日本9.0级地震震后体应变驰豫效应

孟建国张 玲卢双苓李希亮马 娟李惠玲韩 博

1）中国济南250014山东省地震局

2）中国山东271000泰安基准地震台

3）中国山东261000潍坊市地震局

日本9.0级地震震后体应变驰豫效应

孟建国1），2）张 玲1）卢双苓2）李希亮1）马 娟3）李惠玲2）韩 博3）

1）中国济南250014山东省地震局

2）中国山东271000泰安基准地震台

3）中国山东261000潍坊市地震局

2011年3月l1日日本发生MW9.0强烈地震，泰安地震台地震前兆体应变记录到显著震后异常，即震后弛豫效应，结合GPS数据，探讨地壳应力新平衡状态调整过程及地形变调整机理，为数据跟踪分析提供地球物理事件识别及判定依据。

地球物理事件；钻孔体应变；干扰

0 引言

2011年3月11日日本本州岛东海岸发生MW9.0地震，震源位于仙台海岸线东130 km处，深度24 km，属于典型海洋俯冲型地震（低倾角、纯逆冲），发震断层向西缓倾角小于15。该地震发生在太平洋、菲律宾、欧亚和北美板块交汇处的日本海沟，太平洋板块向西西北方向俯冲到北美板块下部，两者相对汇聚速率达8.3 cm/a（http：//earthquake.usgs.gov）。

诸多学者对此次MW9.0地震进行了大量研究，如：刘子维等（2011）通过对该地震前重力资料进行处理，发现我国沿海地震台均出现喇叭口状“重力异常扰动”现象，且扰动异常随震中距增加呈衰减趋势；王敏等（2011）研究了此次地震对中国的远场影响；邵志刚等（2011）利用GPS资料反演了该地震同震位错与近场形变特征；唐磊等（2013）结合日本区域地质构造、板块运动，震源附近日本区域GPS站点同震位移及余震震源机制解，对该地震断层分布和错动方式进行了探讨。泰安基准地震台在此次地震发生后，体应变测项记录到明显震后弛豫效应，在此对该异常进行分析，为数据跟踪分析提供地球物理事件识别及判定依据。

1 观测背景

泰安基准地震台（以下简称泰安台）为国家基准地震台，地处莱芜弧形断裂带北侧（台址附近断裂称为泰山山前断裂），台基为太古代泰山群（Art）花岗片麻岩体，岩体完整，结构致密均匀。

泰安台目前具有4个钻孔，体应变仪和四分量应变仪并行观测，TJ-Ⅱ体积式钻孔应变仪，置深74 m，并配备水位探头并行观测，水位探头埋深7 m，水下埋深4 m。泰安台应变观测多年，观测环境干扰少，仪器运行比较稳定，观测资料连续可靠。观测仪器及钻孔布设见图1。

图1　泰安台观测仪器及钻孔布设Fig.1 The observation instruments and drilling of Taian Fiducial Seismic Station

2 震后弛豫效应

2.1 体应变异常

自2011年3月1日，泰安台体应变观测分钟值固体潮曲线出现不同程度畸变，且频次逐渐减少，表现为以压性上升型台阶变化为主，偶有张性下降型台阶畸变。变化量一般为十几至几百个10-9量级，经过移动斜率解算，具有明显畸变变量。3月11日日本MW9.0地震发生后，体应变固体潮曲线畸变明显，3月15日变化量达46.3（量级10-9），具体形态见图2。4月8日曲线呈压性上升变化，畸变量达355.1×10-9，为异常发生以来记录的最大畸变幅度，见图3。

图2　日本MW9.0地震后体应变阶变（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

图3　2011年4月8日体应变畸变波形（a）预处理分值；（b）移动斜率分值Fig.3 The distortion of body strain observation data on April 4，2011

2.2 干扰排除

泰安台附近居民钻井抽水造成常年干扰，具有特定数据干扰形态，与此次异常形态不同。对于出现的该畸变，经与抽水情况对比，且与抽水时间不符，畸变特征也明显不同，故排除该干扰的可能。后对比当时的水位及气压辅助，也未出现环境变化带来的影响效应。

