WFSD地應(yīng)力臺應(yīng)變特征及其同震效應(yīng)分析
——以日本MW9.0級特大地震為例

彭 華，馬秀敏，姜景捷，彭立國

(1.國土資源部 新構(gòu)造運(yùn)動與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

WFSD地應(yīng)力臺應(yīng)變特征及其同震效應(yīng)分析
——以日本MW9.0級特大地震為例

彭 華1，2，馬秀敏1，2，姜景捷1，2，彭立國1

(1.國土資源部 新構(gòu)造運(yùn)動與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;2.中國地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

2011年3月11日在日本東北部海域發(fā)生MW9.0級強(qiáng)烈地震，汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探 (WFSD)項(xiàng)目設(shè)在陜西漢中地區(qū)的體應(yīng)變儀記錄到了完整的應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過采集數(shù)據(jù)的分析，探討了日本MW9.0級特大地震發(fā)生時(shí)的同震變化以及地震前后固體潮異常變化過程，分析了地震孕育、發(fā)生過程中應(yīng)變固體潮的趨勢性異常及畸變等各種異常現(xiàn)象，并針對這些應(yīng)變異常進(jìn)行分析，以期成果能為中國未來地震趨勢的預(yù)測研究有所幫助。

日本MW9.0級特大地震;WFSD;體應(yīng)變觀測;應(yīng)變特征;同震效應(yīng)

0 引言

眾所周知，日本是一個(gè)地震頻發(fā)的國家，歷史上造成重大傷亡的地震不計(jì)其數(shù)。2011年3月11日14時(shí)46分23秒 (北京時(shí)間13時(shí)46分)，在日本本州東北地區(qū)的東海岸附近海域發(fā)生MW9.0級特大地震，震中位于宮城縣以東太平洋海域，距最近的海岸城市仙臺130 km，震源深度24.4 km(見圖1)，地震引發(fā)23 m高的海嘯，席卷了仙臺沿岸的許多地區(qū)，造成大量人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失。

日本列島位于太平洋板塊與歐亞板塊、菲律賓板塊的交接帶上，太平洋板塊以80 mm/a的速度向西呈水平移動 (見圖2)，俯沖到相鄰的歐亞板塊之下。當(dāng)歐亞板塊與太平洋板塊發(fā)生碰撞、擠壓時(shí)，兩大板塊交界處的巖層便出現(xiàn)變形、斷裂等運(yùn)動，隨即產(chǎn)生地震 (見圖3)。這次MW9.0級地震就發(fā)生在太平洋板塊向北美板塊俯沖的消減帶上 (見圖4)。

圖1 日本MW9.0級地震前震、主震及余震的時(shí)空分布 (據(jù)日本氣象廳)Fig.1 Temporal and spatial distribution of foreshocks，main shock and aftershocks of MW9.0 earthquake in Japan

圖2 板塊邊界與GPS測得的板塊運(yùn)動示意圖 (據(jù)日本東京大學(xué)地震研究所)Fig.2 Plate boundary and measured plate movement by GPS

