烏加河地震臺PET重力儀同震響應特征研究

胡 瑋

（烏加河地震臺，內蒙古 巴彥淖爾 015323）

烏加河地震臺PET重力儀同震響應特征研究

胡 瑋

（烏加河地震臺，內蒙古 巴彥淖爾 015323）

基于烏加河地震臺重力儀觀測條件，從面波延遲時間、面波傳播速率、最大變形幅度、同震持續時間、響應形態和初動方向6個方面研究了烏加河地震臺PET重力儀對國內外6次地震的同震響應特征。研究結果顯示：同震響應的面波延遲時間與地震震中距離具有較好的正相關性；同震響應的波幅與地震震級大小及震中距有關；同震波的持續時間與震級有關；遠距離地震的同震波一般表現為脈沖形式；初動方向沒有規律。此研究有助于對PET重力儀的深入了解，同時也為地震相關參數的提取提供了參考依據。

重力儀；面波；波幅；同震響應；烏加河地震臺

0 引言

受地震波激發，借助數字化形變前兆臺網可觀測到地震時傾斜、應變和重力的波動現象，稱為同震形變波或震時形變波，以區分于地震波[1]。地震引起的同震形變波往往持續幾個小時甚至十幾個小時，從波形中可以得到包括地震破裂及傳播過程在內的大量信息，這對于地震研究工作者認識地震短臨前兆的動力特性和估算震源的相關參數有一定幫助。有研究顯示，同震響應研究由于具有加載區域廣、響應特征更易識別等優勢，是揭示地殼介質對應力—應變過程響應最直接和最有效的手段之一[2-3]。

烏加河地震臺使用的PET重力儀是用于測量地球各點重力時間變化的高精度儀器。該重力儀可以檢測周期從秒到若干年的地球物理、地球動力學效應所導致的微小的重力場變化。它通過網絡連接方式實行統一監控，將測量的各項數據傳播到監控中心網絡平臺，完成數據傳輸匯集與處理[4]。楊婕等[5]曾指出，PET重力儀相比于其他儀器（如：水管儀、垂直擺、伸縮儀）同震持續時間明顯更長，同震響應波幅也要更大；張凱等[6]也認為PET重力儀有較好的映震能力，對強遠震能夠較好的記錄到產生的顯著同震應變階躍，信息量更豐富。本文擬通過對烏加河地震臺PET重力儀對國內外6次強震的同震響應的變化特征分析，來獲得本臺重力儀對遠震的同震變化的相關特征。

1 烏加河臺重力儀觀測條件概況

烏加河地震臺（以下簡稱烏加河臺）位于內蒙古自治區巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮北，距離巴彥淖爾市區100km。臺站海拔1052 m，臺基位于花崗巖體上。構造方面本臺地處狼山前東西向大斷裂帶和河套斷陷盆地北緣，陰山緯向構造帶的中西段與狼山弧型構造帶的復合部位, 臨河坳陷的北端與陰山東西向構造帶的接壤地段[7]。從深部地殼結構上看，本區處于重力異常梯級帶，并有莫氏“上隆”現象。區內主要發育有包括色爾騰山山前斷裂在內的多個斷裂帶（圖1）。色爾騰山是由前震旦紀古老變質巖系組成的復式褶皺帶，并有多期條狀火成巖體侵入。重力儀觀測山洞洞體為花崗巖，同時洞內觀測測項還有水管傾斜、伸縮和水平擺傾斜等（圖2）。

圖1 烏加河地震臺所處區域地質構造圖Fig.1 The regional geological structure map of Wujiahe Seismic Station

色爾騰山山前斷裂帶及狼山山前斷裂帶區域自有地震記錄以來地震發生頻率較高，從1970年至2015年12月這一地區先后發生ML≥4.5地震58次，其中包括4次6級以上地震。距離烏加河地震臺10km的五原縣，曾在1934年和1979年發生過兩次6級以上地震。烏加河地震臺于2007年7月17日安裝了PET重力儀，近幾年該儀器運行率分別為：2014年99.98%，2015年98.13%，2016年1—7月99.99%，主要停記原因是儀器停擺。

圖2 烏加河地震臺洞體內部觀測儀器位置示意圖Fig.2 The location sketch map of observation instrument inside hole at Wujiahe Seismic Station

2 同震響應特征分析

本文根據發震時的震蕩曲線，通過選取近些年來國內外發生的6次6.0級以上地震，研究烏加河臺重力儀對于不同震中距和震級的地震的同震響應特征。6次地震的基本參數具體如表1所示。

