李惠玲2）韓 博3）

1）中國(guó)濟(jì)南250014山東省地震局

2）中國(guó)山東271000泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)

3）中國(guó)山東261000濰坊市地震局

2011年3月l1日日本發(fā)生MW9.0強(qiáng)烈地震，泰安地震臺(tái)地震前兆體應(yīng)變記錄到顯著震后異常，即震后弛豫效應(yīng)，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)，探討地殼應(yīng)力新平衡狀態(tài)調(diào)整過(guò)程及地形變調(diào)整機(jī)理，為數(shù)據(jù)跟蹤分析提供地球物理事件識(shí)別及判定依據(jù)。

地球物理事件；鉆孔體應(yīng)變；干擾

0 引言

2011年3月11日日本本州島東海岸發(fā)生MW9.0地震，震源位于仙臺(tái)海岸線東130 km處，深度24 km，屬于典型海洋俯沖型地震（低傾角、純逆沖），發(fā)震斷層向西緩傾角小于15。該地震發(fā)生在太平洋、菲律賓、歐亞和北美板塊交匯處的日本海溝，太平洋板塊向西西北方向俯沖到北美板塊下部，兩者相對(duì)匯聚速率達(dá)8.3 cm/a（http：//earthquake.usgs.gov）。

諸多學(xué)者對(duì)此次MW9.0地震進(jìn)行了大量研究，如：劉子維等（2011）通過(guò)對(duì)該地震前重力資料進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)我國(guó)沿海地震臺(tái)均出現(xiàn)喇叭口狀“重力異常擾動(dòng)”現(xiàn)象，且擾動(dòng)異常隨震中距增加呈衰減趨勢(shì)；王敏等（2011）研究了此次地震對(duì)中國(guó)的遠(yuǎn)場(chǎng)影響；邵志剛等（2011）利用GPS資料反演了該地震同震位錯(cuò)與近場(chǎng)形變特征；唐磊等（2013）結(jié)合日本區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、板塊運(yùn)動(dòng)，震源附近日本區(qū)域GPS站點(diǎn)同震位移及余震震源機(jī)制解，對(duì)該地震斷層分布和錯(cuò)動(dòng)方式進(jìn)行了探討。泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)在此次地震發(fā)生后，體應(yīng)變測(cè)項(xiàng)記錄到明顯震后弛豫效應(yīng)，在此對(duì)該異常進(jìn)行分析，為數(shù)據(jù)跟蹤分析提供地球物理事件識(shí)別及判定依據(jù)。

1 觀測(cè)背景

泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱泰安臺(tái)）為國(guó)家基準(zhǔn)地震臺(tái)，地處萊蕪弧形斷裂帶北側(cè)（臺(tái)址附近斷裂稱為泰山山前斷裂），臺(tái)基為太古代泰山群（Art）花崗片麻巖體，巖體完整，結(jié)構(gòu)致密均勻。

泰安臺(tái)目前具有4個(gè)鉆孔，體應(yīng)變儀和四分量應(yīng)變儀并行觀測(cè)，TJ-Ⅱ體積式鉆孔應(yīng)變儀，置深74 m，并配備水位探頭并行觀測(cè)，水位探頭埋深7 m，水下埋深4 m。泰安臺(tái)應(yīng)變觀測(cè)多年，觀測(cè)環(huán)境干擾少，儀器運(yùn)行比較穩(wěn)定，觀測(cè)資料連續(xù)可靠。觀測(cè)儀器及鉆孔布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1　泰安臺(tái)觀測(cè)儀器及鉆孔布設(shè)Fig.1 The observation instruments and drilling of Taian Fiducial Seismic Station

2 震后弛豫效應(yīng)

