袁 媛，趙文舟，陳 軍，倪友忠

(上海市地震局，上海 200062）

0 引言

2011年3月11日13時(shí)46分，日本本州東海岸海域發(fā)生了MW9.0級(jí)大地震并引發(fā)海嘯，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)日本官方統(tǒng)計(jì)，此次大地震和海嘯至少造成了15 703人死亡，4 647人失蹤，5 314人受傷，并且超過(guò)33萬(wàn)幢建筑、2千條道路、56座橋梁和26條鐵路在地震海嘯中遭遇到不同程度的損壞。地震對(duì)日本及沿岸海域的影響依然在持續(xù)，在此次地震中遭受重創(chuàng)的福島4個(gè)核反應(yīng)堆，其泄露的核物質(zhì)已經(jīng)對(duì)附近空氣、海域以及產(chǎn)出的動(dòng)植物產(chǎn)生污染，引發(fā)了全球關(guān)注。日本列島地處太平洋板塊、北美板塊、菲律賓板塊和歐亞板塊的交匯處，向來(lái)是地震多發(fā)區(qū)域，從此次地震的發(fā)震位置、深度以及震源機(jī)制解可以確定大地震發(fā)生在太平洋板塊與北美板塊的邊界俯沖帶上，在震中區(qū)域，太平洋板塊以每年約83mm的速度相對(duì)北美板塊向西運(yùn)動(dòng)，在日本海槽附近插入北美板塊下部[1]。該地震是有儀器記錄以來(lái)的歷史上第四大地震。此次日本大地震的發(fā)生，是否會(huì)對(duì)我國(guó)大陸地區(qū)未來(lái)一段時(shí)間的強(qiáng)震活動(dòng)帶來(lái)影響，許多專家對(duì)此都表示應(yīng)以謹(jǐn)慎的態(tài)度面對(duì)[2]。本文系統(tǒng)收集和整理了上海地震前兆觀測(cè)網(wǎng)數(shù)字化地形變分鐘值觀測(cè)資料在此次地震中記錄到的的同震異常和震后效應(yīng)，并對(duì)不同觀測(cè)項(xiàng)目的記錄特征加以描述和分析。

1 地震基本參數(shù)

發(fā)震時(shí)刻：北京時(shí)間2011年03月11日13時(shí)46分24秒；震中坐標(biāo)：38.297°N,142.372°E，具體地點(diǎn)位于日本本州東海岸海域，距離東京市北東方向 373 km（USGS）；震源深度：30 km（USGS）；震級(jí)：釋放地震矩4.5×1022Nm，對(duì)應(yīng)矩震級(jí)MW9.0；震源錯(cuò)動(dòng)方式：發(fā)震斷層面走向219°，傾角28°，滑動(dòng)角84°（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所）。余震分布表明破裂面寬約150 km，沿走向展布約300 km。

2 同震效應(yīng)分析

上海地區(qū)現(xiàn)有流體、形變、電磁等3類地震前兆觀測(cè)項(xiàng)目，這次強(qiáng)震后出現(xiàn)異常的觀測(cè)項(xiàng)目主要集中在形變觀測(cè)的地應(yīng)變、地傾斜和重力。目前上海地區(qū)實(shí)施數(shù)字化觀測(cè)的有佘山、查山等兩個(gè)形變臺(tái)，MW9.0級(jí)強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，這兩個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的多套儀器分別記錄到了不同程度的同震及震后效應(yīng)。

2.1 佘山形變臺(tái)

