玛多MS7.4地震十堰形变仪器同震响应分析①

张 波, 吕品姬, 罗俊秋

(1.十堰市地震台，湖北 十堰 442000；2.湖北地震台，湖北 武汉 430071)

同震效应研究是揭示地壳介质对应力—应变过程响应最直接和最有效的手段之一，对重大地震的同震响应研究是地震基础理论研究的重要组成部分[1]。一次大的地震伴随着巨大的能量释放，以应力—应变的传递形式表现[2]。在较远的震中距范围内，观测仪器都能记录到同震阶跃或同震形变。同震效应包括同震阶跃、同震脉冲和震后振荡[3]，专家学者对形变同震响应进行了专门的研究[4-5]。在地震发生时，由于地震引起地表变形使定点固体潮观测仪器的记录曲线偏离震前正常值区间，震时形变波反映的是远场面波的主要信息，其震时输出信号持续时间和幅度与震中距、震级大小密切相关[6-10]。对大地震发生时形变观测仪器的同震响应情况进行整理和对比分析，有助于认识地震短期和短临前兆的动力学特征[11-15]。本文中通过整理收集十堰市地震台柳林沟形变观测点DSQ水管倾斜仪、SS-Y伸缩仪和DZW重力仪观测数据，对2021年5月22日青海玛多地震发生前后时段各观测仪器记录曲线变化情况进行分析，测算数据变化量，总结同震响应形态特征，验证测点各观测手段记录质量和数据有效性，为开展地震趋势研判和地球物理形变动力学研究提供参考。

1 基本情况

1.1 地震基本参数

2021年5月22日02时04分青海果洛州玛多县(98.34°E，34.59°N)发生MS7.4地震，震源深度17 km，震中距湖北省界1 060 km，距十堰市柳林沟观测点1 172 km。据十堰市牛头山地震台测震记录(图1)，此次地震初至纵波到达时间为02时06分45秒，仿真短周期面波振幅分别为NS向89.62 μm、EW向60.95 μm、UD向75.61 μm，仿真中长周期面波振幅分别为NS向755.62 μm、EW向431.66 μm、UD向489.16 μm。

图1 青海玛多MS7.4地震十堰台测震记录波形

青海玛多MS7.4地震为典型的左旋走滑型地震事件，局部伴随正断分量，发震断层为巴颜喀拉地块北侧东昆仑断裂带东段的一条分支(玛多—甘德断裂)。此次地震形成的地表破裂近NWW-SEE向延伸，破裂范围长约70 km，分为东、中、西3段。该次地震是在印度、欧亚板块碰撞挤压的背景下，巴颜喀拉活动地块向东运动的结果。

1.2 柳林沟观测点基本情况

十堰市数字地震台是“湖北省地震应急快速反应系统建设”项目平台的重要节点，观测点位于湖北省十堰市茅箭区柳林沟一处人防战备山洞内，于2006年建设完成。柳林沟形变观测点选取人防山洞中部两段近乎垂直的洞体做为主观测区，这部分山洞已采用混凝土被覆，具备较好的安全性和稳定性。海拔高度275 m，洞室长1 432.9 m，面积4 685 m2，已被覆1 916.1 m2，尚未覆盖的毛洞2 768.9 m2，洞体设计高3 m，宽2.5 m，洞内温度常年保持在15.8 ℃左右，年变化±0.3 ℃(图2)。洞壁岩石祼露，无透气孔，基岩质地坚硬，岩性为中远古代武当群中浅变质片岩，洞顶到山顶覆盖层厚度30 m，坡体植被茂盛，未发生滑坡坍塌等地质灾害。

图2 十堰市柳林沟形变观测山洞平面布局图

柳林沟形变观测点2007年安装武汉地震科学仪器研究院生产的DSQ水管倾斜仪和SS-Y铟瓦棒伸缩仪各一套，DSQ水管倾斜仪用于测量台基间垂直倾斜变化，EW分量基线长度25 m，NS分量基线长42.93 m，SS-Y铟瓦棒伸缩仪用于测量两点间水平距离相对变化，其EW分量基线长24.9 m，NS分量基线长25.45 m。由于柳林沟观测山洞具备进行地壳形变观测的良好基础条件，于2012年5月将原牛头山观测站DZW高精度微伽重力仪迁移至柳林沟测点，进一步完善了固体潮和地震前兆观测系统。柳林沟测点各观测仪器观测连续率常年保持在99.95%以上，水管仪和伸缩仪观测质量居全国前列，重力仪经多年运行，性能逐渐稳定，测点整体观测环境质量较高，受外部环境影响小。

2 青海玛多MS7.4地震同震响应特征

2.1 同震响应情况

根据湖北数字地震前兆观测系统柳林沟观测仪器分钟值数据分析处理结果，青海玛多MS7.4地震发生后各仪器均记录到清晰的同震阶跃和震后震荡现象(图3)。2021年5月22日青海玛多MS7.4地震发生后，水管仪NS分量02时06分出现下降趋势，02时10分到达最小值1 212.09 ms，之后迅速上升，02时11分到达最大值1 497.31 ms，随即维持震荡形态(图3a)。EW分量02时06分在小幅下降后迅速抬升，02时09分到达最大值131.11 ms，02时11分到达最小值-60 ms，同震持续时间约84 min，03时30分恢复正常固体潮观测形态(图3b)。

