郝軍麗 朱成林 張正帥 趙 洋 王合乾,2

1 山東省地震局,濟(jì)南市文化東路20號,250014 2 煙臺地震監(jiān)測中心站,山東省煙臺市南山溝17號,264000

北京時間2023-02-06 09:17土耳其中南部地區(qū)(37.03°E,37.17°N)發(fā)生7.8級強(qiáng)震,當(dāng)天18:24再次發(fā)生7.8級強(qiáng)震(37.20°E,38.02°N),2次地震震源深度均較淺,斷層破裂位于地表以下0～20 km。

煙臺地震監(jiān)測中心站(簡稱煙臺臺)伸縮儀EW分量在土耳其地震前后出現(xiàn)趨勢轉(zhuǎn)折變化,本文對該固體潮畸變進(jìn)行分析,初步探討其與土耳其強(qiáng)震的關(guān)系。

1 臺站及儀器概況

煙臺市位于山東省東部的膠東半島區(qū)域,地處華北地震區(qū)東南部,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。中國東部規(guī)模最大的郯廬斷裂帶縱貫半島西部,渤海-蓬萊-威海斷裂帶穿越渤海直達(dá)膠東半島北部,并與郯廬斷裂帶在渤海中部交會,膠東半島以南海域存在南黃海斷陷盆地。半島內(nèi)陸還分布著其他許多規(guī)模不等、方向不一的次級活動斷裂。距臺站10 km遠(yuǎn)處有2條中等規(guī)模的活動斷裂:NE向桃村斷裂和NW向蓬萊-威海斷裂。

煙臺臺位于煙臺市南山公園東側(cè)(121°23′E,37°31′N),地處丘陵緩坡園林區(qū),海拔高度45 m,離海約2 200 m,觀測環(huán)境良好。臺基以云母角閃片巖為主,山洞覆蓋植被較好,高程約54 m,洞深分別長約30.60 m和22.60 m,室溫年變幅約為0.2 ℃。常年地下水位埋深為14～17 m。洞內(nèi)布設(shè)水管傾斜儀、水平擺傾斜儀、垂直擺傾斜儀、SS-Y伸縮儀、鉆孔應(yīng)變觀測、相對重力觀測及各種輔助觀測,共計21個分量。

煙臺臺SS-Y伸縮儀NS分量基線長21.21 m,EW分量基線長28.73 m,儀器布設(shè)方位角分別為14°及104°。2017年以來儀器運行基本正常,數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,觀測精度較高。

2 EW分量同震響應(yīng)特征

2023-02-06 09:17土耳其發(fā)生7.8級地震,煙臺臺伸縮儀EW分量同震形變波初動時刻為09:36,與09:28的6.7級地震重疊,延續(xù)時間為236 min,變化形態(tài)為振蕩型,同震波形初動性質(zhì)為張性,最大變化幅度為3.37×10-8。18:24土耳其再次發(fā)生7.8級地震,煙臺臺伸縮儀EW分量同震形變波動初動時刻為18:35,延續(xù)時間為78 min,變化形態(tài)為振蕩型,同震波形初動性質(zhì)為張性,最大變化幅度為2.61×10-8(圖1)。

圖1 煙臺臺伸縮儀EW分量記錄的土耳其地震同震波形Fig.1 Co-seismic waveform of tensometer of EW component at Yantai station

3 強(qiáng)震前后EW分量固體潮畸變

3.1 固體潮畸變特征

3.1.1 地震前后固體潮短期畸變特征

煙臺臺伸縮儀EW分量2023-02-04開始出現(xiàn)急速上升趨勢變化,至02-06 01:00達(dá)到峰值,之后開始下降,最大變化幅度達(dá)到9.58×10-8。2023-02-06 09:17、18:24土耳其分別發(fā)生2次7.8級地震,與煙臺臺震中距分別為7 182 km和7 122 km,震源深度20 km。震后固體潮趨勢短暫回落后仍處于上升趨勢,但速率較震前變緩。圖2為2023-02-01～10煙臺臺伸縮儀觀測值、EW向理論值、水位分鐘值和氣壓分鐘值曲線。