2.1 國外遠震

北京時間2015年9月17日6時54分，智利中部海岸發生8.2級地震，震中距離烏加河地震臺18957 km。主震發生20分鐘后，烏加河臺重力儀出現初動，方向為負（初動方向，“正”表示曲線向上跳動，數值增加；“負”表示曲線向下跳動，數值下降），幅度為11.8×10-8ms-2，隨后重力儀曲線呈現上下震蕩變化形態，幅度為±286.1×10-8ms-2。到8時34分，主震發生100分鐘后，重力儀觀測曲線開始出現巨幅震蕩，并于8分鐘后達到最大值5602.8×10-8ms-2，后又大幅下降至4550.5×10-8ms-2，震蕩最大幅度達1052.3×10-8ms-2，之后，震蕩幅度逐漸減小，幅度較大的同震響應持續了約2.5小時（圖 3）。

表1 6次地震的基本參數

此外，17日當天于10時49分、13時38分和16時52分重力儀再次記錄到同一地區的幾次震級較小的余震，其在重力儀記錄的曲線上的變化是地震波動疊加在8.2級主震的曲線上，并快速衰減，重力觀測值如圖3所示。

圖3 2015年9月17日烏加河臺重力儀觀測曲線Fig.3 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Sep. 17, 2015

2016年7月30日5時18分 馬 利 亞 納群島地區發生7.8級地震, 震中距離烏加河臺6374 km。主震發生7分鐘后，烏加河臺重力儀出現初動，初動方向為正，分鐘值變化幅度為120.1×10-8ms-2，波形呈震蕩形式變化。5時36分后，震蕩幅度明顯增大，快速上升到188.5×10-8ms-2，最高值達6175.7×10-8ms-2，后大幅下降227.0×10-8ms-2，最低值降至5760.2×10-8ms-2。連續大幅震蕩13分鐘后，5時49分開始，震蕩開始變緩，幅度在±100×10-8ms-2內，于8時02分，震蕩幅度下降至±10×10-8ms-2內。直至12時，曲線才趨于平滑，重力觀測曲線如圖4所示。

2015年12月7日15時50分塔吉克斯坦發生7.7級地震，震中距離烏加河臺3053km。15時56分，主震發生6分鐘后，烏加河臺重力儀開始出現初動，重力值變化曲線出現上下波動，波動幅度達587.2×10-8ms-2。16時02分，震蕩幅度突然急劇增大，分鐘值變化幅度超過±500×10-8ms-2，16時08分 主震發生18分鐘后，重力值下降1133×10-8ms-2，達到最低峰值4050.9×10-8ms-2，震蕩幅度開始漸漸減小。到19時30分，分鐘值變化趨于正常狀態，觀測曲線也基本恢復平滑。重力觀測曲線如圖5所示。

圖4 2016年7月30日烏加河臺重力儀觀測曲線Fig.4 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Jul. 30, 2016

圖5 2015年12月7日烏加河臺重力儀觀測曲線Fig.5 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Dec. 7, 2015

2015年2月20日12時25分，日本本州東海岸遠海發生6.7級地震，臺站距震中2997km。重力觀測曲線如圖6所示。12時30分，主震發生5分鐘后，烏加河臺重力儀觀測曲線首先向上波動4.1×10-8ms-2，后突然下降8.1×10-8ms-2，隨之上下波動，分鐘值變化幅度約為±13×10-8ms-2。12時40分開始，分鐘值變幅超過20×10-8ms-2，震蕩幅度明顯增大，12時45分，距離主震發生20分鐘后，達到最高值4777.4×10-8ms-2,上升幅度達52.1×10-8ms-2,緊接著下降78.5×10-8ms-2，于12點44分達到最小值4698.9×10-8ms-2，之后波動漸漸減小，觀測值變化為±17×10-8ms-2，這種波動持續約136分鐘，直到15時，分鐘值變化恢復正常狀態。

在2014年11月22日，本臺檢測到同樣發生在日本本州東海岸遠海的一次地震，震級為6.4級，觀測曲線如圖7，烏加河臺重力儀對這2次地震的同震響應的延遲時間相同，都是5分鐘。但是，由于數字化采集設備按通道對不同觀測分量的信號進行采集,采集時間存在異步，而且數字化觀測的采樣時間間隔為1分鐘, 受到采樣頻率的限制，觀測曲線的初動時間存在或多或少的誤差,所以盡管同一地點發生的多次地震,重力儀同震響應延遲時間相同，但并不能認為延遲時間相同的地震，震源地點就相同。

2.2 國內強震

2.2.1 2016年2月6日臺灣高雄6.7級地震

2016年2月6日3 時57分臺灣高雄發生6.7級地震，臺站距震中2328km。烏加河臺重力儀4時01分出現初動，響應延遲為4分鐘，初動方向為負。同震響應形態為脈沖式。4時12分至4時14分，數據變化幅度突然急劇增大，為向上116.5×10-8ms-2，向下176.9×10-8

ms-2，隨后又向上42.6×10-8ms-2，最高值達到5514.3×10-8ms-2，最低值為5337.4×10-8ms-2。從圖8中可以看出,之后觀測曲線波動幅度明顯減小，持續近105分鐘，于6時，曲線變為光滑。