佘山形變綜合臺(tái)屬于全國(guó)形變觀測(cè)基本臺(tái)（國(guó)家一類臺(tái)），位于上海市松江區(qū)佘山鎮(zhèn)，其測(cè)點(diǎn)地處揚(yáng)子地塊東北段的東南邊緣，位于青浦-龍華斷裂和楓涇-川沙斷裂夾持的天馬山火山巖構(gòu)造盆地中央，該盆地是晚侏羅世至白堊世長(zhǎng)期繼承性發(fā)育的箕狀構(gòu)造盆地。周?chē)?00 km范圍歷史地震頻度較低。佘山形變綜合臺(tái)經(jīng)過(guò)“九五”項(xiàng)目建設(shè)以后，綜合觀測(cè)環(huán)境得到了極大的改善，現(xiàn)有洞室觀測(cè)DSQ型水管傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、石英水平擺、SSY-II洞體應(yīng)變儀、DZW相對(duì)重力儀、以及鉆孔觀測(cè)YRY-4分量鉆孔應(yīng)變儀等多種地形變觀測(cè)儀器以及洞溫、氣壓、氣溫、降雨等輔助測(cè)項(xiàng)，采樣率均為1 sample/min。該臺(tái)站距離MW9.0級(jí)日本大地震的震中距約為2 090 km。日本9.0級(jí)地震后，佘山臺(tái)的多套形變儀器均記錄到了顯著的震時(shí)形變波，佘山臺(tái)同震記錄主要特征見(jiàn)表1，由于觀測(cè)系統(tǒng)和觀測(cè)目的不同，時(shí)間核準(zhǔn)系統(tǒng)也會(huì)存在一定的誤差，表中的時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)只是相對(duì)值，但對(duì)于同一類觀測(cè)項(xiàng)目，依然具有較好的可比性，另外表中的最大波值也只是相對(duì)變化的最大值，如負(fù)向變化最大，則取負(fù)向最大值，正向變化最大，則取正向最大值。

表1 上海市佘山臺(tái)同震記錄主要特征Table 1 Main features of coe seismic anomaly recorded by Sheshan station

圖1 佘山臺(tái)地形變分鐘值曲線圖Fig.1 The minute value curve of deformation of Sheshan station

此次大地震后，主震震中區(qū)域附近又發(fā)生了多起6級(jí)以上的余震，在3月11日當(dāng)天，最大余震發(fā)生在北京時(shí)間14時(shí)21分，震級(jí)為MW7.9級(jí)。從儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，各儀器也記錄到了此次余震的同震形變波。

從佘山臺(tái)各項(xiàng)觀測(cè)儀器同震記錄的時(shí)間來(lái)分析，5套儀器在地震發(fā)生后的6～7 min左右記錄到了地震同震波，不同類型儀器記錄的波形在時(shí)間進(jìn)程上差異不大，同類儀器2個(gè)方向在時(shí)間進(jìn)程基本一致，但最大幅度出現(xiàn)時(shí)刻各儀器各分量均有差別。從觀測(cè)手段類型來(lái)分，佘山的水管儀和垂直擺屬于地傾斜觀測(cè)領(lǐng)域，洞體應(yīng)變和四分量鉆孔應(yīng)變屬于地應(yīng)變觀測(cè)項(xiàng)，不同觀測(cè)類型的儀器同震記錄特征也有一定的差異。

水管傾斜儀兩分量的初動(dòng)時(shí)間一致，但最大波值到時(shí)相差3 min，其EW分量更清晰地記錄到衰減過(guò)程，主震持續(xù)周期約25 min。NS分量的最大變幅比EW分量高出一半。垂直擺EW向主震初動(dòng)時(shí)就出現(xiàn)了階躍，之后儀器記錄值幾乎保持不變，約17 min后才恢復(fù)正常波動(dòng)，最大波值出現(xiàn)在14時(shí)26分，為當(dāng)日最大余震的同震波。垂直擺NS分量在13時(shí)58分達(dá)到負(fù)向最大值，達(dá)到飽和，7 min后恢復(fù)正常波動(dòng)。

洞體應(yīng)變伸縮儀是精密測(cè)量地殼兩點(diǎn)間水平距離相對(duì)變化的儀器，靈敏度達(dá)10-10，從此次記錄到的同震波特征可以發(fā)現(xiàn)，兩分量地震波到時(shí)基本一致，但EW向的最大變幅比NS向高出4倍左右，由于NS向基線長(zhǎng)度比EW向更長(zhǎng)，同震波記錄精度也明顯較高，當(dāng)日的幾次余震在NS向記錄圖像上也有所反映。重力儀的最大變幅并不是出現(xiàn)在MW9.0地震發(fā)生后，而是之后的MW7.9級(jí)余震。