2.1 體應(yīng)變異常

自2011年3月1日，泰安臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)分鐘值固體潮曲線出現(xiàn)不同程度畸變，且頻次逐漸減少，表現(xiàn)為以壓性上升型臺(tái)階變化為主，偶有張性下降型臺(tái)階畸變。變化量一般為十幾至幾百個(gè)10-9量級(jí)，經(jīng)過(guò)移動(dòng)斜率解算，具有明顯畸變變量。3月11日日本MW9.0地震發(fā)生后，體應(yīng)變固體潮曲線畸變明顯，3月15日變化量達(dá)46.3（量級(jí)10-9），具體形態(tài)見(jiàn)圖2。4月8日曲線呈壓性上升變化，畸變量達(dá)355.1×10-9，為異常發(fā)生以來(lái)記錄的最大畸變幅度，見(jiàn)圖3。

圖2　日本MW9.0地震后體應(yīng)變階變（a）3月12日；（b）3月13日；（c）3月15日；（c）3月16日；（e）3月17日；（f）3月18日Fig.2 The order variable of volumetric strain gauge after Japan MW9.0 earthquake

圖3　2011年4月8日體應(yīng)變畸變波形（a）預(yù)處理分值；（b）移動(dòng)斜率分值Fig.3 The distortion of body strain observation data on April 4，2011

2.2 干擾排除

泰安臺(tái)附近居民鉆井抽水造成常年干擾，具有特定數(shù)據(jù)干擾形態(tài)，與此次異常形態(tài)不同。對(duì)于出現(xiàn)的該畸變，經(jīng)與抽水情況對(duì)比，且與抽水時(shí)間不符，畸變特征也明顯不同，故排除該干擾的可能。后對(duì)比當(dāng)時(shí)的水位及氣壓輔助，也未出現(xiàn)環(huán)境變化帶來(lái)的影響效應(yīng)。

2.3 應(yīng)變分析

2.3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。對(duì)于此次日本MW9.0地震后9個(gè)月泰安臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每天階變次數(shù)及階變量發(fā)現(xiàn)，地震后出現(xiàn)體應(yīng)變階變，且震后2個(gè)月內(nèi)頻度及幅度均較大，隨后逐漸減少。在此給出2011年3月12日—4月16日階變幅度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

2.3.2 潮汐因子內(nèi)精度。通過(guò)按日期對(duì)階變幅度的統(tǒng)計(jì)，雖然能直觀看出這種現(xiàn)象的存在，但對(duì)于其在觀測(cè)質(zhì)量上的影響，還不是很詳細(xì)。這就需要對(duì)體應(yīng)變近一年的觀測(cè)精度進(jìn)行解算對(duì)比。體應(yīng)變觀測(cè)以M2波潮汐因子相對(duì)誤差α為內(nèi)精度技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算公式為

式中，S為M2波中誤差，Rα為M2波潮汐因子。經(jīng)計(jì)算，繪制2011年泰安臺(tái)體應(yīng)潮汐因子相對(duì)誤差，見(jiàn)圖4。與圖2、圖3進(jìn)行對(duì)比，證明階躍導(dǎo)致儀器記錄精度下降。由圖4可見(jiàn)，3月起泰安臺(tái)體應(yīng)變精度明顯下降，其中3月—4月變化明顯，隨后逐漸恢復(fù)，與前述統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符。

2.4異常落實(shí)

日本MW9.0地震發(fā)生前幾天泰安臺(tái)體應(yīng)變出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，明顯頻次變化持續(xù)至發(fā)震后近60天，后逐漸消失。巨大地震后出現(xiàn)的非明確原因的畸變現(xiàn)象，在鉆孔觀測(cè)中多次出現(xiàn)。為此，唐磊等（2013）就該畸變現(xiàn)象與日本9.0級(jí)地震進(jìn)行關(guān)聯(lián)性研究，認(rèn)為與地震前后大地應(yīng)變場(chǎng)調(diào)整有關(guān)。對(duì)泰安臺(tái)體應(yīng)變觀測(cè)資料進(jìn)行研究，排除干擾，初步認(rèn)定此畸變?yōu)榈湫偷恼鸷蟪谠バ?yīng)。

2.5 震后弛豫效應(yīng)檢驗(yàn)

