姚菲菲，梁永信，張維東

（丹東地震臺(tái)，遼寧 丹東 118000）

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丹東臺(tái)數(shù)字潮汐形變DSQ水管儀同震響應(yīng)分析

姚菲菲，梁永信，張維東

（丹東地震臺(tái)，遼寧 丹東 118000）

摘要：通過對(duì)丹東臺(tái)數(shù)字潮汐形變DSQ水管儀觀測(cè)資料整理，提取典型震例的同震，分析研究其同震響應(yīng)特征，探尋丹東臺(tái)水管儀同震響應(yīng)參數(shù)與地震三要素的關(guān)系，同時(shí)，對(duì)近年來地震產(chǎn)生的潮汐形變典型同震變化進(jìn)行分析、對(duì)比，總結(jié)形變觀測(cè)同震響應(yīng)特征。

關(guān)鍵詞：丹東臺(tái)；數(shù)字形變；典型震例；同震效應(yīng)

0 引言

地殼形變是與地震的孕育和發(fā)生過程直接有關(guān)的現(xiàn)象，地震是孕育和發(fā)生在巖石圈內(nèi)的一種地球動(dòng)力學(xué)過程及事件。應(yīng)力在某些特定部位積累，使巖層變形，當(dāng)超過巖石的強(qiáng)度時(shí)突然發(fā)生破裂，產(chǎn)生位錯(cuò)，釋放能量，激發(fā)出地震波。一般說來，同震響應(yīng)是強(qiáng)烈地震發(fā)生后地震波向外傳播時(shí)發(fā)生的共振現(xiàn)象，由于地震引起地表變形才使水管傾斜儀記錄曲線偏離震前位置，同震響應(yīng)研究是揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變過程響應(yīng)最直接有效的手段之一，潮汐形變前兆觀測(cè)的數(shù)字化和采樣率的提高使得記錄同震形變成為可能。

為研究臺(tái)站數(shù)字形變觀測(cè)的映震能力，和為地震預(yù)報(bào)提供準(zhǔn)確可靠的信息，對(duì)臺(tái)站記錄到的地震進(jìn)行編目整理分析。本文主要是對(duì)水管傾斜儀記錄到的一些典型地震的傾斜波動(dòng)相、同震變化與同震參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行初步分析研究［1］，引用了焦明若博士《印尼8.7級(jí)地震對(duì)遼寧地區(qū)的影響》的一些觀點(diǎn)。

1 丹東臺(tái)數(shù)字形變觀測(cè)概況

丹東地區(qū)處在天山至陰山巨型緯向改造體系的東延部份，與新華夏構(gòu)造體系東亞大陸第二隆起帶復(fù)合交接。2006年“十五”期間，丹東臺(tái)在丹東市人防局備戰(zhàn)山洞內(nèi)并行安裝了SS-Y型洞體應(yīng)變儀和DSQ型水管傾斜儀。山洞洞室進(jìn)深170m。臺(tái)基巖性為黑云母斜長(zhǎng)片麻巖，巖性致密穩(wěn)定，但距鴨綠江斷裂較近，裂隙較發(fā)育（圖1）。2008年1月正式運(yùn)行觀測(cè)，兩套儀器符合觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，工作穩(wěn)定，儀器的基本情況見表1。

圖1　丹東臺(tái)數(shù)字形變儀器洞室平面圖Fig.1 Digital deformation instrument cavity floor plan of Dandong Seismic Station

