山西離石中心地震臺(tái)水管儀與水平擺傾斜儀同震響應(yīng)對(duì)比分析

薛生瑞，高翠珍，王曉霞，徐 博

(1.山西省地震局離石中心地震臺(tái)，山西 離石 033000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

1 臺(tái)站概況

離石中心地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱離石臺(tái))位于山西呂梁市方山縣北武當(dāng)名勝風(fēng)景區(qū)，該景區(qū)最高海拔2 254 m，總面積約80 km2，系我國北方道教圣地之一。北武當(dāng)觀測(cè)站位于北武當(dāng)山山腳下，臺(tái)基屬花崗巖，海拔高程1 420 m。新建觀測(cè)洞室?guī)r石平均厚度大于50 m，觀測(cè)項(xiàng)目有區(qū)域測(cè)震、水管傾斜儀、伸縮儀、水平擺傾斜儀、鉆孔應(yīng)變儀、氣象三要素等。觀測(cè)站有太古界呂梁期花崗巖、本區(qū)花崗巖巖性，臺(tái)址的地貌屬花崗巖典型地貌形態(tài)構(gòu)造，屬呂梁山斷塊隆起區(qū)，距儀器山洞最近的斷裂為劉家岔斷裂，位于儀器山洞東1.6 km處，斷裂長(zhǎng)6 km。

DSQ水管傾斜儀(以下簡(jiǎn)稱水管儀)與SSQ-2I水平擺傾斜儀(以下簡(jiǎn)稱水平擺)均安裝在離石臺(tái)北武當(dāng)觀測(cè)站新建的一個(gè)山洞內(nèi)。水平擺與水管傾斜儀的間距不足5 m。兩臺(tái)儀器方位角均成正北、正南基線，均互相平行，相對(duì)來說，測(cè)的是同一個(gè)物理量(見第18頁圖1)。

山洞的洞體全長(zhǎng)201 m，其中引洞50 m，從洞口向北東38°方向計(jì)要求，高2 m，寬1.8 m；儀器洞長(zhǎng)134 m，其中，儀器支洞過渡洞長(zhǎng)14 m，水管和應(yīng)變的3個(gè)分量?jī)x器室各長(zhǎng)40 m，高2.0 m，寬1.8 m；6個(gè)支洞，高2.6 m，寬2.8 m[1]。

2 水管儀與水平擺的性能及安裝情況

水平擺的工作原理是:利用水平擺的高放大性能，對(duì)微小的地傾斜變化進(jìn)行連續(xù)記錄；水管儀的工作原理是：相同的2個(gè)容器中，同一液體在相同的氣壓、溫度等條件下，其液面在靜止時(shí)位于統(tǒng)一水平面上，當(dāng)?shù)孛娈a(chǎn)生傾斜時(shí)，2個(gè)容器也隨之傾斜，從而相對(duì)于保持水平的液面產(chǎn)生垂直位移，借助于測(cè)微系統(tǒng)精確地測(cè)定此位移量，即可換算成地面的傾斜值[2]。

水管傾斜儀與水平擺傾斜儀的觀測(cè)對(duì)象都是地平面與水平面之間的夾角(即地平面法線與鉛垂線的夾角)及其隨時(shí)間的變化[3]。觀測(cè)值單位是角秒，具有大小和方向。觀測(cè)精度為0.003″，零漂≤0.005″/d，采樣率為1次/分鐘[3]。

3 水管儀與水平擺的地傾斜同震響應(yīng)特征分析[4-5]

選取17個(gè)地震，作為2種地傾斜觀測(cè)儀器的同震響應(yīng)分析樣本(見第18頁表1)，震級(jí)范圍從5.1級(jí)到9.0級(jí)。最近的甘肅岷縣6.6級(jí)地震的震中距是738.1 km，最遠(yuǎn)的斯科舍海7.8級(jí)地震，震中距達(dá)12 743 km，除發(fā)生在陸地的地震外，也有發(fā)生在海底的地震。

從表1可以看出，2套儀器對(duì)同一地震的響應(yīng)不同；相同儀器對(duì)同一地區(qū)不同震級(jí)地震的響應(yīng)也不相同；不同的地傾斜儀器對(duì)同一地震的響應(yīng)幅度、延遲時(shí)間、震蕩時(shí)間的響應(yīng)也不相同；隨著震級(jí)的增大，不同儀器或同一儀器，在幅度、延遲時(shí)間、震蕩時(shí)間的響應(yīng)也不同[6]。

表1 選取地震樣本及水管儀、水平擺響應(yīng)幅度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

(1) 最大變形幅度。

從水管儀和水平擺對(duì)17個(gè)震例的響應(yīng)幅度對(duì)比曲線看出，16次地震的水平擺響應(yīng)幅度大于水管儀響應(yīng)幅度，有1次地震的水管儀響應(yīng)幅度大于水平擺(見圖2)。

