姚菲菲，梁永信，張維東

（丹東地震臺，遼寧 丹東 118000）

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丹東臺數(shù)字潮汐形變DSQ水管儀同震響應分析

姚菲菲，梁永信，張維東

（丹東地震臺，遼寧 丹東 118000）

摘要：通過對丹東臺數(shù)字潮汐形變DSQ水管儀觀測資料整理，提取典型震例的同震，分析研究其同震響應特征，探尋丹東臺水管儀同震響應參數(shù)與地震三要素的關(guān)系，同時，對近年來地震產(chǎn)生的潮汐形變典型同震變化進行分析、對比，總結(jié)形變觀測同震響應特征。

關(guān)鍵詞：丹東臺；數(shù)字形變；典型震例；同震效應

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)的一種地球動力學過程及事件。應力在某些特定部位積累，使巖層變形，當超過巖石的強度時突然發(fā)生破裂，產(chǎn)生位錯，釋放能量，激發(fā)出地震波。一般說來，同震響應是強烈地震發(fā)生后地震波向外傳播時發(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，同震響應研究是揭示地殼介質(zhì)對應力—應變過程響應最直接有效的手段之一，潮汐形變前兆觀測的數(shù)字化和采樣率的提高使得記錄同震形變成為可能。

為研究臺站數(shù)字形變觀測的映震能力，和為地震預報提供準確可靠的信息，對臺站記錄到的地震進行編目整理分析。本文主要是對水管傾斜儀記錄到的一些典型地震的傾斜波動相、同震變化與同震參數(shù)的相關(guān)性進行初步分析研究［1］，引用了焦明若博士《印尼8.7級地震對遼寧地區(qū)的影響》的一些觀點。

1 丹東臺數(shù)字形變觀測概況

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合交接。2006年“十五”期間，丹東臺在丹東市人防局備戰(zhàn)山洞內(nèi)并行安裝了SS-Y型洞體應變儀和DSQ型水管傾斜儀。山洞洞室進深170m。臺基巖性為黑云母斜長片麻巖，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月正式運行觀測，兩套儀器符合觀測標準，工作穩(wěn)定，儀器的基本情況見表1。

圖1　丹東臺數(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)字形變儀器觀測資料基本情況

2 典型同震響應記錄情況

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

3 丹東臺水管儀同震響應實例

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

圖2　丹東臺水管儀觀測到的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　丹東臺水管儀觀測到的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　丹東臺水管儀觀測到的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　丹東臺水管儀觀測到的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　丹東臺水管儀觀測同震向應特征

4 丹東臺水管儀同震響應特征分析

由表2可見，丹東臺水管儀對不同地震存在不同的響應變化。響應變化基本上為波動型變化，初動方向有上有下，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)出的形變波初動方向不明顯。各測向響應時間均滯后于地震發(fā)震時刻幾分鐘到幾十分鐘，形變響應持續(xù)時間的長度也不相同，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、震中距有關(guān)。

4.1 響應時間與震中距關(guān)系

同震形變的延遲時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間與傳播距離成正比。

對表1進行分析，分別提取智利、蘇門答臘、尼泊爾、日本4組地震，每組由3個經(jīng)緯度相同，震級不同的地震組成。智利距丹東臺16100公里左右，延遲時間30分鐘，得到傳播速度約為536.7km/min；蘇門答臘距丹東臺4720公里，延遲時間13分鐘，得到傳播速度約為363.1km/min；尼泊爾距丹東臺4300公里，延遲時間11分鐘，得到傳播速度約為390.9 km/min；日本距丹東臺1610公里，延遲時間4分鐘，得到傳播速度約為402.5km/min，由此看出震中距越長響應時間越滯后。

4.2 同震位移最大振幅與震級及震中距的關(guān)系

由地震波傳播理論可知，震級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級地震，最大振幅（單位10-3）為1145；2014年4月2日智利8.2級地震，最大振幅（單位10-3）為114；2014年4月3日智利7.9級地震，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級地震與2014年4月3日智利7.9級地震相比較。震級相同，蘇門答臘距丹東臺4720km，最大振幅震級（單位10-3）為167，智利距丹東臺16100km，最大振幅震級（單位10-3）為67。由此說明同震位移最大振幅與震級成正比，與震中距成反比。

4.3 同震形變持續(xù)時間與震級及震中距的關(guān)系

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

5 DSQ水管儀同震形變波形與測震波形對比分析

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

圖7　丹東臺水管儀NS向記錄到尼泊爾8.1級地震同震形變波形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)震時間為2015年4月25日14時11分26.0秒，震中距為4300km，震級8.1級的尼泊爾地震波震相。地震儀記錄到的P波到時為14時18分15.9 秒，S波到時為 14 時24 分12.8 秒。圖7中水管儀記錄到的初相到時為14時26分，與圖6中S波到時接近，說明傾斜波動的初相基本為體波，而最大相為面波，能夠與地震波震相有明顯對應的占三分之一左右?？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，并且也和地震儀一樣具有波動響應特性。地震波通過地震儀輸出的往往是位移、速度和加速度等，而震時形變波則主要是傾斜、應力—應變的瞬間波動，其震時輸出信號持續(xù)時間依據(jù)震中距離的遠近而定，主要集中在幾十秒到幾小時范圍內(nèi)。由于采樣的局限性，震時形變波目前仍較難展示P波和S波的初動，因而震時形變波反映的是遠場面波的主要信息。盡管目前數(shù)字化形變觀測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

震后形變效應是指與地震發(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。如丹東臺水管儀EW向記錄到的汶川8.0級地震引起的顯著的同震傾斜變化，持續(xù)時間近3個月恢復（圖 8）。又如丹東臺水管儀EW向記錄到的智利8.8級地震引起的震后效應（圖9）。

圖8　丹東臺水管儀EW向記錄汶川8.0地震震時震后傾斜出現(xiàn)的形變效應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　丹東臺水管儀EW向記錄智利8.8地震震時震后傾斜出現(xiàn)的形變效應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，通過對丹東臺DSQ水管儀同震響應的分析可以看出，水管傾斜儀同震響應參數(shù)與地震的震級、震中距等因素有密切關(guān)系［3］。

（1）同震響應的響應時間與震中距成正比，震中距越大，同震響應的延遲時間越長。

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

在形變觀測中對地震的反映形態(tài)有三種：震前趨勢異常、同震響應變化、震后形變效應。丹東臺水管儀觀測記錄主要以后兩種為主，而具有地震短臨預報意義的震前趨勢異常目前還沒有觀測到，通過研究同震形變波響應特征有助于認識地震短期和短臨前兆的動力學特征。因此，我們應該在觀測資料的整理和典型同震響應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，從而為地震短臨預報提供依據(jù)，這也是我們今后的努力方向。

參考文獻：

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［2］陳德福.聶磊液體靜力水準儀及其應用［M］.北京：地震出版社，2008.

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［4］李大偉，胡寶慧.鶴崗自形變儀器干擾討論［J］.防災減災學報，2012，28，（2）：84-88.

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：P315

文獻標志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.012

文章編號：1674-8565（2016）02-0072-06

收稿日期：2016-03-05

修訂日期：2016-04-25

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