圖2 煙臺臺伸縮儀觀測值、EW向理論值、水位分鐘值和氣壓分鐘值曲線Fig.2 Observation value, theoretical value of EW component of tensometer and minute value curve of water level and air pressure at Yantai station

3.1.2 煙臺及山東形變觀測儀器固體潮曲線長短期趨勢變化

煙臺臺伸縮儀固體潮EW分量出現(xiàn)短期趨勢畸變的同時,其他觀測手段未出現(xiàn)同步變化。圖3為煙臺臺伸縮儀及水管儀長期觀測曲線?？梢钥闯?2022-10開始伸縮儀EW、NS分量及水管儀NS分量出現(xiàn)向上趨勢變化,水管儀EW分量2022-10出現(xiàn)向下趨勢變化。表1為趨勢變化出現(xiàn)前后干擾因素統(tǒng)計,主要有連續(xù)降雨和調(diào)零校準(zhǔn)等因素。其中,短期連續(xù)降雨僅能影響短期趨勢變化,而調(diào)零校準(zhǔn)有可能改變觀測曲線趨勢變化?；谶@些干擾因素的存在,需對2022-10以來煙臺臺形變觀測的趨勢轉(zhuǎn)折原因作進(jìn)一步分析。

表1 2022-09～12干擾因素統(tǒng)計

圖3 煙臺臺伸縮儀和水管儀觀測曲線 Fig.3 Observation curve of tensometer and water-tube tiltmeter at Yantai station

山東地區(qū)有13個形變臺站,包含37套形變儀器,共177個測項,其中擁有洞體應(yīng)變觀測手段的有4個臺站(泰安、郯城、煙臺、嘉祥)。梳理山東形變觀測固體潮長短期趨勢變化,發(fā)現(xiàn)除煙臺臺伸縮儀NS分量、水管儀兩分量(圖3)及榮成鉆孔傾斜儀EW分量(圖4)外,未發(fā)現(xiàn)有同時段長短期趨勢變化。

圖4 榮成臺鉆孔傾斜儀觀測值、水位分鐘值和氣壓分鐘值曲線Fig.4 Observation value of drilling inclinometer and minute value curve of water level and air pressure at Rongcheng station

3.1.3 榮成臺鉆孔傾斜儀畸變

山東榮成地震臺鉆孔傾斜儀EW分量自2023-01-08～02-06土耳其大震之前固體潮曲線出現(xiàn)上升趨勢變化,震后02-07趨勢恢復(fù)正常(圖4)。榮成臺與煙臺臺同屬于膠東半島,且都與土耳其震中處于同一緯度。對榮成臺進(jìn)行現(xiàn)場核實排查,排除了固體潮畸變期間儀器調(diào)試、臺站周邊建筑施工以及降雨等環(huán)境變化和人為干擾等影響,但由于榮成鉆孔傾斜儀自身穩(wěn)定性較差,難以判定其EW分量畸變原因。

3.2 儀器穩(wěn)定性

從M2波潮汐因子相對中誤差、儀器年零漂、數(shù)據(jù)完整率等方面對煙臺臺伸縮儀EW分量進(jìn)行儀器穩(wěn)定性分析(表2、3)。

表2 伸縮儀EW向M2波潮汐因子相對中誤差

由表2可以看出,伸縮儀EW分量M2波潮汐因子相對中誤差<0.02,精度較高。表3中2020～2022年伸縮儀EW向年零漂均小于10-6,符合伸縮儀穩(wěn)定性設(shè)計指標(biāo)。對伸縮儀運行情況進(jìn)行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn),2020～2022年缺記率分別為0.241%、0.227 5%、0.000 2%,運行率、完整率均在99.5%以上。從圖1伸縮儀EW向固體潮分鐘值看出,地震前后固體潮曲線光滑、清晰。