水管仪北端记录曲线于02时06分出现下降，之后上升开始发生震荡现象，极值区间739.8 ms；西端记录曲线于02时06分出现下降，之后上升开始发生震荡现象，极值区间458.9 ms。基于U型连通管原理，南端与北端、东端与西端同步出现反向变化，观测曲线形态保持一致。伸缩仪NS分量02时08分小幅上升后快速下降，02时10分到达最小值 33 918.5×10-10，之后维持震荡趋势，02时27分到达最大值34 327.4×10-10，同震持续时间约94 min(图3c)。EW分量02时08分在小幅下降后迅速抬升，02时10分到达最大值-9 052×10-10，02时11分到达最小值-9 728.4×10-10，同震持续时间约72 min(图3d)。重力仪记录曲线02时07分从最大观测值7 912.62×10-8m·s-2出现快速下降，随后开始震荡，02时18分达到最小值 7 737.92×10-8m·s-2，同震持续时间约96 min，03时40分恢复震前曲线变化形态(图3e)。

图3 青海玛多MS7.4地震十堰柳林沟观测仪器同震曲线

2.2 同震响应特征

经比对分析(表1)，玛多MS7.4地震十堰台柳林沟定点形变观测资料具有以下特征：

表1 青海玛多7.4级地震十堰柳林沟测点仪器同震响应特征参数

(1)强震发生后2 min各仪器开始记录到地震同震波，地震波在岩石中传播的时间与其传播的距离成正比[10]，因仪器采样间隔时间为1 min，依据测点到震中的距离1 172 km，水管仪各分量约2 min 30 s后记录到初至波，可以大致推算出水管仪接受同震波的速度约为468 km/min；重力仪约3 min后记录到初至波，接受同震波的速度约为390 km/min；伸缩仪各分量约4 min后记录到初至波，接受同震波的速度约为290 km/min。

(2)十堰柳林沟定点形变仪器对玛多MS7.4地震的同震响应形态均为脉冲形式，水管仪和伸缩仪呈现为近似测震记录的震荡现象，起始呈现大幅突跳，后高频成分快速衰减，重力仪同震起始呈现大幅下降形态，之后保持脉冲震荡衰减。

(3)水管仪北端和西端同震起始数据变小，说明北端和西端钵体水位下降，地表发生NW向低位倾斜。伸缩仪同震记录初始方向呈现NS向上升和EW向下降的反向形态，而伸缩仪位移传感器分别安放于北端和东端，表明铟钢棒向NW方向发生位移。这与地震震中方向和震中区地表破裂方向基本保持一致。重力仪与其它仪器各分量的起始变化形态差异较大，原因在于重力仪记录的是摆体在重力场变化或地壳弹性震荡时竖直方向产生的加速度位移，而水管仪和伸缩仪主要反映的是地表发生倾斜变化时水平方向上产生的变化信息。

(4)震前各仪器均保持正常固体潮观测曲线形态，未发生明显的前兆性偏离现象，地震发生后仪器记录到清晰的同震响应脉冲，2 h内快速恢复光滑曲线形态，回到震前正常趋势形态，无阶跃，零漂速率也无明显变化(图4)。

图4 青海玛多MS7.4地震前后十堰柳林沟形变观测记录曲线

3 结 语

各观测仪器均能在震后很快记录到清晰完整的同震波形，说明十堰柳林沟测点各形变观测仪器对中远场地震具备较好的记录能力，优良的台基条件和观测环境为高精度观测质量提供基础。各仪器记录曲线在同震响应后能快速恢复到震前正常观测形态，无阶跃，零漂速率也无明显变化，证明了定点形变观测设备运行的稳定性和可靠性，为开展地球固体潮观潮和大地形变研究提供了前提保证。以同震变化曲线的起始方向做为方向指示，水管仪和伸缩仪与地震震中方向及震中区地表破裂方向保持一致,表明发震断层走向与同震变化曲线优势指示方向存在关联性，通过观测形变仪器同震变化指示方向和变化幅度，可以为判断发震断层属性、识别隐伏断层提供帮助。形变仪器同震记录的极值区间、位移幅度及速度变化值，能够直观反映出地震造成的地表倾斜变形程度和对地表构筑物的破坏程度。通过对中强地震同震响应分析，测量地震引起的地表位移变化量和区域重力加速度变化值，研究其形态特征和规律，将有助于拓展地震波传播机理探索的新思维、新方向，推断中远场地震发生时发震断层破裂、滑动方向、能量释放等震源机制问题，进一步反演地壳介质应力—应变场响应过程，丰富对地球物理大地形变学科的研究，也为捕捉微观地震前兆信息、开展地震综合趋势研判提供新途径。