日本9.0級地震震后體應變馳豫效應

孟建國張 玲盧雙苓李希亮馬 娟李惠玲韓 博

1）中國濟南250014山東省地震局

2）中國山東271000泰安基準地震臺

3）中國山東261000濰坊市地震局

日本9.0級地震震后體應變馳豫效應

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

1）中國濟南250014山東省地震局

2）中國山東271000泰安基準地震臺

3）中國山東261000濰坊市地震局

2011年3月l1日日本發生MW9.0強烈地震，泰安地震臺地震前兆體應變記錄到顯著震后異常，即震后弛豫效應，結合GPS數據，探討地殼應力新平衡狀態調整過程及地形變調整機理，為數據跟蹤分析提供地球物理事件識別及判定依據。

地球物理事件；鉆孔體應變；干擾

0 引言

2011年3月11日日本本州島東海岸發生MW9.0地震，震源位于仙臺海岸線東130 km處，深度24 km，屬于典型海洋俯沖型地震（低傾角、純逆沖），發震斷層向西緩傾角小于15。該地震發生在太平洋、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，兩者相對匯聚速率達8.3 cm/a（http：//earthquake.usgs.gov）。

諸多學者對此次MW9.0地震進行了大量研究，如：劉子維等（2011）通過對該地震前重力資料進行處理，發現我國沿海地震臺均出現喇叭口狀“重力異常擾動”現象，且擾動異常隨震中距增加呈衰減趨勢；王敏等（2011）研究了此次地震對中國的遠場影響；邵志剛等（2011）利用GPS資料反演了該地震同震位錯與近場形變特征；唐磊等（2013）結合日本區域地質構造、板塊運動，震源附近日本區域GPS站點同震位移及余震震源機制解，對該地震斷層分布和錯動方式進行了探討。泰安基準地震臺在此次地震發生后，體應變測項記錄到明顯震后弛豫效應，在此對該異常進行分析，為數據跟蹤分析提供地球物理事件識別及判定依據。

1 觀測背景

泰安基準地震臺（以下簡稱泰安臺）為國家基準地震臺，地處萊蕪弧形斷裂帶北側（臺址附近斷裂稱為泰山山前斷裂），臺基為太古代泰山群（Art）花崗片麻巖體，巖體完整，結構致密均勻。

泰安臺目前具有4個鉆孔，體應變儀和四分量應變儀并行觀測，TJ-Ⅱ體積式鉆孔應變儀，置深74 m，并配備水位探頭并行觀測，水位探頭埋深7 m，水下埋深4 m。泰安臺應變觀測多年，觀測環境干擾少，儀器運行比較穩定，觀測資料連續可靠。觀測儀器及鉆孔布設見圖1。

圖1　泰安臺觀測儀器及鉆孔布設Fig.1 The observation instruments and drilling of Taian Fiducial Seismic Station

2 震后弛豫效應

2.1 體應變異常

自2011年3月1日，泰安臺體應變觀測分鐘值固體潮曲線出現不同程度畸變，且頻次逐漸減少，表現為以壓性上升型臺階變化為主，偶有張性下降型臺階畸變。變化量一般為十幾至幾百個10-9量級，經過移動斜率解算，具有明顯畸變變量。3月11日日本MW9.0地震發生后，體應變固體潮曲線畸變明顯，3月15日變化量達46.3（量級10-9），具體形態見圖2。4月8日曲線呈壓性上升變化，畸變量達355.1×10-9，為異常發生以來記錄的最大畸變幅度，見圖3。

圖2　日本MW9.0地震后體應變階變（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日體應變畸變波形（a）預處理分值；（b）移動斜率分值Fig.3 The distortion of body strain observation data on April 4，2011

2.2 干擾排除

泰安臺附近居民鉆井抽水造成常年干擾，具有特定數據干擾形態，與此次異常形態不同。對于出現的該畸變，經與抽水情況對比，且與抽水時間不符，畸變特征也明顯不同，故排除該干擾的可能。后對比當時的水位及氣壓輔助，也未出現環境變化帶來的影響效應。