2.2 查山形變臺(tái)

上海查山形變觀測(cè)臺(tái)位于上海西部，位于張堰-南匯斷裂附近，該斷裂在中更新世曾有過(guò)活動(dòng)，之后地震活動(dòng)較弱。查山臺(tái)安裝有兩臺(tái)鉆孔形變觀測(cè)儀器，分別為豎直擺鉆孔傾斜儀和鉆孔體應(yīng)變儀。其中體應(yīng)變的觀測(cè)精度可達(dá)10-9～10-10，探頭埋深約在80～90 m，其整點(diǎn)值能記錄到完整的固體潮，分鐘值能清晰地記錄到地震應(yīng)變波、同震應(yīng)變階、遠(yuǎn)震面波以及近震高頻波等。該臺(tái)站距離MW9.0級(jí)日本大地震的震中距約為2 105 km。

查山臺(tái)的豎直擺鉆孔傾斜儀非常清晰地記錄到了主震及當(dāng)日最大余震的震時(shí)形變波，NS分量和EW分量初動(dòng)時(shí)間一致，為震后6 min，兩分量的最大變幅非常接近，分別為NS分量4 654.4×10-3″，EW分量4 135.4×10-3″。與佘山臺(tái)的洞室儀器相比，鉆孔傾斜儀映震能力更強(qiáng)，除了記錄到MwMW9.0主震以及當(dāng)日最大余震MW7.9之外，當(dāng)日6級(jí)左右的余震也有清晰的反映。NS分量應(yīng)變波沒(méi)有應(yīng)變階，但EW分量在震后一天內(nèi)有小幅的約160×10-3″的階變上升。查山體應(yīng)變儀記錄到最大應(yīng)變波波幅為2 523.3×10-9，約為應(yīng)變固體潮日變幅差的40倍，但應(yīng)變波沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)變階，震后體應(yīng)變恢復(fù)正常觀測(cè)，未出現(xiàn)調(diào)整恢復(fù)的趨勢(shì)。

圖2 查山臺(tái)地形變分鐘值曲線圖Fig.2 The minute value curve of deformation of Chashan station

表2 上海市查山臺(tái)同震記錄主要特征Table 2 Main features of coe seismic anomaly recorded by Chashan station

一般同震形變波通常是指遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)地震波通過(guò)時(shí)觸發(fā)的地殼變形過(guò)程，也分為階變型形變波和振蕩型形變波。階變型形變波是指遠(yuǎn)強(qiáng)震的地震波通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，形變儀器不僅記錄到地震波式的高頻振蕩還記錄到階變式的上升或下降變化。振蕩型形變波是形變儀器只記錄到地震波式的高頻振蕩。由以上同震形變響應(yīng)分析來(lái)看，距離震中2 km之外的臺(tái)站都清晰記錄到了強(qiáng)地震發(fā)生的變化過(guò)程，但主要為震蕩型形變波。一般認(rèn)為，振蕩型形變波出現(xiàn)反映當(dāng)?shù)氐膽?yīng)力場(chǎng)只發(fā)生瞬間的變化，地下介質(zhì)并沒(méi)有發(fā)生塑性形變[3]。而從變化的總體趨勢(shì)來(lái)看，同震形變波均存在明顯的衰減過(guò)程。雖然在MW9.0級(jí)主震發(fā)生后，震源區(qū)域附近還發(fā)生了兩次7級(jí)以上的強(qiáng)余震，余震波與主震波背景疊加在一起，但形變波波動(dòng)幅度基本上仍呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。