表3 伸縮儀EW向年零漂

綜上,煙臺臺SS-Y伸縮儀EW分量運行情況良好,觀測質(zhì)量較高。

3.3 場地環(huán)境及氣象因素

圖5(a)為煙臺臺伸縮儀EW分量和洞室溫度日均值長期曲線。可以看出,伸縮儀所在洞室溫度常年穩(wěn)定在14 ℃左右,室溫年變化約為0.2 ℃,2023-02-01～10趨勢變化前后洞溫日變化小于0.01 ℃,2項指標(biāo)均符合儀器安裝洞室溫度年變小于0.5 ℃、日變小于0.03 ℃的要求。

圖5 伸縮儀EW分量與洞溫、降雨、氣壓觀測曲線Fig.5 Observation curve of EW component oftensometer, hole temperature, rainfall and air pressure

圖5(b)為煙臺臺伸縮儀EW分量與輔助觀測降雨及氣壓的整點值曲線。EW分量趨勢變化會受到連續(xù)降雨及氣壓變化影響,如2022-09-12臺風(fēng)“梅花”導(dǎo)致2022-09-14～16持續(xù)降雨,降雨累積量為218 mm,造成形變觀測出現(xiàn)滯后1～2 d的趨勢變化;2022-10-02、04降雨后再次出現(xiàn)滯后2 d的趨勢變化,降雨累積量為111 mm。2023-01以來無臺風(fēng)事件,1月降雨累積量僅17 mm,且2023-02-01～10伸縮儀趨勢變化前后未有降雨或大風(fēng),在固體潮出現(xiàn)畸變的同一時段內(nèi)輔助觀測氣壓曲線未出現(xiàn)同步變化。

經(jīng)過現(xiàn)場核實,畸變出現(xiàn)前后臺站周圍環(huán)境無明顯短期變化,觀測環(huán)境基本一致,且未曾對儀器進(jìn)行過調(diào)試校準(zhǔn)等人為操作。

綜上,可以排除溫度、短期氣象因素及人為干擾對此次伸縮儀EW分量的干擾。

3.4 地震活動

2023-02全球共發(fā)生12次6級以上地震,3次7級以上地震。7級以上地震分別為02-06土耳其2次7.8級和02-23塔吉克斯坦7.2級地震。從時間上看,02-06土耳其雙震型震群發(fā)生在煙臺臺伸縮儀EW分量趨勢變化之后2 d,土耳其地震屬于雙震型巨震,而塔吉克斯坦7.2級地震震級相對較小,其他地震均小于6.3級,且畸變時間對應(yīng)上不如土耳其地震。

2023-02全國范圍內(nèi)發(fā)生5次4級以上地震,4次發(fā)生在新疆、青海等西部地區(qū),且震級較小,與煙臺臺趨勢變化的幅度不對應(yīng)。山東內(nèi)陸未發(fā)生3級以上地震,可以排除近震影響。

4 討 論

土耳其7.8級雙震震中位于地中海-喜馬拉雅地震帶和安納托利亞板塊、阿拉伯板塊及非洲板塊縫合帶,與煙臺臺同在37°N附近。煙臺臺位于膠東半島、歐亞板塊東緣,受太平洋板塊俯沖作用影響。此次土耳其地震,煙臺臺除伸縮儀EW分量出現(xiàn)震前畸變外,其他測項儀器均未出現(xiàn)短期同步變化。經(jīng)現(xiàn)場排查,煙臺臺附近場地環(huán)境無變化,固體潮變化清晰可見,儀器穩(wěn)定性較好,未見支持此次畸變原因的干擾源。