水管儀的變形幅度與震級(jí)、震中距有關(guān)。如，日本9.0級(jí)地震比巴基斯坦7.9級(jí)地震響應(yīng)幅度大；四川蘆山7.0級(jí)地震比甘肅岷縣6.6級(jí)地震響應(yīng)幅度大；四川蘆山與千島群島地震震級(jí)相同，震中距與響應(yīng)幅度成反比；吉林松原5.8級(jí)地震比5.5級(jí)地震響應(yīng)幅度大。在地方震震中距相同的情況下，震級(jí)大則響應(yīng)幅度大。

水平擺對(duì)17次地震的響應(yīng)幅度與震級(jí)成正比，震級(jí)越大，響應(yīng)幅度越大。吉林松原震中距相同而震級(jí)不相等的2次地震的響應(yīng)幅度不一樣，說明與震中距無關(guān)；震級(jí)大的遠(yuǎn)震反而比震級(jí)小的近震響應(yīng)幅度小，如，千島群島7.0級(jí)地震比四川蘆山7.0級(jí)地震、新疆于田6.2級(jí)地震的響應(yīng)幅度小。水平擺的變形幅度與震級(jí)、震中距有一定關(guān)聯(lián)。

同震響應(yīng)幅度上，水平擺對(duì)5級(jí)以下地震的響應(yīng)幅度能記錄到，但有時(shí)水管儀記錄不到5.0級(jí)以下地震的同震響應(yīng)。

圖2 水平擺、水管儀震級(jí)與響應(yīng)幅度對(duì)比曲線

(2) 地震響應(yīng)延遲時(shí)間。

由圖3可以看出，水管儀與水平擺的地震響應(yīng)延遲時(shí)間與地震震中距成正比，震中距越大，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。最遠(yuǎn)的斯科舍海7.8級(jí)、溫哥華以西地區(qū)7.9級(jí)地震延遲時(shí)間分別為23分、21分和20分、15分，最近的甘肅岷縣6.6級(jí)地震震中距738.1 km，水管儀與水平擺的響應(yīng)延遲時(shí)間分別為6分、1分鐘。所以，水平擺的響應(yīng)延遲時(shí)間均比水管儀的短。

圖3 水管儀、水平擺響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距關(guān)系曲線

(3) 同震持續(xù)時(shí)間。

由圖4看出，水管儀與水平擺的同震響應(yīng)時(shí)間均與震級(jí)成正比，震級(jí)越大，同震持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。強(qiáng)地震引起的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間比中等地震長(zhǎng)，水平擺的同震持續(xù)時(shí)間比水管儀的長(zhǎng)。

圖4 地震震級(jí)與地震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線

(4) 震中距相近、震級(jí)不同的響應(yīng)比。

對(duì)于地震震中距相近的地震，如，吉林松原5.8級(jí)、5.5級(jí)地震，水平擺的響應(yīng)幅度分別為47.4 ×10-3″ 、1.68×10-3″，水管儀的幅度分別為38.5×10-3″、1.0×10-3″；甘肅岷縣6.6級(jí)地震、甘肅張掖5.1級(jí)地震，水平擺的響應(yīng)幅度為26.2×10-3″、2.4×10-3″，水管儀的響應(yīng)幅度分別為1.4×10-3″、0.12×10-3″，響應(yīng)幅度均隨震級(jí)的下降而逐步下降，地震振蕩時(shí)間隨震級(jí)增大而延長(zhǎng)。對(duì)同一地震，水管儀的延遲時(shí)間比水平擺的要短。對(duì)于震中距相同或相近、震級(jí)不同的地震，同一觀測(cè)系統(tǒng)的地震響應(yīng)幅度、振蕩時(shí)間與地震震級(jí)成正比關(guān)系，延遲時(shí)間相同。

4 結(jié)論

(1) 離石臺(tái)水管儀和水平擺2種地傾斜觀測(cè)系統(tǒng)都能記錄到同震響應(yīng)，這種響應(yīng)都以高頻振蕩衰減的形式疊加在所記錄到的傾斜固體潮上。

(2) 2種地傾斜觀測(cè)系統(tǒng)的地震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)成正比，震級(jí)越大，同震持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)地震引起的響應(yīng)時(shí)間比中強(qiáng)地震時(shí)間要長(zhǎng)。

(3) 在震中距相近的情況下，同一觀測(cè)系統(tǒng)的同震變形波幅度、振蕩時(shí)間與震級(jí)成正比，延遲時(shí)間相同。

(4) 水管儀的形變波響應(yīng)幅度與震級(jí)成正比，與震中距成反比；水平擺的形變波幅度主要與震級(jí)有關(guān)，但與震中距也有一定的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛生瑞，徐 博，高翠珍，等.山西離石中心地震臺(tái)數(shù)字傾斜儀資料質(zhì)量跟蹤分析[J].山西地震,2013(4):14-17.

[2] 國家地震局.地傾斜臺(tái)站觀測(cè)規(guī)范[M].北京：地震出版社，1986：5-10.

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