2.4 震后效應(yīng)分析

在日本大地震結(jié)束之后，從3月12日開(kāi)始，查山臺(tái)鉆孔傾斜EW分量出現(xiàn)加速東傾、東傾量約為386×10-3″，直至3月15日才恢復(fù)正常觀測(cè)，但并沒(méi)有回復(fù)至震前水平。同為地傾斜觀測(cè)項(xiàng)目的佘山垂直擺傾斜儀的NS分量在震后出現(xiàn)了北傾，3月15日逐漸平穩(wěn)，至3月17日回復(fù)至震前水平，北傾量約為64.5×10-3″。作為地應(yīng)變觀測(cè)的佘山洞體應(yīng)變伸縮儀的測(cè)量端在震后出現(xiàn)了東向微移，并且固體潮畸變、變化量大約為866.3×10-8，3月17日開(kāi)始逐漸恢復(fù)至震前觀測(cè)量，這種變化可以理解為大地震之后的應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程[4、5]。

王敏利用GPS計(jì)算地震遠(yuǎn)場(chǎng)同震位移，其中佘山臺(tái)測(cè)得東向位移0.006±0.001 7 m、北向位移0.001±0.001 5 m[1]，從定量來(lái)看，利用GPS測(cè)量的東向位移約為北向位移的6倍左右，而查山臺(tái)豎直擺鉆孔傾斜儀測(cè)量的東傾量也約為佘山垂直擺傾斜儀測(cè)量的北傾量的6倍，因此，無(wú)論從趨勢(shì)或量性分析，GPS與定點(diǎn)地傾斜觀測(cè)的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論與建議

圖3 上海形變觀測(cè)震后效應(yīng)Fig.3 The post-seismic effect of Shanghai region

（1）各類儀器的波形記錄幅度及同類儀器不同方向上波形的記錄幅度相差較大，佘山臺(tái)傾斜觀測(cè)東西向的最大變幅均大于北南向，而應(yīng)變觀測(cè)則相反。水管傾斜儀和洞體應(yīng)變儀的EW分量和NS分量基線長(zhǎng)度不一致，導(dǎo)致兩分量記錄的震時(shí)形變波形態(tài)、波幅均有較大的差別。形變同震最大記錄幅度可能與儀器的性能、參量、場(chǎng)地響應(yīng)有關(guān)，不宜作橫向比較。

（2）鉆孔觀測(cè)比洞室觀測(cè)記錄到的震時(shí)形變波分辨率更高。

（3）查山臺(tái)的鉆孔傾斜儀、佘山臺(tái)的垂直擺和洞體應(yīng)變伸縮儀在震后都記錄到了與GPS測(cè)量結(jié)果一致的變化趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)比各儀器的同震效應(yīng)客觀記錄，說(shuō)明這些儀器的精度均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且能較好地反映地殼的微小運(yùn)動(dòng)變化。

（4）地震影響到了臺(tái)站的固體潮長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，震后數(shù)日至數(shù)十日，變化趨勢(shì)發(fā)生明顯。

鑒于數(shù)字化儀器采樣率為1 sample/min，時(shí)間測(cè)量理論上只能精確到分，因此記錄過(guò)程中不可避免地漏掉許多信息，因此，目前對(duì)于地震形變前兆的研究關(guān)鍵還在于資料的長(zhǎng)期積累和研究人員的不斷努力探索。由于當(dāng)下的數(shù)字化形變觀測(cè)不能全面揭示與地震相關(guān)的一些信息，而使得同震形變的響應(yīng)幅度、持續(xù)時(shí)間等特征與地震震級(jí)和震中距離之間難以建立確定的關(guān)系，但同震形變最大幅度或最大持續(xù)時(shí)間與震級(jí)和震中距之間可能存在一定的依賴關(guān)系[6、7]，這對(duì)于分析地震短臨前兆的特點(diǎn)及依據(jù)短臨前兆進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究具有一定的意義，因此也有必要對(duì)一個(gè)地區(qū)的多次地震同震響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而有助于了解本地區(qū)的地震短臨前兆的特點(diǎn)。

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