2023年土耳其7.8級強震前煙臺臺伸縮儀EW分量固體潮畸變

郝軍麗 朱成林 張正帥 趙 洋 王合乾,2

1 山東省地震局,濟南市文化東路20號,250014 2 煙臺地震監測中心站,山東省煙臺市南山溝17號,264000

北京時間2023-02-06 09:17土耳其中南部地區(37.03°E,37.17°N)發生7.8級強震,當天18:24再次發生7.8級強震(37.20°E,38.02°N),2次地震震源深度均較淺,斷層破裂位于地表以下0～20 km。

煙臺地震監測中心站(簡稱煙臺臺)伸縮儀EW分量在土耳其地震前后出現趨勢轉折變化,本文對該固體潮畸變進行分析,初步探討其與土耳其強震的關系。

1 臺站及儀器概況

煙臺市位于山東省東部的膠東半島區域,地處華北地震區東南部,地質構造復雜。中國東部規模最大的郯廬斷裂帶縱貫半島西部,渤海-蓬萊-威海斷裂帶穿越渤海直達膠東半島北部,并與郯廬斷裂帶在渤海中部交會,膠東半島以南海域存在南黃海斷陷盆地。半島內陸還分布著其他許多規模不等、方向不一的次級活動斷裂。距臺站10 km遠處有2條中等規模的活動斷裂:NE向桃村斷裂和NW向蓬萊-威海斷裂。

煙臺臺位于煙臺市南山公園東側(121°23′E,37°31′N),地處丘陵緩坡園林區,海拔高度45 m,離海約2 200 m,觀測環境良好。臺基以云母角閃片巖為主,山洞覆蓋植被較好,高程約54 m,洞深分別長約30.60 m和22.60 m,室溫年變幅約為0.2 ℃。常年地下水位埋深為14～17 m。洞內布設水管傾斜儀、水平擺傾斜儀、垂直擺傾斜儀、SS-Y伸縮儀、鉆孔應變觀測、相對重力觀測及各種輔助觀測,共計21個分量。

煙臺臺SS-Y伸縮儀NS分量基線長21.21 m,EW分量基線長28.73 m,儀器布設方位角分別為14°及104°。2017年以來儀器運行基本正常,數據質量較好,觀測精度較高。

2 EW分量同震響應特征

2023-02-06 09:17土耳其發生7.8級地震,煙臺臺伸縮儀EW分量同震形變波初動時刻為09:36,與09:28的6.7級地震重疊,延續時間為236 min,變化形態為振蕩型,同震波形初動性質為張性,最大變化幅度為3.37×10-8。18:24土耳其再次發生7.8級地震,煙臺臺伸縮儀EW分量同震形變波動初動時刻為18:35,延續時間為78 min,變化形態為振蕩型,同震波形初動性質為張性,最大變化幅度為2.61×10-8(圖1)。

圖1 煙臺臺伸縮儀EW分量記錄的土耳其地震同震波形Fig.1 Co-seismic waveform of tensometer of EW component at Yantai station

3 強震前后EW分量固體潮畸變

3.1 固體潮畸變特征

3.1.1 地震前后固體潮短期畸變特征

煙臺臺伸縮儀EW分量2023-02-04開始出現急速上升趨勢變化,至02-06 01:00達到峰值,之后開始下降,最大變化幅度達到9.58×10-8。2023-02-06 09:17、18:24土耳其分別發生2次7.8級地震,與煙臺臺震中距分別為7 182 km和7 122 km,震源深度20 km。震后固體潮趨勢短暫回落后仍處于上升趨勢,但速率較震前變緩。圖2為2023-02-01～10煙臺臺伸縮儀觀測值、EW向理論值、水位分鐘值和氣壓分鐘值曲線。

圖2 煙臺臺伸縮儀觀測值、EW向理論值、水位分鐘值和氣壓分鐘值曲線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 煙臺及山東形變觀測儀器固體潮曲線長短期趨勢變化

煙臺臺伸縮儀固體潮EW分量出現短期趨勢畸變的同時,其他觀測手段未出現同步變化。圖3為煙臺臺伸縮儀及水管儀長期觀測曲線。可以看出,2022-10開始伸縮儀EW、NS分量及水管儀NS分量出現向上趨勢變化,水管儀EW分量2022-10出現向下趨勢變化。表1為趨勢變化出現前后干擾因素統計,主要有連續降雨和調零校準等因素。其中,短期連續降雨僅能影響短期趨勢變化,而調零校準有可能改變觀測曲線趨勢變化。基于這些干擾因素的存在,需對2022-10以來煙臺臺形變觀測的趨勢轉折原因作進一步分析。

