2021年5月22日玛多M...级地震后气象异常的物理机制_许健生.pdf

2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0101-0109地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P许健生，吴琼，李丽，等 2023 2021 年 5 月 22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制 地球物理学进展，38(1):0101-0109，doi:10 6038/pg2023GG0116XU JianSheng，WU Qiong，LI Li，et al 2023 Physical mechanism of meteorological anomalies after the Maduo MW7.4 earthquake Progress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0101-0109，doi:106038/pg2023GG01162021 年 5 月 22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制Physical mechanism of meteorological anomalies after the Maduo MW7.4earthquake许健生1，吴琼1，李丽1，张磊2XU JianSheng1，WU Qiong1，LI Li1，ZHANG Lei2收稿日期2022-06-10;修回日期2022-12-05投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家重大科学仪器设备开发专项(2016YFF0103400)和中国地震局 2022 年老科技工作者科研专项联合资助第一作者简介许健生，男，1954 年生，研究员，主要从事地震观测和震相分析工作 E-mail:13552812316163 com1 中国地震局地球物理研究所，北京1000812 甘肃省地震局，兰州7300001 Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China2 Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730000，China摘要2021 年 5 月 22 日青海玛多 MW7.4 地震后数小时，在震中周边地区出现了气压快速上升、气温快速下降和甘肃景泰山区突降雨雪的气象异常 对青海德令哈等地震台的形变仪、水位仪、地震仪、气压计和温度计的记录作分析后发现:在此期间，在景泰附近地区3 种不同学科的观测仪器分别记录到了同震止滑震相XsQ、无震余滑震相 Xa 和震颤震相 Tp 该结果表明，在震中周边地块，震时发生了同震粘滑，在震后发生了余滑，在发生同震粘滑和震后余滑前后还伴有震颤现象根据粘滑和震颤的物理机制推测，这种气象异常可能是震时和震后，各台所处地块发生同震粘滑和震后余滑错动后，地下裂隙张开，气体溢出 导致气压上升、气温下降的结果 破坏性地震后的气象异常是值得关注的一种次生灾害关键词震颤;同震止滑;震后余滑;气象异常;玛多MW7.4 级地震中图分类号P315文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0116AbstractA few hours after the 2021-05-22MaduoMW7.4 earthquake，there was a rapid increase in airpressure，decrease in temperature and a sudden fall rainand snow in the Jingtai Mountain area of Gansu Provincearound theepicenteroftheearthquakeItisthemeteorological anomaly After analyzing the records of thedeformation meters，water level meters，seismometers，barometers and thermometers at Delingha seismic stationand other seismic stations in Qinghai Province and GansuProvince，co-seismicstopping-slipphaseXsQ，post-seismic slip phase Xa and tremor phase Tp during thisperiod have been recorded by three kinds of observationinstruments near Jingtai Mountain area The results showthat there is co-seismic stopping-slip process in theperiphery block of the epicenter when occurring main-shock，and there is post-seismic slip process after main-shock Co-seismic stopping-slip process and post-seismicslip process are accompanied by tremor phenomenaAccording to the physical mechanism of sticking-slip andtremor，this kind of meteorological anomaly may be causedby co-seismic stopping-slip and