表1　數(shù)字形變儀器觀測(cè)資料基本情況

2 典型同震響應(yīng)記錄情況

水管儀、伸縮儀自2008年正式運(yùn)行起，運(yùn)行狀況良好，連續(xù)率、運(yùn)行率、內(nèi)精度均達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)，2009年和2010年對(duì)觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行初步改造，同時(shí)對(duì)多種客觀干擾因素分析排除，使得內(nèi)在質(zhì)量明顯提升，在多年來的觀測(cè)資料中其最明顯直觀的地殼形變是同震響應(yīng)，對(duì)國內(nèi)外大震產(chǎn)生的同震響應(yīng)記錄清晰明顯，積累了大量的典型震例。震中距1000～2000km震級(jí)大于6.0級(jí)以上地震，震中距大于2000km震級(jí)大于7.0級(jí)以上地震均有較好的同震響應(yīng)效果，特別是對(duì)于中國周邊多震國家日本、印尼發(fā)生的6.5級(jí)以上地震，具有良好的同震效應(yīng)。

3 丹東臺(tái)水管儀同震響應(yīng)實(shí)例

同震響應(yīng)主要指地震發(fā)生后延遲數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘內(nèi)在臺(tái)站觀測(cè)到的顯著波動(dòng)和階躍變化。本文通過丹東臺(tái)DSQ水管儀記錄到的一些不同方位、不同震級(jí)的典型震例來分析其異同點(diǎn)。圖2～5依次為丹東臺(tái)水管儀在智利、蘇門答臘、尼泊爾和日本地震時(shí)的同震響應(yīng)情況。表2為上述震例的同震響應(yīng)特征和具體參數(shù)。

圖2　丹東臺(tái)水管儀觀測(cè)到的3次智利地震同震形變圖Fig.2 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure

圖3　丹東臺(tái)水管儀觀測(cè)到的3次蘇門答臘地震同震形變圖Fig.3 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure in Sumatra

圖4　丹東臺(tái)水管儀觀測(cè)到的3次尼泊爾地震同震形變圖Fig.4 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure in Nepal

圖5　丹東臺(tái)水管儀觀測(cè)到的3次日本本州地震同震形變圖Fig.5 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure in Japan

表2　丹東臺(tái)水管儀觀測(cè)同震向應(yīng)特征

4 丹東臺(tái)水管儀同震響應(yīng)特征分析

由表2可見，丹東臺(tái)水管儀對(duì)不同地震存在不同的響應(yīng)變化。響應(yīng)變化基本上為波動(dòng)型變化，初動(dòng)方向有上有下，基本以向上為主，與方位沒有明顯關(guān)系，分析原因可能與采樣率有關(guān)。DSQ水管儀采樣單位為分鐘值，不能完整的記錄地震波震相，體現(xiàn)出的形變波初動(dòng)方向不明顯。各測(cè)向響應(yīng)時(shí)間均滯后于地震發(fā)震時(shí)刻幾分鐘到幾十分鐘，形變響應(yīng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)度也不相同，有幾分鐘到幾天不等，形變波最大振幅變化也不相同。這與地震波傳播路徑的介質(zhì)、震級(jí)、震中距有關(guān)。

4.1 響應(yīng)時(shí)間與震中距關(guān)系

同震形變的延遲時(shí)間反映了地震波在地層中的傳播快慢，地震發(fā)生后，地震波在巖石中傳播的時(shí)間與傳播距離成正比。

對(duì)表1進(jìn)行分析，分別提取智利、蘇門答臘、尼泊爾、日本4組地震，每組由3個(gè)經(jīng)緯度相同，震級(jí)不同的地震組成。智利距丹東臺(tái)16100公里左右，延遲時(shí)間30分鐘，得到傳播速度約為536.7km/min；蘇門答臘距丹東臺(tái)4720公里，延遲時(shí)間13分鐘，得到傳播速度約為363.1km/min；尼泊爾距丹東臺(tái)4300公里，延遲時(shí)間11分鐘，得到傳播速度約為390.9 km/min；日本距丹東臺(tái)1610公里，延遲時(shí)間4分鐘，得到傳播速度約為402.5km/min，由此看出震中距越長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間越滯后。