大多數(shù)地震發(fā)生在板塊和地塊的邊界，由于板塊或地塊相互運(yùn)動不協(xié)調(diào)而在邊界上產(chǎn)生變形，積累應(yīng)力—應(yīng)變和積聚應(yīng)變能，地震就是應(yīng)變能突發(fā)釋放的結(jié)果。用鉆孔觀測地殼的應(yīng)力—應(yīng)變變化是進(jìn)行地震與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的有效手段。由于地球是數(shù)十億年前形成的天體，歷經(jīng)數(shù)十億年的演化其結(jié)構(gòu)已非常穩(wěn)定，楊國華等［1］、王琪等［2］通過現(xiàn)代 GPS觀測結(jié)果驗(yàn)證，即使在現(xiàn)代地殼最活動的青藏高原，其年變形量也只有大約3.8×10-8ε/a，與太陽月亮引起的應(yīng)變固體潮日變幅差 (約n×10-8ε/d，n=0～6)量級相當(dāng)。雖然潮汐應(yīng)力比構(gòu)造應(yīng)力的數(shù)量級要小得多，但是潮汐應(yīng)力的變化速率要比構(gòu)造應(yīng)力的平均積累速率大兩個(gè)數(shù)量級［3］。因此，面向地球動力學(xué)的應(yīng)力—應(yīng)變觀測儀器精度要求非?？量蹋鋺?yīng)變分辨率應(yīng)該達(dá)到10-9ε以上，電容分量式應(yīng)變儀對線長度變化測量的分辨率必須達(dá)到0.1 nm以上。由于儀器動態(tài)范圍限制和不能直接檢定或標(biāo)定，大多采用相對變化測量 (即相對應(yīng)變觀測)，又由于測量的量值非常微小，無一例外都采用應(yīng)變觀測而非直接測量應(yīng)力。當(dāng)然，能夠達(dá)到這種分辨率的儀器必定能觀測到固體潮。經(jīng)過國內(nèi)外專家?guī)资甑奶剿鳎?～10］，以地殼運(yùn)動觀測為目標(biāo)，研制出了能夠觀測到地殼應(yīng)變本底、地球應(yīng)變固體潮以及應(yīng)變地震波的高精密鉆孔應(yīng)變觀測儀器。澳大利亞的Gladwin研制成功三分量張量應(yīng)變儀［11］;日本的研究人員也在研究發(fā)展多油腔三分量應(yīng)變儀①石井紘.新鉆孔地殼活動綜合觀測裝置的開發(fā)和觀測［R］.東濃地震科學(xué)研究所報(bào)告，2001，(6):5～10.;同時(shí)，中國也研制成功了多種鉆孔式應(yīng)變儀［4，10］。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和改進(jìn)，這些鉆孔應(yīng)變儀的記錄靈敏度達(dá)到了10-10～10-11ε，成為地球科學(xué)研究中重要的觀測儀器［12～19］。20世紀(jì)60年代中期，李四光首先倡導(dǎo)將鉆孔式應(yīng)力—應(yīng)變觀測方法應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)研究，成為中國鉆孔應(yīng)變觀測技術(shù)發(fā)展的先驅(qū)者，在中國地震研究方面做出了卓越貢獻(xiàn)。目前鉆孔應(yīng)變儀已廣泛應(yīng)用在地震活動、板塊運(yùn)動、斷層活動、火山活動等自然現(xiàn)象的觀測方面，將為板塊和地塊邊緣變形的演化、地震的孕育等科學(xué)難題的解答提供觀測數(shù)據(jù)。

圖3 日本大地震發(fā)生機(jī)理Fig.3 Mechanism of large earthquakes in Japan

圖4 日本MW9.0級特大地震發(fā)生機(jī)理示意圖Fig.4 Mechanism of MW9.0 large earthquake in Japan

1 WFSD地應(yīng)力監(jiān)測臺概況

2008年5.12汶川 8.0級地震后，眾多地質(zhì)學(xué)家針對此次地震進(jìn)行了多方面的研究［20～27］，汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探 (WFSD)項(xiàng)目正是在這種環(huán)境下啟動的。地應(yīng)力監(jiān)測臺網(wǎng)是汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目設(shè)立的以監(jiān)測斷層活動為目的的地應(yīng)力監(jiān)測臺陣，其中代家壩地應(yīng)力監(jiān)測臺站位于陜西省寧強(qiáng)縣代家壩鎮(zhèn) (N 33.05°，E 106.13°，海拔595.97 m)。該臺站的臺基位于秦嶺南坡青川斷裂帶中段下盤，巖性為元古界綠片巖，巖石結(jié)構(gòu)致密完整。臺站受地形條件限制，距居民點(diǎn)較近;鉆孔打入基巖，地應(yīng)力監(jiān)測臺安裝TJ-21A型體積式應(yīng)變儀一臺，安裝深度30 m，鉆孔自然水位0.5 m，且水位長期穩(wěn)定，變化不大。為了加強(qiáng)地震觀測，在該臺站還安裝了FSS-3M型短周期地震儀。為排除各種干擾，臺站還安裝了大氣壓、鉆孔水位、水溫、巖石孔隙壓力等輔助觀測儀器，井上和井下儀器采用RS485總線結(jié)構(gòu)，通過GPRS和CDMA兩種無線通訊傳輸方式工作。臺站內(nèi)各種設(shè)備均用網(wǎng)卡連接形成星形結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)，與中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所地應(yīng)力測量實(shí)驗(yàn)室的中心端服務(wù)器組成VPN專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)鐘采用GPS及互聯(lián)網(wǎng)校時(shí)，15 s進(jìn)行一次校時(shí)，時(shí)間同步精度分別達(dá)到1 μs和10 ms，滿足了臺網(wǎng)計(jì)時(shí)的需要。