post-seismic slip of theblocks where the seismic stations are located，and by theopening of underground fissures and the escape of gas Itis the result of an increase air pressure and a decrease airtemperature The meteorological anomaly after destructiveearthquake is a secondary disaster worthy of attentionKeywordsTremor;Co-seismicstopping-slip;Post-seismic slip;Meteorological anomalies;The Maduo MW7.4earthquake地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)0引言对大地震前后气象异常与地震关系的认识，古已有之 据 西藏地震史料汇编(第一卷)(1982)记载，1833 年 8 月 26 日西藏聂拉木(28 3N，85 5E)8 级地震后，“连续发生强烈地震，并降大雪”该地震发生在夏天，即使在西藏地区，夏天降大雪也属异常气象 近代，马宗晋等(1982)对中国 19661976年间 9 大地震的研究表明，9 大地震发生前后均有不同程度的降水增多现象 2008 年 5 月 12 日汶川发生 MW7.9 级大地震，主震时震中区地面温度突然普遍下降 震后数小时，灾区普降大雨两日，形成了大面积山体坍塌、泥石流和道路堵塞等次生灾害，造成了巨大的人员伤亡和财产损失(Chen and Booth，2011;岳中琦，2013)图 1震中和台站位置Fig 1Distribution of earthquake epicenter and seismic stations根据中国数字地震仪台网(CENC)的测定结果，2021 年 5 月 22 日 02 时 04 分 11 秒(BJT)，在中国青海省玛多县(34 59N，98 34E，h=17 Km)，发生了 MW7.4 地震(震中及地震台站位置如图 1 所示)震后数小时，在震中周边地区出现了气压突然上升，气温突然下降的异常天气(见图 2 和图 3)其中距震中 500 多千米的甘肃省景泰县山区气压快速上升、气温快速下降，并突降雨雪为了研究玛多 MW7.4 地震与气象异常之间的关系，我们收集了震中周边地区 18 个地震台的形变仪、水位仪、地震仪、气压计和温度计的观测资料，拟对该地震与气象异常之间的物理机制和成因作初步探讨1观测结果讨论为了讨论问题方便，我们首先对文中使用的术语“同震止滑震相 XsQ”和“震后余滑震相 Xa”进行解释(1)同震止滑震相 XsQ:Byerlee and Summers(1975)在实验室内的岩石粘滑错动实验结果表明，对已存在断层的岩体加压，岩体破裂过程一般由数次粘滑过程构成 李普春等(2013)在实验室进行的岩石粘滑错动实验表明，粘滑错动过程一般可分为预滑、粘滑和止滑 3 个阶段，止滑过程可以激发出大振幅、长周期波动 许健生等(2019)的研究表明，地2012023，38(1)许健生，等:2021 年5 月22 日玛多 MW7.4 级地震后气象异常的物理机制(www progeophys cn)图 2气压计记录Fig 2The recordings on the barometers震的弹性破裂过程与粘滑错动过程同时进行，是粘滑错动和弹性破裂共同作用的结果，是一种“粘滑错动+弹性破裂”的机制 在震时岩石弹性破裂激发出高频破裂震相 P 和 S 的同时，地块粘滑错动也会激发出低频的同震粘滑错动震相 Xs 在震中区地块粘滑错动达到峰值时，对周边地块的推挤也达到峰值 周边地块开始“弹性回跳”，阻止震中区地块继续粘滑错动，进入止滑过程 止滑过程可以激发出大振幅、长周期的同震止滑震相 XsQ 和 Xs，XsQ 是勒夫型面波，水平位移优势 Xs 是瑞雷型面波，垂直位移优势，在长周期地震仪的垂直分向易被记录到 Xs 波的运动速度小于 XsQ，在水平分向的记录中，常叠加在大振幅的 XsQ 波中，不易被分辩 过去常把形变和水位等仪器记录到的这种波动笼统称为“同震响应”，没有深究其物理机制(2)震后余滑震相 Xa:已有的观测和研究表明(陈运泰等，1979;赵国光等，1981)，构造地震在破裂过程中只能释放地壳中的部分弹性应变能，对中地壳，特别是下地壳中流变位能释放很有限 下地壳中流变位能使地壳中、上部的剩余应力释放过程具有某种缓变或滞后的特征 例如唐山地震后，陈运泰等(1979)的研究发现震后相当长时间内有无震蠕动 另外大震后，震源周边地块的物理状态也会有很大变化，如地块边界松动、局部形成可滑移空间等也为地块继续发生粘滑错动创造了条件，形成无弹性破裂的无震滑动，这种无震滑动可激发出震后余滑震相 Xa1.1同震止滑震相 XsQ 的观测结果讨论图 4 给出了震中周边地区，青海省德令哈等 11个地震台形变仪观测到的同震止滑震相 XsQ，震中距范围在 319.7 620.9 km 间 由图 4 可见，XsQ 震相在不同台、不同类型形变仪的记录特征基本相同，都是快速偏离 0 点的“阶跃型”波形 因各台快速偏离 0 点的时间与 XsQ 波到时基本一致，故把 XsQ 波看作是推动各台所在地块发生粘滑错动的力源 图4 选出的是各台阶跃幅度比较突出的分向，可见各台阶跃幅度比较突出的分向不完全一致，但多数台站是东西分向的阶跃幅度比较突出 说明在 XsQ 波的激发下，各台所在地块粘滑错动方向主要是东西方向，与景泰及周边地块所在的西域地块区运动方301地球物理学进展www progeophys cn2023，38(1)图 3温度计记录Fig 3The recordings on the thermometers向一致(张培震等，2003)图 5 给出了震中周边地区，甘肃省临夏等 4 个地震台水位仪观测到的同震止滑震相