在巖石破壞實驗中發(fā)現(xiàn),臨近主大破裂時會出現(xiàn)應(yīng)變擾動,說明在長趨勢形變變化背景上還有突升、突降或類似于波的應(yīng)變擾動[1]。地殼是一個開放的動力系統(tǒng),地震是在此系統(tǒng)中孕育發(fā)生的一種局部破裂現(xiàn)象。與有限尺度巖石破裂過程顯著不同,地殼巖石圈近乎為半無限開放空間,無明確的應(yīng)力邊界。因此,地震前兆現(xiàn)象未必僅分布在孕震震源區(qū)附近,地震前兆現(xiàn)象,尤其是形變前兆分布的空間范圍往往具有廣泛性、復(fù)雜性。國內(nèi)外震例表明,地震前在近震源區(qū)往往觀測不到地形變異?，F(xiàn)象,僅存在極少明確的觀測異常;而在遠(yuǎn)離震源區(qū)域,往往可觀測到相對較多的異常。連續(xù)形變觀測等的短臨突變性信息可能不是直接來自于震源,而是源于殼幔邊界或軟流圈內(nèi)長周期應(yīng)變波的遷移,這種遷移對地震的發(fā)生具有一定的觸發(fā)或促進(jìn)作用。2023-02-06土耳其7.8級雙震至今,我國大陸地區(qū)小震活動有一波顯著增強(qiáng)現(xiàn)象,而部分臺站的某些高精度形變觀測手段抓取到了相應(yīng)的變形信息[2-5]。

王梅等[6]分析發(fā)現(xiàn),2003年及2004年日本7級以上地震前,泰安地震臺伸縮儀EW分量出現(xiàn)固體潮畸變,應(yīng)變量分別達(dá)到3×10-8和6.3×10-8,且其他測項無同步變化的情況。該畸變形態(tài)、持續(xù)時間與前驅(qū)波不同,且變化量級達(dá)到10-8,比前驅(qū)波應(yīng)變量級10-9稍大,波形特征不顯著,更類似于靜地震[7-8]的遠(yuǎn)震前兆異常。煙臺臺伸縮儀EW分量固體潮變化形態(tài)與典型地震變化及異常形態(tài)相似,且出現(xiàn)在雙強(qiáng)震前,畸變應(yīng)變量為9.58×10-8,出現(xiàn)時間為震前2 d,并延續(xù)到震后一段時間,這些特征與泰安臺伸縮儀畸變類似。

綜上認(rèn)為,此次煙臺臺伸縮儀EW分量畸變不排除為土耳其遠(yuǎn)震的前兆異常變化,但在機(jī)理上仍需進(jìn)行深入研究。

5 結(jié) 語

1)經(jīng)核實,本次固體潮畸變期間無人為干擾、未調(diào)試儀器、場地環(huán)境未發(fā)生變化,儀器數(shù)據(jù)真實可靠。對于土耳其7.8級雙震,煙臺臺洞體應(yīng)變資料表現(xiàn)出很好的同震映震性能。

2)煙臺臺伸縮儀EW分量穩(wěn)定性指標(biāo)正常,畸變出現(xiàn)前后固體潮曲線清晰、光滑,畸變形態(tài)特征符合地殼應(yīng)力變化特征,認(rèn)為該畸變反映了地殼應(yīng)力的短時變化。

3)煙臺臺伸縮儀NS分量無短期同步畸變變化,同洞室其他測項也未見同步變化,可能與儀器自身響應(yīng)特性、地下介質(zhì)特性及儀器系統(tǒng)誤差等因素有關(guān)。

4)此次煙臺臺伸縮儀EW分量畸變不排除為土耳其遠(yuǎn)震的前兆異常,但其機(jī)理還需作進(jìn)一步探討。土耳其地震后,煙臺臺伸縮儀EW分量固體潮趨勢短暫回落后繼續(xù)維持上升趨勢,該趨勢是大震后的能量釋放還是儀器自身的漂移現(xiàn)象,也待進(jìn)一步觀察。

致謝：感謝陳時軍研究員的幫助!