2023年土耳其7.8级强震前烟台台伸缩仪EW分量固体潮畸变

郝军丽 朱成林 张正帅 赵 洋 王合乾,2

1 山东省地震局,济南市文化东路20号,250014 2 烟台地震监测中心站,山东省烟台市南山沟17号,264000

北京时间2023-02-06 09:17土耳其中南部地区(37.03°E,37.17°N)发生7.8级强震,当天18:24再次发生7.8级强震(37.20°E,38.02°N),2次地震震源深度均较浅,断层破裂位于地表以下0～20 km。

烟台地震监测中心站(简称烟台台)伸缩仪EW分量在土耳其地震前后出现趋势转折变化,本文对该固体潮畸变进行分析,初步探讨其与土耳其强震的关系。

1 台站及仪器概况

烟台市位于山东省东部的胶东半岛区域,地处华北地震区东南部,地质构造复杂。中国东部规模最大的郯庐断裂带纵贯半岛西部,渤海-蓬莱-威海断裂带穿越渤海直达胶东半岛北部,并与郯庐断裂带在渤海中部交会,胶东半岛以南海域存在南黄海断陷盆地。半岛内陆还分布着其他许多规模不等、方向不一的次级活动断裂。距台站10 km远处有2条中等规模的活动断裂:NE向桃村断裂和NW向蓬莱-威海断裂。

烟台台位于烟台市南山公园东侧(121°23′E,37°31′N),地处丘陵缓坡园林区,海拔高度45 m,离海约2 200 m,观测环境良好。台基以云母角闪片岩为主,山洞覆盖植被较好,高程约54 m,洞深分别长约30.60 m和22.60 m,室温年变幅约为0.2 ℃。常年地下水位埋深为14～17 m。洞内布设水管倾斜仪、水平摆倾斜仪、垂直摆倾斜仪、SS-Y伸缩仪、钻孔应变观测、相对重力观测及各种辅助观测,共计21个分量。

烟台台SS-Y伸缩仪NS分量基线长21.21 m,EW分量基线长28.73 m,仪器布设方位角分别为14°及104°。2017年以来仪器运行基本正常,数据质量较好,观测精度较高。

2 EW分量同震响应特征

2023-02-06 09:17土耳其发生7.8级地震,烟台台伸缩仪EW分量同震形变波初动时刻为09:36,与09:28的6.7级地震重叠,延续时间为236 min,变化形态为振荡型,同震波形初动性质为张性,最大变化幅度为3.37×10-8。18:24土耳其再次发生7.8级地震,烟台台伸缩仪EW分量同震形变波动初动时刻为18:35,延续时间为78 min,变化形态为振荡型,同震波形初动性质为张性,最大变化幅度为2.61×10-8(图1)。

图1 烟台台伸缩仪EW分量记录的土耳其地震同震波形Fig.1 Co-seismic waveform of tensometer of EW component at Yantai station

3 强震前后EW分量固体潮畸变

3.1 固体潮畸变特征

3.1.1 地震前后固体潮短期畸变特征

烟台台伸缩仪EW分量2023-02-04开始出现急速上升趋势变化,至02-06 01:00达到峰值,之后开始下降,最大变化幅度达到9.58×10-8。2023-02-06 09:17、18:24土耳其分别发生2次7.8级地震,与烟台台震中距分别为7 182 km和7 122 km,震源深度20 km。震后固体潮趋势短暂回落后仍处于上升趋势,但速率较震前变缓。图2为2023-02-01～10烟台台伸缩仪观测值、EW向理论值、水位分钟值和气压分钟值曲线。

图2 烟台台伸缩仪观测值、EW向理论值、水位分钟值和气压分钟值曲线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 烟台及山东形变观测仪器固体潮曲线长短期趋势变化

烟台台伸缩仪固体潮EW分量出现短期趋势畸变的同时,其他观测手段未出现同步变化。图3为烟台台伸缩仪及水管仪长期观测曲线。可以看出,2022-10开始伸缩仪EW、NS分量及水管仪NS分量出现向上趋势变化,水管仪EW分量2022-10出现向下趋势变化。表1为趋势变化出现前后干扰因素统计,主要有连续降雨和调零校准等因素。其中,短期连续降雨仅能影响短期趋势变化,而调零校准有可能改变观测曲线趋势变化。基于这些干扰因素的存在,需对2022-10以来烟台台形变观测的趋势转折原因作进一步分析。