2.3 應變分析

2.3.1 數據統計。對于此次日本MW9.0地震后9個月泰安臺體應變觀測數據，統計每天階變次數及階變量發現，地震后出現體應變階變，且震后2個月內頻度及幅度均較大，隨后逐漸減少。在此給出2011年3月12日—4月16日階變幅度統計結果，見表1。

2.3.2 潮汐因子內精度。通過按日期對階變幅度的統計，雖然能直觀看出這種現象的存在，但對于其在觀測質量上的影響，還不是很詳細。這就需要對體應變近一年的觀測精度進行解算對比。體應變觀測以M2波潮汐因子相對誤差α為內精度技術指標，計算公式為

式中，S為M2波中誤差，Rα為M2波潮汐因子。經計算，繪制2011年泰安臺體應潮汐因子相對誤差，見圖4。與圖2、圖3進行對比，證明階躍導致儀器記錄精度下降。由圖4可見，3月起泰安臺體應變精度明顯下降，其中3月—4月變化明顯，隨后逐漸恢復，與前述統計結果相符。

2.4異常落實

日本MW9.0地震發生前幾天泰安臺體應變出現畸變現象，明顯頻次變化持續至發震后近60天，后逐漸消失。巨大地震后出現的非明確原因的畸變現象，在鉆孔觀測中多次出現。為此，唐磊等（2013）就該畸變現象與日本9.0級地震進行關聯性研究，認為與地震前后大地應變場調整有關。對泰安臺體應變觀測資料進行研究，排除干擾，初步認定此畸變為典型的震后弛豫效應。

2.5 震后弛豫效應檢驗

調取陸態網泰安站觀測資料（殷海濤等，2011；朱成林等，2014），對2001—2014年連續觀測資料進行解算分析，發現日本MW9.0地震發生后，泰安所處板塊同震位移場多個方向發生明顯變化。

通過TAIN—TSKB站點資料的解算對比，發現除此次日本9.0級地震造成明顯同震位移場外，震后3個月內，在East、Heigth及Length等3個運動場上均出現100—270 mm的恢復變量，見圖5。該現象在其他地震事件較為少見，充分說明，此次日本9.0級地震的發生，使泰安所在板塊產生明顯同震位移，地震后該板塊出現較大位移場的漸變恢復。而此位移場漸變過程必然使當地地應力結構發生趨勢性改變，與震后泰安臺體應變出現的震后弛豫效應相吻合。因此，明確把此次畸變定位為日本9.0級地震前后應變場遠場反應，即震后弛豫效應。

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

圖5　TAIN-TSKB站點資料解算對比Fig.5 The comparison chart of the site data solution from TAIN-TSKB

3 現象機理及跟蹤分析

3.1 震后弛豫效應機理

李杰等（2003）、蘇愷之等（2005）認為：地殼巖石應力是變化的，主要表現為應變波動和應變階躍，其中：應變波動為應力周期性變化所致；應變階躍指應力短期變化形成的應變臺階式變化，分正應變階躍和負應變階躍。

地震是指地殼巖石在地應力作用下應變能量積累導致巖石突然破裂的過程。地震孕育模式為“形變（或應力）逐漸積累—達到一定極限—巖石破裂（地震發生）—變形（應力）基本恢復原值”。很多研究（唐磊等，2011；季愛東等，2014）表明，地震前兆孕育是復雜的非彈性過程，在地下能量釋放前，必然存在地殼能量的儲存積累、運移調整及受到觸發等過程。這種以機械能量釋放的力學過程，伴隨著地下物質的變形和運移，地下流體的變化，導致電場、磁場、熱場等地球物理場的變化。值得注意的是，很多巨大地震之后，存在地殼能量的存儲積累、運移調整過程，是機械能量為達到地應力平衡而做的調整。地殼發生各種形變，尤其是震后新的地應力平衡狀態建立，使地殼巖石應力發生調整，形成震后應變階躍。