4.2 同震位移最大振幅與震級(jí)及震中距的關(guān)系

由地震波傳播理論可知，震級(jí)越大的地震能量越大，所產(chǎn)生的同震地形變量越大。以3次智利地震為例，2010年2月27日智利8.8級(jí)地震，最大振幅（單位10-3）為1145；2014年4月2日智利8.2級(jí)地震，最大振幅（單位10-3）為114；2014年4月3日智利7.9級(jí)地震，最大振幅（單位10-3）為67。相反，震中距越大，地震波傳播中能量的幾何擴(kuò)散和衰減，產(chǎn)生同震地形變的量值也減小。以2010年4月7日蘇門答臘7.9級(jí)地震與2014年4月3日智利7.9級(jí)地震相比較。震級(jí)相同，蘇門答臘距丹東臺(tái)4720km，最大振幅震級(jí)（單位10-3）為167，智利距丹東臺(tái)16100km，最大振幅震級(jí)（單位10-3）為67。由此說明同震位移最大振幅與震級(jí)成正比，與震中距成反比。

4.3 同震形變持續(xù)時(shí)間與震級(jí)及震中距的關(guān)系

同震形變的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間與斷層體受地震影響程度、地震自身能量和震中距遠(yuǎn)近有關(guān)。由表1中3次不同震級(jí)的智利地震和同為7.9級(jí)地震，震中距不同的智利與蘇門答臘地震的持續(xù)時(shí)間相比較，得出震級(jí)越大同震形變持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，震中距越遠(yuǎn)同震形變持續(xù)時(shí)間越短。

5 DSQ水管儀同震形變波形與測(cè)震波形對(duì)比分析

圖6　丹東臺(tái)CTS-1型數(shù)字地震儀記錄到的尼泊爾8.1級(jí)地震波形圖Fig.6 CTS - 1 type digital seismograph in Dandong seismic station records to Nepal's 8.1 -magnitude earthquake wave

圖7　丹東臺(tái)水管儀NS向記錄到尼泊爾8.1級(jí)地震同震形變波形Fig.7 NS pipe instrument in Dandong seismic station records to Nepal's 8.1 -magnitude earthquake waveform coseismic deformation

圖6為同臺(tái)同一洞室相距10m的CTS-1型數(shù)字地震儀記錄到的發(fā)震時(shí)間為2015年4月25日14時(shí)11分26.0秒，震中距為4300km，震級(jí)8.1級(jí)的尼泊爾地震波震相。地震儀記錄到的P波到時(shí)為14時(shí)18分15.9 秒，S波到時(shí)為 14 時(shí)24 分12.8 秒。圖7中水管儀記錄到的初相到時(shí)為14時(shí)26分，與圖6中S波到時(shí)接近，說明傾斜波動(dòng)的初相基本為體波，而最大相為面波，能夠與地震波震相有明顯對(duì)應(yīng)的占三分之一左右?？梢娝軆A斜儀從廣義上來說具有固定周期的垂直向單擺，所以水管傾斜儀也能記錄到地震波波動(dòng)，并且也和地震儀一樣具有波動(dòng)響應(yīng)特性。地震波通過地震儀輸出的往往是位移、速度和加速度等，而震時(shí)形變波則主要是傾斜、應(yīng)力—應(yīng)變的瞬間波動(dòng)，其震時(shí)輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間依據(jù)震中距離的遠(yuǎn)近而定，主要集中在幾十秒到幾小時(shí)范圍內(nèi)。由于采樣的局限性，震時(shí)形變波目前仍較難展示P波和S波的初動(dòng)，因而震時(shí)形變波反映的是遠(yuǎn)場(chǎng)面波的主要信息。盡管目前數(shù)字化形變觀測(cè)不能像地震波那樣完整展示關(guān)于地震震源的信息，但仍能反映地震傳播過程中的一些主要特征［2］。

6 震后形變效應(yīng)