調(diào)取陸態(tài)網(wǎng)泰安站觀測(cè)資料（殷海濤等，2011；朱成林等，2014），對(duì)2001—2014年連續(xù)觀測(cè)資料進(jìn)行解算分析，發(fā)現(xiàn)日本MW9.0地震發(fā)生后，泰安所處板塊同震位移場(chǎng)多個(gè)方向發(fā)生明顯變化。

通過(guò)TAIN—TSKB站點(diǎn)資料的解算對(duì)比，發(fā)現(xiàn)除此次日本9.0級(jí)地震造成明顯同震位移場(chǎng)外，震后3個(gè)月內(nèi)，在East、Heigth及Length等3個(gè)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上均出現(xiàn)100—270 mm的恢復(fù)變量，見(jiàn)圖5。該現(xiàn)象在其他地震事件較為少見(jiàn)，充分說(shuō)明，此次日本9.0級(jí)地震的發(fā)生，使泰安所在板塊產(chǎn)生明顯同震位移，地震后該板塊出現(xiàn)較大位移場(chǎng)的漸變恢復(fù)。而此位移場(chǎng)漸變過(guò)程必然使當(dāng)?shù)氐貞?yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生趨勢(shì)性改變，與震后泰安臺(tái)體應(yīng)變出現(xiàn)的震后弛豫效應(yīng)相吻合。因此，明確把此次畸變定位為日本9.0級(jí)地震前后應(yīng)變場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)反應(yīng)，即震后弛豫效應(yīng)。

圖4　泰安體應(yīng)變2011年潮汐因子內(nèi)精度值曲線Fig.4 Accuracy curve of tidal factor for volumetric strain gauge at Tai′an in 2011

圖5　TAIN-TSKB站點(diǎn)資料解算對(duì)比Fig.5 The comparison chart of the site data solution from TAIN-TSKB

3 現(xiàn)象機(jī)理及跟蹤分析

3.1 震后弛豫效應(yīng)機(jī)理

李杰等（2003）、蘇愷之等（2005）認(rèn)為：地殼巖石應(yīng)力是變化的，主要表現(xiàn)為應(yīng)變波動(dòng)和應(yīng)變階躍，其中：應(yīng)變波動(dòng)為應(yīng)力周期性變化所致；應(yīng)變階躍指應(yīng)力短期變化形成的應(yīng)變臺(tái)階式變化，分正應(yīng)變階躍和負(fù)應(yīng)變階躍。

地震是指地殼巖石在地應(yīng)力作用下應(yīng)變能量積累導(dǎo)致巖石突然破裂的過(guò)程。地震孕育模式為“形變（或應(yīng)力）逐漸積累—達(dá)到一定極限—巖石破裂（地震發(fā)生）—變形（應(yīng)力）基本恢復(fù)原值”。很多研究（唐磊等，2011；季愛(ài)東等，2014）表明，地震前兆孕育是復(fù)雜的非彈性過(guò)程，在地下能量釋放前，必然存在地殼能量的儲(chǔ)存積累、運(yùn)移調(diào)整及受到觸發(fā)等過(guò)程。這種以機(jī)械能量釋放的力學(xué)過(guò)程，伴隨著地下物質(zhì)的變形和運(yùn)移，地下流體的變化，導(dǎo)致電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)等地球物理場(chǎng)的變化。值得注意的是，很多巨大地震之后，存在地殼能量的存儲(chǔ)積累、運(yùn)移調(diào)整過(guò)程，是機(jī)械能量為達(dá)到地應(yīng)力平衡而做的調(diào)整。地殼發(fā)生各種形變，尤其是震后新的地應(yīng)力平衡狀態(tài)建立，使地殼巖石應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，形成震后應(yīng)變階躍。