鉆孔應(yīng)變儀采用液壓式封閉結(jié)構(gòu)，可動的機(jī)械元件較少，耐振動，頻帶較寬，其低頻和高頻特性好。由于將24位AD轉(zhuǎn)換置于探頭頂端的儀器艙中，其工作環(huán)境穩(wěn)定，避免了外界干擾，記錄動態(tài)范圍大，信息不失真，既能記錄地應(yīng)力的長期變化，也能較好地觀測地震波，測量范圍在數(shù)百赫茲—數(shù)千秒，是寬頻—超寬頻地震儀發(fā)展的一個(gè)方向。應(yīng)變儀安裝時(shí)采用膨脹水泥將其與井壁巖石固結(jié)在一起，通過膨脹水泥的膨脹作用來提供探頭工作所需的0.05～0.10 MPa的初始壓力。探頭測量膨脹應(yīng)力大小，通過探頭內(nèi)部的調(diào)壓裝置能夠控制探頭在穩(wěn)定、安全的壓力之下工作。由于水泥固結(jié)要經(jīng)歷初期的發(fā)熱升溫、膨脹劑持續(xù)的膨脹和自然降溫過程，因此在探頭安裝初期需要一個(gè)自身的調(diào)整過程。當(dāng)探頭、固結(jié)體與基巖溫度均一化，固結(jié)體膨脹與探頭變形、巖石變形互相協(xié)調(diào)一致時(shí)，探頭壓力讀數(shù)就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

另外，筆者在北京的地應(yīng)力測量實(shí)驗(yàn)室 (地下室)安裝了新研制成功的氣泡式傾斜儀，以替代老式的電容擺式傾斜儀。新型氣泡式傾斜儀采用了新一代高精度水準(zhǔn)泡和更加精密的驅(qū)動和解調(diào)電路，克服了電容擺量程小、易超量程的缺點(diǎn)，同時(shí)也不需安裝時(shí)對孔斜3°的限制，大大提高了強(qiáng)震傾斜數(shù)據(jù)記錄的能力。

體應(yīng)變儀能很好地記錄P波、S波、瑞雷波，勒夫波由于不能產(chǎn)生體積應(yīng)變，不會引起體應(yīng)變儀腔室體積的變化，因而不能被記錄。如果將傾斜儀與體應(yīng)變儀組合在一起，就可以很好地記錄和區(qū)分各種不同的波。

1.1 體應(yīng)變測量探頭參數(shù)

型號:TJ-21A(中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制)，該探頭長約1200 mm，口徑為φ91 mm，內(nèi)設(shè)兩組傳感器，其中一組為備用傳感器。其技術(shù)參數(shù)如下:

靈敏度:優(yōu)于1×10-11ε;

輸出信號:±8388608;

頻帶寬度:0～20 Hz;

恒流源標(biāo)定電流:10 mA，通電5 s，應(yīng)變幅度為1×10-8ε;

電源:直流12 V，直流功耗小于1.0 W;

工作環(huán)境:孔深20～2000 m，井下溫度小于80℃的條件下連續(xù)工作。

1.2 傾斜儀測量探頭參數(shù)

型號:QJ-21(中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制)，該探頭長約400 mm，口徑為φ91 mm，內(nèi)設(shè)兩組傳感器，互呈90°安裝。其技術(shù)參數(shù)如下:

靈敏度:優(yōu)于1×10-4ε;

輸出信號:±8388608;

頻帶寬度:0～20 Hz;

電機(jī)自動調(diào)零范圍:±20°，一次可調(diào)整到小于±1×10-2ε;

電源:直流12 V，直流功耗小于0.5 W;

工作環(huán)境:孔深20～2000 m，鉆孔傾斜小于±20°，井下溫度小于80℃的條件下連續(xù)工作。

1.3 體應(yīng)變輔助測量儀參數(shù)

