丹东台数字潮汐形变DSQ水管仪同震响应分析

姚菲菲，梁永信，张维东

（丹东地震台，辽宁 丹东 118000）



丹东台数字潮汐形变DSQ水管仪同震响应分析

姚菲菲，梁永信，张维东

（丹东地震台，辽宁 丹东 118000）

摘要：通过对丹东台数字潮汐形变DSQ水管仪观测资料整理，提取典型震例的同震，分析研究其同震响应特征，探寻丹东台水管仪同震响应参数与地震三要素的关系，同时，对近年来地震产生的潮汐形变典型同震变化进行分析、对比，总结形变观测同震响应特征。

关键词：丹东台；数字形变；典型震例；同震效应

0 引言

地壳形变是与地震的孕育和发生过程直接有关的现象，地震是孕育和发生在岩石圈内的一种地球动力学过程及事件。应力在某些特定部位积累，使岩层变形，当超过岩石的强度时突然发生破裂，产生位错，释放能量，激发出地震波。一般说来，同震响应是强烈地震发生后地震波向外传播时发生的共振现象，由于地震引起地表变形才使水管倾斜仪记录曲线偏离震前位置，同震响应研究是揭示地壳介质对应力—应变过程响应最直接有效的手段之一，潮汐形变前兆观测的数字化和采样率的提高使得记录同震形变成为可能。

为研究台站数字形变观测的映震能力，和为地震预报提供准确可靠的信息，对台站记录到的地震进行编目整理分析。本文主要是对水管倾斜仪记录到的一些典型地震的倾斜波动相、同震变化与同震参数的相关性进行初步分析研究［1］，引用了焦明若博士《印尼8.7级地震对辽宁地区的影响》的一些观点。

1 丹东台数字形变观测概况

丹东地区处在天山至阴山巨型纬向改造体系的东延部份，与新华夏构造体系东亚大陆第二隆起带复合交接。2006年“十五”期间，丹东台在丹东市人防局备战山洞内并行安装了SS-Y型洞体应变仪和DSQ型水管倾斜仪。山洞洞室进深170m。台基岩性为黑云母斜长片麻岩，岩性致密稳定，但距鸭绿江断裂较近，裂隙较发育（图1）。2008年1月正式运行观测，两套仪器符合观测标准，工作稳定，仪器的基本情况见表1。

图1　丹东台数字形变仪器洞室平面图Fig.1 Digital deformation instrument cavity floor plan of Dandong Seismic Station

表1　数字形变仪器观测资料基本情况

2 典型同震响应记录情况

水管仪、伸缩仪自2008年正式运行起，运行状况良好，连续率、运行率、内精度均达到优秀标准，2009年和2010年对观测环境进行初步改造，同时对多种客观干扰因素分析排除，使得内在质量明显提升，在多年来的观测资料中其最明显直观的地壳形变是同震响应，对国内外大震产生的同震响应记录清晰明显，积累了大量的典型震例。震中距1000～2000km震级大于6.0级以上地震，震中距大于2000km震级大于7.0级以上地震均有较好的同震响应效果，特别是对于中国周边多震国家日本、印尼发生的6.5级以上地震，具有良好的同震效应。

3 丹东台水管仪同震响应实例

同震响应主要指地震发生后延迟数分钟到数十分钟内在台站观测到的显著波动和阶跃变化。本文通过丹东台DSQ水管仪记录到的一些不同方位、不同震级的典型震例来分析其异同点。图2～5依次为丹东台水管仪在智利、苏门答腊、尼泊尔和日本地震时的同震响应情况。表2为上述震例的同震响应特征和具体参数。

图2　丹东台水管仪观测到的3次智利地震同震形变图Fig.2 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure

图3　丹东台水管仪观测到的3次苏门答腊地震同震形变图Fig.3 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure in Sumatra

图4　丹东台水管仪观测到的3次尼泊尔地震同震形变图Fig.4 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure in Nepal

图5　丹东台水管仪观测到的3次日本本州地震同震形变图Fig.5 Pipe instrument of Dandong seismic station observed three earthquake coseismic deformation figure in Japan

表2　丹东台水管仪观测同震向应特征

4 丹东台水管仪同震响应特征分析

由表2可见，丹东台水管仪对不同地震存在不同的响应变化。响应变化基本上为波动型变化，初动方向有上有下，基本以向上为主，与方位没有明显关系，分析原因可能与采样率有关。DSQ水管仪采样单位为分钟值，不能完整的记录地震波震相，体现出的形变波初动方向不明显。各测向响应时间均滞后于地震发震时刻几分钟到几十分钟，形变响应持续时间的长度也不相同，有几分钟到几天不等，形变波最大振幅变化也不相同。这与地震波传播路径的介质、震级、震中距有关。

4.1 响应时间与震中距关系

同震形变的延迟时间反映了地震波在地层中的传播快慢，地震发生后，地震波在岩石中传播的时间与传播距离成正比。

对表1进行分析，分别提取智利、苏门答腊、尼泊尔、日本4组地震，每组由3个经纬度相同，震级不同的地震组成。智利距丹东台16100公里左右，延迟时间30分钟，得到传播速度约为536.7km/min；苏门答腊距丹东台4720公里，延迟时间13分钟，得到传播速度约为363.1km/min；尼泊尔距丹东台4300公里，延迟时间11分钟，得到传播速度约为390.9 km/min；日本距丹东台1610公里，延迟时间4分钟，得到传播速度约为402.5km/min，由此看出震中距越长响应时间越滞后。