2.3 应变分析

2.3.1 数据统计。对于此次日本MW9.0地震后9个月泰安台体应变观测数据，统计每天阶变次数及阶变量发现，地震后出现体应变阶变，且震后2个月内频度及幅度均较大，随后逐渐减少。在此给出2011年3月12日—4月16日阶变幅度统计结果，见表1。

2.3.2 潮汐因子内精度。通过按日期对阶变幅度的统计，虽然能直观看出这种现象的存在，但对于其在观测质量上的影响，还不是很详细。这就需要对体应变近一年的观测精度进行解算对比。体应变观测以M2波潮汐因子相对误差α为内精度技术指标，计算公式为

式中，S为M2波中误差，Rα为M2波潮汐因子。经计算，绘制2011年泰安台体应潮汐因子相对误差，见图4。与图2、图3进行对比，证明阶跃导致仪器记录精度下降。由图4可见，3月起泰安台体应变精度明显下降，其中3月—4月变化明显，随后逐渐恢复，与前述统计结果相符。

2.4异常落实

日本MW9.0地震发生前几天泰安台体应变出现畸变现象，明显频次变化持续至发震后近60天，后逐渐消失。巨大地震后出现的非明确原因的畸变现象，在钻孔观测中多次出现。为此，唐磊等（2013）就该畸变现象与日本9.0级地震进行关联性研究，认为与地震前后大地应变场调整有关。对泰安台体应变观测资料进行研究，排除干扰，初步认定此畸变为典型的震后弛豫效应。

2.5 震后弛豫效应检验

调取陆态网泰安站观测资料（殷海涛等，2011；朱成林等，2014），对2001—2014年连续观测资料进行解算分析，发现日本MW9.0地震发生后，泰安所处板块同震位移场多个方向发生明显变化。

通过TAIN—TSKB站点资料的解算对比，发现除此次日本9.0级地震造成明显同震位移场外，震后3个月内，在East、Heigth及Length等3个运动场上均出现100—270 mm的恢复变量，见图5。该现象在其他地震事件较为少见，充分说明，此次日本9.0级地震的发生，使泰安所在板块产生明显同震位移，地震后该板块出现较大位移场的渐变恢复。而此位移场渐变过程必然使当地地应力结构发生趋势性改变，与震后泰安台体应变出现的震后弛豫效应相吻合。因此，明确把此次畸变定位为日本9.0级地震前后应变场远场反应，即震后弛豫效应。

图4　泰安体应变2011年潮汐因子内精度值曲线Fig.4 Accuracy curve of tidal factor for volumetric strain gauge at Tai′an in 2011

图5　TAIN-TSKB站点资料解算对比Fig.5 The comparison chart of the site data solution from TAIN-TSKB

3 现象机理及跟踪分析

3.1 震后弛豫效应机理

李杰等（2003）、苏恺之等（2005）认为：地壳岩石应力是变化的，主要表现为应变波动和应变阶跃，其中：应变波动为应力周期性变化所致；应变阶跃指应力短期变化形成的应变台阶式变化，分正应变阶跃和负应变阶跃。

地震是指地壳岩石在地应力作用下应变能量积累导致岩石突然破裂的过程。地震孕育模式为“形变（或应力）逐渐积累—达到一定极限—岩石破裂（地震发生）—变形（应力）基本恢复原值”。很多研究（唐磊等，2011；季爱东等，2014）表明，地震前兆孕育是复杂的非弹性过程，在地下能量释放前，必然存在地壳能量的储存积累、运移调整及受到触发等过程。这种以机械能量释放的力学过程，伴随着地下物质的变形和运移，地下流体的变化，导致电场、磁场、热场等地球物理场的变化。值得注意的是，很多巨大地震之后，存在地壳能量的存储积累、运移调整过程，是机械能量为达到地应力平衡而做的调整。地壳发生各种形变，尤其是震后新的地应力平衡状态建立，使地壳岩石应力发生调整，形成震后应变阶跃。