3.2 跟蹤分析

巨大地震發生后，震中距不是太遠，鉆孔應變儀可能會記錄到震后弛豫效應現象，并不多見，相關研究較少，只在進行震后應力調整研究時有所涉及。震后弛豫效應即使出現，在鉆孔應變監測中也往往不好識別，主要體現在：①震后弛豫效出現在巨大地震發生后的某天，如無當天自然環境、人為干擾、觀測系統及地球物理事件等相關信息，難以界定為干擾或異常；②震后弛豫效應表現為相對趨勢變化，容易誤判為地震前兆異常，或者不明原因事件干擾，甚至觀測系統自身不穩定；③震后弛豫效應目前無科學依據進行支撐，是難以辨別的根本原因。

震后體應變畸變現象往往出現在巨大地震發生后，并呈現頻次逐漸衰減現象，排除相關干擾后可初步判定為震后弛豫效應。鑒于并非所有巨大地震后均會出現震后弛豫效應，地震形變觀測中出現類似現象時，不能立刻進行震后弛豫效應定位，應在一定時段內進行觀察，確定排除各種可能干擾及地震前兆異常，對比GPS數據，并通過大陸構造運動形勢進行綜合判別，才能在事后總結為震后弛豫效應。

4 結論

綜上所述，認為2011年日本MW9.0地震后泰安臺地震前兆體應變顯著異常為震后弛豫效應。其作用機理為：巨大地震的發生，使得地殼巖石在地應力作用下應變能量積累導致巖石突然破裂的能量釋放。地震后存在地殼能量的存儲積累、運移調整過程，并伴隨地下物質的變形和運移，地殼的各種形變，尤其是震后新的地應力平衡狀態建立，使地殼巖石應力發生調整，形成震后應變階躍。

針對地震前兆觀測中的地球物理事件，尤其特殊事件的跟蹤分析，是一項綜合性的數據分析，較為復雜、困難，需要對地震前兆觀測各種事件不斷總結規律，豐富判別經驗，詳細了解跨學科的研究成果進行對比確證，方能進行準確判別。

季愛東，穆娟，張芹，曲均浩，鄭建常.山東及附近海域構造環境剪應力場分析［J］.地震地磁觀測與研究，2014（Z1）：10-14.

李杰，劉敏，鄒鐘毅，等.數字化鉆孔體應變干擾機理及異常分析［J］.地震研究，2003，26（3）：230-238.

李杰，鄒鐘毅，閆德橋，等.TJ-Ⅱ型鉆孔體應變儀數字化觀測資料分析［J］.大地形變測量與地球動力學，2002，22（3）：69-74.

劉子維，韋進，郝洪濤，等.日本MS9.0地震前的重力高頻擾動［J］.大地測量與地球動力學，2011，31（2）：4-8.

邵志剛，武艷強，江在森，等.基于GPS觀測分析日本9.0級地震同震位錯與近場形變特征［J］.地球物理學報，2011，54（9）：2 243-2 249.

蘇愷之，張鈞，李秀環，馬相波，李海亮，馬京杰.鉆孔環境在鉆孔地形變觀測中的作用［J］.地震地磁觀測與研究，2005，26（6）：46-55.

唐磊，荊燕.川滇地區鉆孔四分量應變儀記錄的同震應變階分析［J］.震災防御技術，2013，8（4）：370-376.

唐磊，蘇愷之，等.日本9.0級地震引起的應變階分析［J］.地震地磁觀測與研究，2011，32（6）：13-16.

王敏，李強，王凡，等.全球定位系統測定的2011年日本宮城MW9.0地震遠場同震位移［J］.科學通報，2011，56（20）：1 593-1 596.

殷海濤，王強，朱成林，等.山東及周邊地塊間近期運動狀態分析［J］.大地測量與地球動力學，2011，31（4）：16-27.

朱成林，賈媛，殷海濤，等.日本9.0級地震后山東及周邊地區地殼運動狀態分析［J］.地震研究，2014，37（2）：192-196.

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

中國地震局三結合項目（151502）及山東省地震局合同制項目（15Y74）共同資助