型號:QSW-31型臺站綜合環(huán)境測量儀 (中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制)，集氣壓計(jì)、鉆孔水位計(jì)、室溫溫度計(jì)于一體;

氣壓計(jì)量程:400～1033 HPa，靈敏系數(shù)為0.1 HPa/count;

鉆孔水位計(jì)量程:0～10 m，靈敏系數(shù)為1.0 mm;

室內(nèi)溫度計(jì)量程:-50～+50℃，靈敏系數(shù)為0.01℃/count;

工作電源:直流12 V，直流功耗小于2.0 W;

工作環(huán)境:室溫5～40℃，相對濕度≤85%的條件下連續(xù)工作。

2 應(yīng)變固體潮及其變化趨勢

固體潮是指由月亮和太陽的引力而引起的地球彈性變形現(xiàn)象。受固體潮的影響地表每天不斷垂直變化，日變幅差最大為50 cm左右，在固體地球內(nèi)部產(chǎn)生周期性的應(yīng)力和應(yīng)變變化。由于這些變化由月球和太陽起潮所致，而月球的引潮力位是太陽的3倍，因此，地震與月球運(yùn)行之間的關(guān)系倍受關(guān)注。

地震孕育過程要經(jīng)過應(yīng)變能線性積累、非線性積累和斷層巖石破裂滑動3個(gè)階段。巖石破裂試驗(yàn)和理論研究表明，斷層粘滑前會出現(xiàn)預(yù)滑移，其位錯(cuò)量相當(dāng)于同震位錯(cuò)量的5%。同樣，震后斷層因?yàn)檎硰椥院蛻?yīng)力的進(jìn)一步釋放，以慢地震和余震的形式繼續(xù)滑移一段時(shí)間，稱之為震后滑移。通常震后滑移位錯(cuò)量相當(dāng)于同震位錯(cuò)量的10%，甚至更多。而震前常表現(xiàn)為趨勢異常、體應(yīng)變固體潮波形畸變、波形抖動、振幅異常及反相變化［28～30］。

代家壩臺站建于2008年7月中旬，8月初儀器趨于穩(wěn)定開始觀測，可清晰地記錄到幅值高達(dá)1200個(gè)單位的應(yīng)變固體潮，通過與理論固體潮數(shù)據(jù)對比標(biāo)定，表明儀器分辨率可達(dá)10-11ε。本文選取日本地震前后的數(shù)據(jù)來研究應(yīng)變固體潮及其變化趨勢。

以代家壩臺站為例，儀器有效采樣率5次/s，從2011年1月1日至3月31日中心服務(wù)器共獲得來自臺站的43794720條應(yīng)變數(shù)值記錄，經(jīng)1/8降頻重采樣后，繪制出幅度隨時(shí)間變化曲線 (見圖5a)。利用數(shù)據(jù)處理軟件對應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3月5日至3月7日由于臺站通訊故障造成數(shù)據(jù)缺失，2011年前3個(gè)月數(shù)據(jù)完整率達(dá)97.725%;3月14日有1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)解析異常，是通訊造成的誤碼，誤碼率為0.046×10-6(見圖5b)。通過數(shù)據(jù)采集、傳輸和解析，并將漂移剔除后，固體潮幅值穩(wěn)定，固體潮最大日變幅差為5×10-8ε，表明臺站各系統(tǒng)工作正常，數(shù)據(jù)較為可靠 (見圖5c)。

圖5 體應(yīng)變儀原始數(shù)據(jù)應(yīng)變固體潮與體應(yīng)變信號分離Fig.5 Separation of tidal strain and volume strain signal among the raw data of volume strain meter