3.2 跟踪分析

巨大地震发生后，震中距不是太远，钻孔应变仪可能会记录到震后弛豫效应现象，并不多见，相关研究较少，只在进行震后应力调整研究时有所涉及。震后弛豫效应即使出现，在钻孔应变监测中也往往不好识别，主要体现在：①震后弛豫效出现在巨大地震发生后的某天，如无当天自然环境、人为干扰、观测系统及地球物理事件等相关信息，难以界定为干扰或异常；②震后弛豫效应表现为相对趋势变化，容易误判为地震前兆异常，或者不明原因事件干扰，甚至观测系统自身不稳定；③震后弛豫效应目前无科学依据进行支撑，是难以辨别的根本原因。

震后体应变畸变现象往往出现在巨大地震发生后，并呈现频次逐渐衰减现象，排除相关干扰后可初步判定为震后弛豫效应。鉴于并非所有巨大地震后均会出现震后弛豫效应，地震形变观测中出现类似现象时，不能立刻进行震后弛豫效应定位，应在一定时段内进行观察，确定排除各种可能干扰及地震前兆异常，对比GPS数据，并通过大陆构造运动形势进行综合判别，才能在事后总结为震后弛豫效应。

4 结论

综上所述，认为2011年日本MW9.0地震后泰安台地震前兆体应变显著异常为震后弛豫效应。其作用机理为：巨大地震的发生，使得地壳岩石在地应力作用下应变能量积累导致岩石突然破裂的能量释放。地震后存在地壳能量的存储积累、运移调整过程，并伴随地下物质的变形和运移，地壳的各种形变，尤其是震后新的地应力平衡状态建立，使地壳岩石应力发生调整，形成震后应变阶跃。

针对地震前兆观测中的地球物理事件，尤其特殊事件的跟踪分析，是一项综合性的数据分析，较为复杂、困难，需要对地震前兆观测各种事件不断总结规律，丰富判别经验，详细了解跨学科的研究成果进行对比确证，方能进行准确判别。

季爱东，穆娟，张芹，曲均浩，郑建常.山东及附近海域构造环境剪应力场分析［J］.地震地磁观测与研究，2014（Z1）：10-14.

李杰，刘敏，邹钟毅，等.数字化钻孔体应变干扰机理及异常分析［J］.地震研究，2003，26（3）：230-238.

李杰，邹钟毅，闫德桥，等.TJ-Ⅱ型钻孔体应变仪数字化观测资料分析［J］.大地形变测量与地球动力学，2002，22（3）：69-74.

刘子维，韦进，郝洪涛，等.日本MS9.0地震前的重力高频扰动［J］.大地测量与地球动力学，2011，31（2）：4-8.

邵志刚，武艳强，江在森，等.基于GPS观测分析日本9.0级地震同震位错与近场形变特征［J］.地球物理学报，2011，54（9）：2 243-2 249.

苏恺之，张钧，李秀环，马相波，李海亮，马京杰.钻孔环境在钻孔地形变观测中的作用［J］.地震地磁观测与研究，2005，26（6）：46-55.

唐磊，荆燕.川滇地区钻孔四分量应变仪记录的同震应变阶分析［J］.震灾防御技术，2013，8（4）：370-376.

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王敏，李强，王凡，等.全球定位系统测定的2011年日本宫城MW9.0地震远场同震位移［J］.科学通报，2011，56（20）：1 593-1 596.

殷海涛，王强，朱成林，等.山东及周边地块间近期运动状态分析［J］.大地测量与地球动力学，2011，31（4）：16-27.

朱成林，贾媛，殷海涛，等.日本9.0级地震后山东及周边地区地壳运动状态分析［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

孟建国（1986—），男，硕士，工程师，从事形变观测分析与地震会商工作。E-mail：meng8611@163.com

中国地震局三结合项目（151502）及山东省地震局合同制项目（15Y74）共同资助