表1 2022-09～12干扰因素统计

图3 烟台台伸缩仪和水管仪观测曲线 Fig.3 Observation curve of tensometer and water-tube tiltmeter at Yantai station

山东地区有13个形变台站,包含37套形变仪器,共177个测项,其中拥有洞体应变观测手段的有4个台站(泰安、郯城、烟台、嘉祥)。梳理山东形变观测固体潮长短期趋势变化,发现除烟台台伸缩仪NS分量、水管仪两分量(图3)及荣成钻孔倾斜仪EW分量(图4)外,未发现有同时段长短期趋势变化。

图4 荣成台钻孔倾斜仪观测值、水位分钟值和气压分钟值曲线Fig.4 Observation value of drilling inclinometer and minute value curve of water level and air pressure at Rongcheng station

3.1.3 荣成台钻孔倾斜仪畸变

山东荣成地震台钻孔倾斜仪EW分量自2023-01-08～02-06土耳其大震之前固体潮曲线出现上升趋势变化,震后02-07趋势恢复正常(图4)。荣成台与烟台台同属于胶东半岛,且都与土耳其震中处于同一纬度。对荣成台进行现场核实排查,排除了固体潮畸变期间仪器调试、台站周边建筑施工以及降雨等环境变化和人为干扰等影响,但由于荣成钻孔倾斜仪自身稳定性较差,难以判定其EW分量畸变原因。

3.2 仪器稳定性

从M2波潮汐因子相对中误差、仪器年零漂、数据完整率等方面对烟台台伸缩仪EW分量进行仪器稳定性分析(表2、3)。

表2 伸缩仪EW向M2波潮汐因子相对中误差

由表2可以看出,伸缩仪EW分量M2波潮汐因子相对中误差<0.02,精度较高。表3中2020～2022年伸缩仪EW向年零漂均小于10-6,符合伸缩仪稳定性设计指标。对伸缩仪运行情况进行统计后发现,2020～2022年缺记率分别为0.241%、0.227 5%、0.000 2%,运行率、完整率均在99.5%以上。从图1伸缩仪EW向固体潮分钟值看出,地震前后固体潮曲线光滑、清晰。

表3 伸缩仪EW向年零漂

综上,烟台台SS-Y伸缩仪EW分量运行情况良好,观测质量较高。

3.3 场地环境及气象因素

图5(a)为烟台台伸缩仪EW分量和洞室温度日均值长期曲线。可以看出,伸缩仪所在洞室温度常年稳定在14 ℃左右,室温年变化约为0.2 ℃,2023-02-01～10趋势变化前后洞温日变化小于0.01 ℃,2项指标均符合仪器安装洞室温度年变小于0.5 ℃、日变小于0.03 ℃的要求。

图5 伸缩仪EW分量与洞温、降雨、气压观测曲线Fig.5 Observation curve of EW component oftensometer, hole temperature, rainfall and air pressure

图5(b)为烟台台伸缩仪EW分量与辅助观测降雨及气压的整点值曲线。EW分量趋势变化会受到连续降雨及气压变化影响,如2022-09-12台风“梅花”导致2022-09-14～16持续降雨,降雨累积量为218 mm,造成形变观测出现滞后1～2 d的趋势变化;2022-10-02、04降雨后再次出现滞后2 d的趋势变化,降雨累积量为111 mm。2023-01以来无台风事件,1月降雨累积量仅17 mm,且2023-02-01～10伸缩仪趋势变化前后未有降雨或大风,在固体潮出现畸变的同一时段内辅助观测气压曲线未出现同步变化。