2011年1月1日至3月31日較長時(shí)間應(yīng)變觀測資料反映出正常穩(wěn)定的固體潮，其全日波、半日波和1/3日波清晰可見，上年和本年1～2月應(yīng)變固體潮處于長期穩(wěn)定的下降漂移趨勢，平均日漂移率為8×10-10ε/d(見圖5a);2月24日應(yīng)變曲線漂移變緩出現(xiàn)拐點(diǎn)，其長期穩(wěn)定的下降漂移趨勢突然消失，應(yīng)變固體潮不再漂移或很少漂移;到3月25日余震后應(yīng)變恢復(fù)以0.1 nε/d的漂移速度下降，3月25日至3月31日，應(yīng)變固體潮增加到以0.7 nε/d的漂移速度下降，表明3月11日日本東海MW9.0級特大地震前15天開始，臺站所在的代家壩地區(qū)趨勢應(yīng)變發(fā)生了改變，表現(xiàn)為主震前、主震和余震期間趨勢應(yīng)變發(fā)生改變，余震減弱后，這種影響也減弱，固體潮也恢復(fù)到先前的變化趨勢 (見圖5c)，證實(shí)了日本“3.11”地震影響到了臺站地區(qū)的固體潮長期變化趨勢。

另外，余震發(fā)生的頻度與固體潮也有聯(lián)系。筆者研究了 “3.11”地震3級以上余震與固體潮的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)了3月11日到3月31日的余震，其余震隨時(shí)間發(fā)生的頻度在不斷減少，在3月26日至27日的固體潮小潮期間，3級以上地震頻度也減少 (見圖6)，小潮期后，余震頻度明顯增加，反映他們之間有某種對應(yīng)關(guān)系。

圖6 代家壩地應(yīng)力臺站2011年3月份地震發(fā)生震級—頻度與體積應(yīng)變固體潮關(guān)系(震級—頻度資料來源于日本氣象廳)Fig.6 Magnitude-frequency relation of the volumetric strain and solid tide of the recorded earthquakes by Daijiaba stress station，from January to March，2011

3 日本MW9.0級地震同震應(yīng)變異常分析

2011年3月11日日本MW9.0級地震后，代家壩臺站體應(yīng)變儀記錄到應(yīng)變波。P波到達(dá)時(shí)間為13:53:33，為負(fù)跳。代家壩臺站體應(yīng)變儀記錄到最大應(yīng)變波波幅為3.8350×10-8ε，約為應(yīng)變固體潮日變幅差的40倍 (見圖7)。由于日本MW9.0級地震后，震中距較大，約3296 km，屬于地震遠(yuǎn)場范圍，應(yīng)變波沒有明顯的應(yīng)變階。同震波持續(xù)55 min后，地震同震應(yīng)變主波基本結(jié)束;隨后持續(xù)160 min的體波，波幅在1×10-8～1×10-7ε，這些波來自于地球內(nèi)部各個(gè)反射和折射面的地震波的混合波。直到1800～2000 min后，體應(yīng)變觀測值才逐漸恢復(fù)正常，能明顯觀測到地球自由震蕩長周期波，這種震蕩波持續(xù)時(shí)間長，數(shù)日后仍然能測到地球自由震蕩波的存在。

圖7 代家壩地應(yīng)力監(jiān)測臺站記錄到日本MW9.0級特大地震的同震應(yīng)變(2011年3月11日至12日)Fig.7 Co-seismic strain of the recorded MW9.0 earthquake in Japan by Daijiaba stress stations(2011.3.11-12)

日本MW9.0級特大地震應(yīng)變波形經(jīng)過放大后也看不到明顯的應(yīng)變階，持續(xù)30～40 h體應(yīng)變觀測值才逐漸恢復(fù)正常 (見圖8)。

圖8 代家壩地應(yīng)力監(jiān)測臺站記錄到日本MW9.0級特大地震的同震應(yīng)變 (除去固體潮)Fig.8 Co-seismic strain of the recorded MW9.0 earthquake in Japan by Daijiaba stress stations(Remove the tidal)

2011年3月11日日本MW9.0級特大地震后，12～14日應(yīng)變固體潮出現(xiàn)連續(xù)3天的畸變，形成“凹”型，畸變幅度達(dá)5×10-8ε;此固體潮“凹”型畸變在18日重復(fù)出現(xiàn)。反映了臺站附近的基巖應(yīng)力水平發(fā)生了改變，12日開始降低，13日達(dá)到0.035 nε的最低點(diǎn)，14日上升并在15日趨于正常 (見圖9)。

圖9 日本MW9.0級地震引起了2011年3月12～14日固體潮異常Fig.9 The caused tidal anomalies by MW9.0 magnitude earthquake in Japan，on March 9 ～ 19，2011