表1 2022-09～12干擾因素統計

圖3 煙臺臺伸縮儀和水管儀觀測曲線 Fig.3 Observation curve of tensometer and water-tube tiltmeter at Yantai station

山東地區有13個形變臺站,包含37套形變儀器,共177個測項,其中擁有洞體應變觀測手段的有4個臺站(泰安、郯城、煙臺、嘉祥)。梳理山東形變觀測固體潮長短期趨勢變化,發現除煙臺臺伸縮儀NS分量、水管儀兩分量(圖3)及榮成鉆孔傾斜儀EW分量(圖4)外,未發現有同時段長短期趨勢變化。

圖4 榮成臺鉆孔傾斜儀觀測值、水位分鐘值和氣壓分鐘值曲線Fig.4 Observation value of drilling inclinometer and minute value curve of water level and air pressure at Rongcheng station

3.1.3 榮成臺鉆孔傾斜儀畸變

山東榮成地震臺鉆孔傾斜儀EW分量自2023-01-08～02-06土耳其大震之前固體潮曲線出現上升趨勢變化,震后02-07趨勢恢復正常(圖4)。榮成臺與煙臺臺同屬于膠東半島,且都與土耳其震中處于同一緯度。對榮成臺進行現場核實排查,排除了固體潮畸變期間儀器調試、臺站周邊建筑施工以及降雨等環境變化和人為干擾等影響,但由于榮成鉆孔傾斜儀自身穩定性較差,難以判定其EW分量畸變原因。

3.2 儀器穩定性

從M2波潮汐因子相對中誤差、儀器年零漂、數據完整率等方面對煙臺臺伸縮儀EW分量進行儀器穩定性分析(表2、3)。

表2 伸縮儀EW向M2波潮汐因子相對中誤差

由表2可以看出,伸縮儀EW分量M2波潮汐因子相對中誤差<0.02,精度較高。表3中2020～2022年伸縮儀EW向年零漂均小于10-6,符合伸縮儀穩定性設計指標。對伸縮儀運行情況進行統計后發現,2020～2022年缺記率分別為0.241%、0.227 5%、0.000 2%,運行率、完整率均在99.5%以上。從圖1伸縮儀EW向固體潮分鐘值看出,地震前后固體潮曲線光滑、清晰。

表3 伸縮儀EW向年零漂

綜上,煙臺臺SS-Y伸縮儀EW分量運行情況良好,觀測質量較高。

3.3 場地環境及氣象因素

圖5(a)為煙臺臺伸縮儀EW分量和洞室溫度日均值長期曲線。可以看出,伸縮儀所在洞室溫度常年穩定在14 ℃左右,室溫年變化約為0.2 ℃,2023-02-01～10趨勢變化前后洞溫日變化小于0.01 ℃,2項指標均符合儀器安裝洞室溫度年變小于0.5 ℃、日變小于0.03 ℃的要求。

圖5 伸縮儀EW分量與洞溫、降雨、氣壓觀測曲線Fig.5 Observation curve of EW component oftensometer, hole temperature, rainfall and air pressure

圖5(b)為煙臺臺伸縮儀EW分量與輔助觀測降雨及氣壓的整點值曲線。EW分量趨勢變化會受到連續降雨及氣壓變化影響,如2022-09-12臺風“梅花”導致2022-09-14～16持續降雨,降雨累積量為218 mm,造成形變觀測出現滯后1～2 d的趨勢變化;2022-10-02、04降雨后再次出現滯后2 d的趨勢變化,降雨累積量為111 mm。2023-01以來無臺風事件,1月降雨累積量僅17 mm,且2023-02-01～10伸縮儀趨勢變化前后未有降雨或大風,在固體潮出現畸變的同一時段內輔助觀測氣壓曲線未出現同步變化。