4.2 同震位移最大振幅与震级及震中距的关系

由地震波传播理论可知，震级越大的地震能量越大，所产生的同震地形变量越大。以3次智利地震为例，2010年2月27日智利8.8级地震，最大振幅（单位10-3）为1145；2014年4月2日智利8.2级地震，最大振幅（单位10-3）为114；2014年4月3日智利7.9级地震，最大振幅（单位10-3）为67。相反，震中距越大，地震波传播中能量的几何扩散和衰减，产生同震地形变的量值也减小。以2010年4月7日苏门答腊7.9级地震与2014年4月3日智利7.9级地震相比较。震级相同，苏门答腊距丹东台4720km，最大振幅震级（单位10-3）为167，智利距丹东台16100km，最大振幅震级（单位10-3）为67。由此说明同震位移最大振幅与震级成正比，与震中距成反比。

4.3 同震形变持续时间与震级及震中距的关系

同震形变的振动持续时间与断层体受地震影响程度、地震自身能量和震中距远近有关。由表1中3次不同震级的智利地震和同为7.9级地震，震中距不同的智利与苏门答腊地震的持续时间相比较，得出震级越大同震形变持续时间越长，震中距越远同震形变持续时间越短。

5 DSQ水管仪同震形变波形与测震波形对比分析

图6　丹东台CTS-1型数字地震仪记录到的尼泊尔8.1级地震波形图Fig.6 CTS - 1 type digital seismograph in Dandong seismic station records to Nepal's 8.1 -magnitude earthquake wave

图7　丹东台水管仪NS向记录到尼泊尔8.1级地震同震形变波形Fig.7 NS pipe instrument in Dandong seismic station records to Nepal's 8.1 -magnitude earthquake waveform coseismic deformation

图6为同台同一洞室相距10m的CTS-1型数字地震仪记录到的发震时间为2015年4月25日14时11分26.0秒，震中距为4300km，震级8.1级的尼泊尔地震波震相。地震仪记录到的P波到时为14时18分15.9 秒，S波到时为 14 时24 分12.8 秒。图7中水管仪记录到的初相到时为14时26分，与图6中S波到时接近，说明倾斜波动的初相基本为体波，而最大相为面波，能够与地震波震相有明显对应的占三分之一左右。可见水管倾斜仪从广义上来说具有固定周期的垂直向单摆，所以水管倾斜仪也能记录到地震波波动，并且也和地震仪一样具有波动响应特性。地震波通过地震仪输出的往往是位移、速度和加速度等，而震时形变波则主要是倾斜、应力—应变的瞬间波动，其震时输出信号持续时间依据震中距离的远近而定，主要集中在几十秒到几小时范围内。由于采样的局限性，震时形变波目前仍较难展示P波和S波的初动，因而震时形变波反映的是远场面波的主要信息。尽管目前数字化形变观测不能像地震波那样完整展示关于地震震源的信息，但仍能反映地震传播过程中的一些主要特征［2］。

6 震后形变效应

震后形变效应是指与地震发生相关的一系列显著变形过程，包括震时同步出现的显著变形和震后几天诱发出现的显著变形。如丹东台水管仪EW向记录到的汶川8.0级地震引起的显著的同震倾斜变化，持续时间近3个月恢复（图 8）。又如丹东台水管仪EW向记录到的智利8.8级地震引起的震后效应（图9）。

图8　丹东台水管仪EW向记录汶川8.0地震震时震后倾斜出现的形变效应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

图9　丹东台水管仪EW向记录智利8.8地震震时震后倾斜出现的形变效应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 结论与讨论

丹东台数字形变经过多次较大地震的印证，能够很好的反映地壳的变化，通过对丹东台DSQ水管仪同震响应的分析可以看出，水管倾斜仪同震响应参数与地震的震级、震中距等因素有密切关系［3］。

（1）同震响应的响应时间与震中距成正比，震中距越大，同震响应的延迟时间越长。

（2）同震响应的同震位移最大振幅、同震形变持续时间与震级、震中距紧密相连，震级越大，同震形变的最大振幅越大，持续时间越长；震中距越远同震形变的最大振幅越小，持续时间越短。

在形变观测中对地震的反映形态有三种：震前趋势异常、同震响应变化、震后形变效应。丹东台水管仪观测记录主要以后两种为主，而具有地震短临预报意义的震前趋势异常目前还没有观测到，通过研究同震形变波响应特征有助于认识地震短期和短临前兆的动力学特征。因此，我们应该在观测资料的整理和典型同震响应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变化特征，从而为地震短临预报提供依据，这也是我们今后的努力方向。

参考文献：

［1］焦明若，王海燕，李芳，等.印尼8.7级地震对辽宁地区的影响［J］.东北地震研究.2005，21（4）.

［2］陈德福.聂磊液体静力水准仪及其应用［M］.北京：地震出版社，2008.

［3］荆燕，张世中，李宏，等.断层垂直形变对强远震的响应［J］.地震学报，2007，29（2）.

［4］李大伟，胡宝慧.鹤岗自形变仪器干扰讨论［J］.防灾减灾学报，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

中图分类号：P315

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.012

文章编号：1674-8565（2016）02-0072-06

收稿日期：2016-03-05

修订日期：2016-04-25

作者简介：姚菲菲（1981-），男，辽宁省丹东市人，毕业于沈阳理工大学，工程师，现主要从事地震监测与洞体形变观测工作。