4 前震與余震同震應(yīng)變異常分析

日本MW9.0級特大地震主要起因于板塊的彼此相對移動產(chǎn)生的應(yīng)力累積、破裂。當(dāng)滑動帶應(yīng)力積累到一定程度，在一定區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生破裂而形成一系列地震。一個(gè)地震序列中最強(qiáng)的地震稱為主震;主震前在同一震區(qū)發(fā)生的較小地震稱為前震，主震后在同一震區(qū)陸續(xù)發(fā)生的較小地震稱為余震。日本東海MW9.0級特大地震是典型的前震—主震—余震型地震序列，主震的震級高，十分突出，其釋放的能量占全地震序列的90%以上。

圖10 2011年3月9日MW7.3級地震是MW9.0級特大地震的前震同震應(yīng)變Fig.10 Co-seismic strain of the MW7.3 foreshock of the MW9.0 main earthquake on March 9，2011

2011年3月9日MW7.3級地震是3月11日MW9.0級特大地震的前震 (見圖10)，其特點(diǎn)是都沒有見到同震階躍，只有同震應(yīng)變波。而在北京的高精度氣泡式傾斜儀，由于震中距較近 (2256 km)，可能進(jìn)入了地震近場范圍，不僅記錄到了多次不同性質(zhì)的應(yīng)變階躍，還記錄到了長時(shí)間的傾斜變形“凹”型異常，數(shù)十分鐘后才恢復(fù)，與主震震后數(shù)日的應(yīng)變異常形式相似，只是幅度和持續(xù)時(shí)間沒有主震長 (見圖11)。

圖11 北京地下室氣泡式傾斜儀記錄到2011年3月9日日本MW7.3級余震同震傾斜曲線Fig.11 Tilt curve of the recorded MW7.3 aftershock of Japan by the bubble tiltmeter at basement in Beijing on March 9，2011

5 地震后地球自由振蕩

大地震發(fā)生時(shí)，地球局部受到激發(fā)，會使地球整體以一些固定的頻率產(chǎn)生連續(xù)性振動，這種現(xiàn)象稱為地球自由振蕩。地球自由振蕩不一定都是由地震產(chǎn)生的，海潮海浪、核試驗(yàn)、滑坡、山崩甚至風(fēng)暴都有可能引起持續(xù)時(shí)間較長、周期數(shù)百秒至數(shù)千秒的地球自由震蕩。地球的自由振蕩會引起地殼巖石的應(yīng)力周期性波動，其影響范圍極其廣泛，其物理過程值得進(jìn)一步研究。Lamb從理論上推論出了地球自由振蕩的存在，并且認(rèn)為它包括球型振蕩和環(huán)型振蕩兩種類型。1961年，Benioff用應(yīng)變地震儀和擺式地震儀兩種儀器準(zhǔn)確觀測到了智利大地震激發(fā)的長周期地球自由振蕩［31］。邱澤華等用鉆孔應(yīng)變儀觀測資料提取到了2004年12月26日印尼蘇門答臘地震激發(fā)的地球的球型以及環(huán)型自由振蕩［32］。萬永革等利用中國數(shù)字地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)提取了昆侖山口西地震的球型自由振蕩［33］。2008年5月12日汶川地震時(shí)山丹臺也獲取了大量的由地震激發(fā)的振蕩周期在600～1200 s的地球自由振蕩數(shù)據(jù)［4］。日本MW9.0級特大地震也引發(fā)了大規(guī)模的地球自由震蕩 (見圖12)。

為考察地球自由振蕩隨時(shí)間的變化，筆者用5天的432000個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析，以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行滑動進(jìn)行功率譜分析。首先，給臺站的數(shù)據(jù)加了窗函數(shù) (hanning窗)，然后進(jìn)行離散傅氏變換，用振幅譜乘方代表功率譜。由于所做的功率譜分布極不均勻，周期在296 s以下的低頻分布密度較大，故對功率譜取對數(shù)，重新形成功率譜 (見圖13)。由圖13可見，臺站觀測到比較明顯的球型振蕩，在高頻部分 (2.5～3.4 mHz，290～400 s)各振型能量比較小，在中頻部分 (1.67～2.50 mHz，400～600 s)能量明顯比較大，低頻部分(0.46～1.67mHz，600～2200 s)的能量是主體，從總體趨勢上看，頻率低的振型要比頻率高的振型的能量大得多。