经过现场核实,畸变出现前后台站周围环境无明显短期变化,观测环境基本一致,且未曾对仪器进行过调试校准等人为操作。

综上,可以排除温度、短期气象因素及人为干扰对此次伸缩仪EW分量的干扰。

3.4 地震活动

2023-02全球共发生12次6级以上地震,3次7级以上地震。7级以上地震分别为02-06土耳其2次7.8级和02-23塔吉克斯坦7.2级地震。从时间上看,02-06土耳其双震型震群发生在烟台台伸缩仪EW分量趋势变化之后2 d,土耳其地震属于双震型巨震,而塔吉克斯坦7.2级地震震级相对较小,其他地震均小于6.3级,且畸变时间对应上不如土耳其地震。

2023-02全国范围内发生5次4级以上地震,4次发生在新疆、青海等西部地区,且震级较小,与烟台台趋势变化的幅度不对应。山东内陆未发生3级以上地震,可以排除近震影响。

4 讨 论

土耳其7.8级双震震中位于地中海-喜马拉雅地震带和安纳托利亚板块、阿拉伯板块及非洲板块缝合带,与烟台台同在37°N附近。烟台台位于胶东半岛、欧亚板块东缘,受太平洋板块俯冲作用影响。此次土耳其地震,烟台台除伸缩仪EW分量出现震前畸变外,其他测项仪器均未出现短期同步变化。经现场排查,烟台台附近场地环境无变化,固体潮变化清晰可见,仪器稳定性较好,未见支持此次畸变原因的干扰源。

在岩石破坏实验中发现,临近主大破裂时会出现应变扰动,说明在长趋势形变变化背景上还有突升、突降或类似于波的应变扰动[1]。地壳是一个开放的动力系统,地震是在此系统中孕育发生的一种局部破裂现象。与有限尺度岩石破裂过程显著不同,地壳岩石圈近乎为半无限开放空间,无明确的应力边界。因此,地震前兆现象未必仅分布在孕震震源区附近,地震前兆现象,尤其是形变前兆分布的空间范围往往具有广泛性、复杂性。国内外震例表明,地震前在近震源区往往观测不到地形变异常现象,仅存在极少明确的观测异常;而在远离震源区域,往往可观测到相对较多的异常。连续形变观测等的短临突变性信息可能不是直接来自于震源,而是源于壳幔边界或软流圈内长周期应变波的迁移,这种迁移对地震的发生具有一定的触发或促进作用。2023-02-06土耳其7.8级双震至今,我国大陆地区小震活动有一波显著增强现象,而部分台站的某些高精度形变观测手段抓取到了相应的变形信息[2-5]。

王梅等[6]分析发现,2003年及2004年日本7级以上地震前,泰安地震台伸缩仪EW分量出现固体潮畸变,应变量分别达到3×10-8和6.3×10-8,且其他测项无同步变化的情况。该畸变形态、持续时间与前驱波不同,且变化量级达到10-8,比前驱波应变量级10-9稍大,波形特征不显著,更类似于静地震[7-8]的远震前兆异常。烟台台伸缩仪EW分量固体潮变化形态与典型地震变化及异常形态相似,且出现在双强震前,畸变应变量为9.58×10-8,出现时间为震前2 d,并延续到震后一段时间,这些特征与泰安台伸缩仪畸变类似。

综上认为,此次烟台台伸缩仪EW分量畸变不排除为土耳其远震的前兆异常变化,但在机理上仍需进行深入研究。

5 结 语

1)经核实,本次固体潮畸变期间无人为干扰、未调试仪器、场地环境未发生变化,仪器数据真实可靠。对于土耳其7.8级双震,烟台台洞体应变资料表现出很好的同震映震性能。

2)烟台台伸缩仪EW分量稳定性指标正常,畸变出现前后固体潮曲线清晰、光滑,畸变形态特征符合地壳应力变化特征,认为该畸变反映了地壳应力的短时变化。

3)烟台台伸缩仪NS分量无短期同步畸变变化,同洞室其他测项也未见同步变化,可能与仪器自身响应特性、地下介质特性及仪器系统误差等因素有关。

4)此次烟台台伸缩仪EW分量畸变不排除为土耳其远震的前兆异常,但其机理还需作进一步探讨。土耳其地震后,烟台台伸缩仪EW分量固体潮趋势短暂回落后继续维持上升趋势,该趋势是大震后的能量释放还是仪器自身的漂移现象,也待进一步观察。

致谢：感谢陈时军研究员的帮助!