3.2 跟蹤分析

巨大地震發(fā)生后，震中距不是太遠(yuǎn)，鉆孔應(yīng)變儀可能會(huì)記錄到震后弛豫效應(yīng)現(xiàn)象，并不多見(jiàn)，相關(guān)研究較少，只在進(jìn)行震后應(yīng)力調(diào)整研究時(shí)有所涉及。震后弛豫效應(yīng)即使出現(xiàn)，在鉆孔應(yīng)變監(jiān)測(cè)中也往往不好識(shí)別，主要體現(xiàn)在：①震后弛豫效出現(xiàn)在巨大地震發(fā)生后的某天，如無(wú)當(dāng)天自然環(huán)境、人為干擾、觀測(cè)系統(tǒng)及地球物理事件等相關(guān)信息，難以界定為干擾或異常；②震后弛豫效應(yīng)表現(xiàn)為相對(duì)趨勢(shì)變化，容易誤判為地震前兆異常，或者不明原因事件干擾，甚至觀測(cè)系統(tǒng)自身不穩(wěn)定；③震后弛豫效應(yīng)目前無(wú)科學(xué)依據(jù)進(jìn)行支撐，是難以辨別的根本原因。

震后體應(yīng)變畸變現(xiàn)象往往出現(xiàn)在巨大地震發(fā)生后，并呈現(xiàn)頻次逐漸衰減現(xiàn)象，排除相關(guān)干擾后可初步判定為震后弛豫效應(yīng)。鑒于并非所有巨大地震后均會(huì)出現(xiàn)震后弛豫效應(yīng)，地震形變觀測(cè)中出現(xiàn)類似現(xiàn)象時(shí)，不能立刻進(jìn)行震后弛豫效應(yīng)定位，應(yīng)在一定時(shí)段內(nèi)進(jìn)行觀察，確定排除各種可能干擾及地震前兆異常，對(duì)比GPS數(shù)據(jù)，并通過(guò)大陸構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形勢(shì)進(jìn)行綜合判別，才能在事后總結(jié)為震后弛豫效應(yīng)。

4 結(jié)論

綜上所述，認(rèn)為2011年日本MW9.0地震后泰安臺(tái)地震前兆體應(yīng)變顯著異常為震后弛豫效應(yīng)。其作用機(jī)理為：巨大地震的發(fā)生，使得地殼巖石在地應(yīng)力作用下應(yīng)變能量積累導(dǎo)致巖石突然破裂的能量釋放。地震后存在地殼能量的存儲(chǔ)積累、運(yùn)移調(diào)整過(guò)程，并伴隨地下物質(zhì)的變形和運(yùn)移，地殼的各種形變，尤其是震后新的地應(yīng)力平衡狀態(tài)建立，使地殼巖石應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，形成震后應(yīng)變階躍。

針對(duì)地震前兆觀測(cè)中的地球物理事件，尤其特殊事件的跟蹤分析，是一項(xiàng)綜合性的數(shù)據(jù)分析，較為復(fù)雜、困難，需要對(duì)地震前兆觀測(cè)各種事件不斷總結(jié)規(guī)律，豐富判別經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)了解跨學(xué)科的研究成果進(jìn)行對(duì)比確證，方能進(jìn)行準(zhǔn)確判別。

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Abstract

A strong MW9.0 earthquake occurred in Japan on March 11，2011.The earthquake precursor strain anomaly is record at Taian Seismic Station after the earthquake，which is post-seismic relaxation effect.Combined with GPS data，we explored the adjustment process of the new equilibrium state of crustal stress and the mechanism of topographic variation，and provided identification and judgment basis for geophysical event on data tracking analysis.

The post-seismic relaxation effect of Japan MW9.0 earthquake

Meng Jianguo1），2），Zhang Ling1），Lu Shuangling2），Li Xiliang1），Ma Juan3），Li Huiling2）and Han Bo3）
1） Earthquake Administration of Shandong Province，Jinan 250014，China
2） Taian Fiducial Seismic Station，Shandong Province 271000，China
3） Earthquake Administration of Weifang City，Shandong Province 261000，China

geophysical event，bore-hole body strain，interference

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.020

孟建國(guó)（1986—），男，碩士，工程師，從事形變觀測(cè)分析與地震會(huì)商工作。E-mail：meng8611@163.com

中國(guó)地震局三結(jié)合項(xiàng)目（151502）及山東省地震局合同制項(xiàng)目（15Y74）共同資助