震后形變效應(yīng)是指與地震發(fā)生相關(guān)的一系列顯著變形過程，包括震時(shí)同步出現(xiàn)的顯著變形和震后幾天誘發(fā)出現(xiàn)的顯著變形。如丹東臺(tái)水管儀EW向記錄到的汶川8.0級(jí)地震引起的顯著的同震傾斜變化，持續(xù)時(shí)間近3個(gè)月恢復(fù)（圖 8）。又如丹東臺(tái)水管儀EW向記錄到的智利8.8級(jí)地震引起的震后效應(yīng)（圖9）。

圖8　丹東臺(tái)水管儀EW向記錄汶川8.0地震震時(shí)震后傾斜出現(xiàn)的形變效應(yīng)Fig.8 Pipe instrument EW tilt in Dandong seismic station records to the deformation effect when Wenchuan 8.0 earthquake happened and after the earthquake

圖9　丹東臺(tái)水管儀EW向記錄智利8.8地震震時(shí)震后傾斜出現(xiàn)的形變效應(yīng)Fig.9 Pipe instrument EW tilt in Dandong seismic station record to the deformation effect when Chile 8.8 earthquake happened and after the earthquake

7 結(jié)論與討論

丹東臺(tái)數(shù)字形變經(jīng)過多次較大地震的印證，能夠很好的反映地殼的變化，通過對(duì)丹東臺(tái)DSQ水管儀同震響應(yīng)的分析可以看出，水管傾斜儀同震響應(yīng)參數(shù)與地震的震級(jí)、震中距等因素有密切關(guān)系［3］。

（1）同震響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間與震中距成正比，震中距越大，同震響應(yīng)的延遲時(shí)間越長(zhǎng)。

（2）同震響應(yīng)的同震位移最大振幅、同震形變持續(xù)時(shí)間與震級(jí)、震中距緊密相連，震級(jí)越大，同震形變的最大振幅越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)；震中距越遠(yuǎn)同震形變的最大振幅越小，持續(xù)時(shí)間越短。

在形變觀測(cè)中對(duì)地震的反映形態(tài)有三種：震前趨勢(shì)異常、同震響應(yīng)變化、震后形變效應(yīng)。丹東臺(tái)水管儀觀測(cè)記錄主要以后兩種為主，而具有地震短臨預(yù)報(bào)意義的震前趨勢(shì)異常目前還沒有觀測(cè)到，通過研究同震形變波響應(yīng)特征有助于認(rèn)識(shí)地震短期和短臨前兆的動(dòng)力學(xué)特征。因此，我們應(yīng)該在觀測(cè)資料的整理和典型同震響應(yīng)震例研究上多做一些工作，看看能否找到某些地震前的一些變化特征，從而為地震短臨預(yù)報(bào)提供依據(jù)，這也是我們今后的努力方向。

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ANALYSIS OF THE CO-SEIMIC RESPONSE ON DIGITAL TIDAL DEFORMATION DSQ WATER TILTMETER IN DANDONG SEISMIC STATION

YAO Fei-fei，LIANG Yong-xin，ZHANG Wei-dong
（Dandong Seismic Station，Liaoning Dandong 118000，China）

Absract： Based on arrangement of data about digital tidaldeformation DSQ water tiltmeter in Dandong Seismic Station， this paper extract the typical earthquake examples ， analyze the coseismic response characteristics， and search for the relationship between the coseismic response parameters and three elements of earthquake in Dandong Seismic Station.At the same time， we make the analysis and comparison on the tidal deformation of the typical coseismic changes by the earthquake in recent years，summarize the deformation measurements coseismic response characteristics.

Key words：Dandong Seismic Station； digital tidaldeformation； typical earthquake examples； coseismic effects

中圖分類號(hào)：P315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.012

文章編號(hào)：1674-8565（2016）02-0072-06

收稿日期：2016-03-05

修訂日期：2016-04-25

作者簡(jiǎn)介：姚菲菲（1981-），男，遼寧省丹東市人，畢業(yè)于沈陽理工大學(xué)，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)與洞體形變觀測(cè)工作。