圖12 日本本州東海岸MW9.0級地震引發(fā)的長時(shí)間自由振蕩現(xiàn)象 (2011年3月12日)Fig.12 The triggered long time free oscillation by MW9.0 earthquake at the east coast of Honshu，Japan on March 12，2011

圖13 代家壩臺站鉆孔體應(yīng)變儀觀測的日本MW9.0級地震的功率譜Fig.13 Power spectrum of the Japan MW9.0 earthquake recorded by the borehole volume strain meter of Daijiaba station in China

6 結(jié)論

(1)WFSD地應(yīng)力監(jiān)測臺網(wǎng)映震能力較強(qiáng)，日本MW9.0級特大地震的MS5.0級以上余震波信息均能記錄到。

(2)日本MW9.0級特大地震也引發(fā)了大規(guī)模的地球自由震蕩，其震蕩周期主要是500～2000 s之間，且持續(xù)數(shù)日。

(3)余震發(fā)生的頻度與固體潮月相之間有明顯的對應(yīng)關(guān)系。

(4)地震影響到了臺站的固體潮長期變化趨勢，震前數(shù)日至數(shù)十日，變化趨勢發(fā)生明顯的改變。

(5)以往大震震前都有明顯的應(yīng)變階躍現(xiàn)象，震中距3296 km的代家壩體應(yīng)變儀在這次地震震前和震后都沒有記錄到明顯的階躍，但位于北京的震中距較近 (2256 km)的傾斜儀能記錄到明顯階躍和震后應(yīng)變異?，F(xiàn)象。

(6)同震能引起滯后主震的應(yīng)變異常，多在震后數(shù)十分鐘至數(shù)日出現(xiàn)，持續(xù)數(shù)十分鐘到數(shù)日，而后恢復(fù)正常，往往引起固體潮的畸變，呈“凹”型，其形成原因及變化幅度的大小，與震級、震中距、震源深度，乃至震源及鉆孔周圍的地質(zhì)構(gòu)造之間關(guān)系等因素相關(guān)，是否是因?yàn)閹r石圈的粘彈性特征產(chǎn)生的粘滯效應(yīng)，還需進(jìn)一步深入研究和總結(jié)。

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STRAIN CHARACTERISTICS OF WFSD STRESS STATIONS AND ITS CO-SEISMIC EFFECTS ANALYSIS:A CASE STUDY UPON MW9.0 EARTHQUAKE IN JAPAN

PENG Hua1，2，MA Xiu-min1，2，JIANG Jing-jie1，2，PENG Li-guo2
(1.Key Lab of Neotectonic Movement and Geohazards，Ministry of Land and Resources，Beijing 100081，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China)

The MW9.0 earthquake occurred in the northeastern Sea of Japan，on March 11，2011.The volume strain meter in Wenchuan earthquake Fault Scientific Drilling(WFSD)recorded a complete response waveform at Hanzhong Prefecture，Shaanxi Province.By analyzing acquired data，some issues are studied and discussed by authors that including co-seismic changes of the whole process of MW9.0 mega-earthquake in Japan，the abnormal strain changes of solid tide prior to that earthquake and after，and the emerging process of that earthquake.Per this paper，the strain anomalies of the MW9.0 earthquake in Japan are analyzed in order to contribute to better forecast earthquake trends in China the future.

MW9.0 large earthquake in Japan;Wenchuan earthquake Fault Science Drilling(WFSD);volume strain observations;strain characteristics;co-seismic effects

P315

A

1006-6616(2011)01-0001-14

2011-03-31

科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探”— “井中科學(xué)探測”課題、“地震斷裂帶的應(yīng)力環(huán)境、應(yīng)變能的分布及其與地震關(guān)系”課題和地調(diào)項(xiàng)目 (1212010916064)聯(lián)合資助。

彭華 (1964-)，男，研究員，主要從事地震地質(zhì)、地應(yīng)力測量及相關(guān)測量儀器研制、地殼穩(wěn)定性調(diào)查與評價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害、圍巖穩(wěn)定性、巖石力學(xué)與工程施工等方面的研究工作。E-mail:ph8486797@yahoo.com.cn