經過現場核實,畸變出現前后臺站周圍環境無明顯短期變化,觀測環境基本一致,且未曾對儀器進行過調試校準等人為操作。

綜上,可以排除溫度、短期氣象因素及人為干擾對此次伸縮儀EW分量的干擾。

3.4 地震活動

2023-02全球共發生12次6級以上地震,3次7級以上地震。7級以上地震分別為02-06土耳其2次7.8級和02-23塔吉克斯坦7.2級地震。從時間上看,02-06土耳其雙震型震群發生在煙臺臺伸縮儀EW分量趨勢變化之后2 d,土耳其地震屬于雙震型巨震,而塔吉克斯坦7.2級地震震級相對較小,其他地震均小于6.3級,且畸變時間對應上不如土耳其地震。

2023-02全國范圍內發生5次4級以上地震,4次發生在新疆、青海等西部地區,且震級較小,與煙臺臺趨勢變化的幅度不對應。山東內陸未發生3級以上地震,可以排除近震影響。

4 討 論

土耳其7.8級雙震震中位于地中海-喜馬拉雅地震帶和安納托利亞板塊、阿拉伯板塊及非洲板塊縫合帶,與煙臺臺同在37°N附近。煙臺臺位于膠東半島、歐亞板塊東緣,受太平洋板塊俯沖作用影響。此次土耳其地震,煙臺臺除伸縮儀EW分量出現震前畸變外,其他測項儀器均未出現短期同步變化。經現場排查,煙臺臺附近場地環境無變化,固體潮變化清晰可見,儀器穩定性較好,未見支持此次畸變原因的干擾源。

在巖石破壞實驗中發現,臨近主大破裂時會出現應變擾動,說明在長趨勢形變變化背景上還有突升、突降或類似于波的應變擾動[1]。地殼是一個開放的動力系統,地震是在此系統中孕育發生的一種局部破裂現象。與有限尺度巖石破裂過程顯著不同,地殼巖石圈近乎為半無限開放空間,無明確的應力邊界。因此,地震前兆現象未必僅分布在孕震震源區附近,地震前兆現象,尤其是形變前兆分布的空間范圍往往具有廣泛性、復雜性。國內外震例表明,地震前在近震源區往往觀測不到地形變異常現象,僅存在極少明確的觀測異常;而在遠離震源區域,往往可觀測到相對較多的異常。連續形變觀測等的短臨突變性信息可能不是直接來自于震源,而是源于殼幔邊界或軟流圈內長周期應變波的遷移,這種遷移對地震的發生具有一定的觸發或促進作用。2023-02-06土耳其7.8級雙震至今,我國大陸地區小震活動有一波顯著增強現象,而部分臺站的某些高精度形變觀測手段抓取到了相應的變形信息[2-5]。

王梅等[6]分析發現,2003年及2004年日本7級以上地震前,泰安地震臺伸縮儀EW分量出現固體潮畸變,應變量分別達到3×10-8和6.3×10-8,且其他測項無同步變化的情況。該畸變形態、持續時間與前驅波不同,且變化量級達到10-8,比前驅波應變量級10-9稍大,波形特征不顯著,更類似于靜地震[7-8]的遠震前兆異常。煙臺臺伸縮儀EW分量固體潮變化形態與典型地震變化及異常形態相似,且出現在雙強震前,畸變應變量為9.58×10-8,出現時間為震前2 d,并延續到震后一段時間,這些特征與泰安臺伸縮儀畸變類似。

綜上認為,此次煙臺臺伸縮儀EW分量畸變不排除為土耳其遠震的前兆異常變化,但在機理上仍需進行深入研究。

5 結 語

1)經核實,本次固體潮畸變期間無人為干擾、未調試儀器、場地環境未發生變化,儀器數據真實可靠。對于土耳其7.8級雙震,煙臺臺洞體應變資料表現出很好的同震映震性能。

2)煙臺臺伸縮儀EW分量穩定性指標正常,畸變出現前后固體潮曲線清晰、光滑,畸變形態特征符合地殼應力變化特征,認為該畸變反映了地殼應力的短時變化。

3)煙臺臺伸縮儀NS分量無短期同步畸變變化,同洞室其他測項也未見同步變化,可能與儀器自身響應特性、地下介質特性及儀器系統誤差等因素有關。

4)此次煙臺臺伸縮儀EW分量畸變不排除為土耳其遠震的前兆異常,但其機理還需作進一步探討。土耳其地震后,煙臺臺伸縮儀EW分量固體潮趨勢短暫回落后繼續維持上升趨勢,該趨勢是大震后的能量釋放還是儀器自身的漂移現象,也待進一步觀察。

致謝：感謝陳時軍研究員的幫助!