2.2.2 2014年11月22日四川康定6.4級地震

2014年11月22日16時55分四川康定發生6.4級地震,臺站距震中1375km。16時57分，主震發生2分鐘后，烏加河臺重力儀出現分鐘值變化幅度為8.8×10-8ms-2的初動，方向為向下，17時02分，重力儀觀測值大幅上升49×10-8ms-2，后又大幅下降111.2×10-8ms-2，變化幅度明顯增大，3分鐘后達到最小 值4036.9×10-8ms-2。17點13分 又 上 升 至4131.3×10-8ms-2， 與 震 前 的4131.2×10-8ms-2基本持平（圖7）。之后，震蕩逐漸變小，直到19時，重力曲線恢復光滑。

圖6 2015年2月20日烏加河臺重力儀觀測曲線Fig.6 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Feb. 20, 2015

圖7 2014年11月22日烏加河臺重力儀觀測曲線Fig.7 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Nov. 22, 2014

圖8 2016年2月6日烏加河臺重力儀觀測曲線Fig.8 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Feb. 6, 2016

3 討論與分析

關于文中分析的6次地震的同震響應參數如表2所示。

觀察圖3中智利中部海岸8.2級地震主震及幾次余震的形態變化可以清楚的看出，同一地區發生的地震，震級越大，曲線震蕩幅度也越大，說明觀測曲線震蕩幅度與震級成正比關系；對比塔吉克斯坦7.7級地震，震中距離烏加河地震臺分別為18957 km和3053km,而后者的最大變形幅度（1801.2×10-8ms-2）比前者（1052.3×10-8ms-2）要大的多。這是因為前者震級雖大，但是震中距比后者要遠的多，地震波的能量在遠距離傳播過程中有衰減,說明震蕩波幅不僅與震級大小有關，還與震中距離有關，距離越遠，地震波能量衰減程度越大。

對比表2中6次地震距離烏加河臺的震中距與重力儀出現同震響應的延遲時間可以明顯看出，面波的延遲時間隨著震中距的減小而變短。比如：智利中部海岸發生地震的地點距離烏加河地震臺18957km，地震發生20min后本臺重力儀才出現初動，而國內距離近得多的四川康定，震中距僅為1375km，面波延遲時間僅為2min。所以，地震臺重力儀初動時間相對于發震時間的延遲與震中距具有一定的正相關性。

根據面波延遲時間與震中距計算出地震波的傳播速率，可以看到，數值相差很大。這是由于數字化觀測的采樣時間間隔為1 min，限于采樣率會出現誤差；同時，特殊的地質結構會削弱地震波的傳播能量，也是影響面波傳播速率的重要原因之一[8-9]。

此外，從表2中還可以看出，重力儀的初動方向有正有負，沒有規律。薛生瑞等人[10]曾指出：不光是重力儀，其他類型的觀測儀器（如水管儀與垂直擺），對同一地震同震響應的初動方向也出現不一致現象[10]?？紤]其原因可能是，數字采樣是多通道依次進行，各分量的采樣時間難免存在異步現象，而且受采樣頻率的制約，同震響應的全部信息在這種數字化觀測中不能完全反映，會有所丟失，從觀測曲線中提取的初動信息極有可能存在誤差。這也是廣大的地震研究工作者在以后的工作中需要進一步探究的問題。

表2 烏加河地震臺PET重力儀記錄的6次地震的同震響應參數

4 結論

根據以上6次地震的同震響應觀測數據分析，得到以下6點結論：

（1）面波延遲時間盡管會受到地質結構的影響，但總體來說，面波延遲時間與地震發生地點到地震臺的距離呈正相關，距離越遠，面波延遲時間越長。

（2）面波延遲時間只能用于分析面波延遲時間與震中距的相關性，不能用于精確計算地震波的傳播速度。

（3）震中距離相同的地震，震蕩波幅與震級呈正相關。但是對于震中距離不同的地震，尤其是巨大遠震，由于地震波能量在長距離的傳播中會有更多的衰減，同震波波動幅度反而有可能小于震級小的近震。所以，同震波的波幅并不只與地震震級有關，還與震中距有關。

（4）綜合表1、表2數據，同震響應持續時間與地震震級強度有關,震級越大，響應持續時間也越長，地震強度越小，相應的響應持續時間也就越短。巨大遠震，觀測曲線往往是震蕩數小時后恢復光滑，如果在此期間出現余震，則余震的脈沖震蕩會與原主震波形上疊加。

（5）本文所研究的所有地震,烏加河地震臺重力儀測量的同震響應波形態都是脈沖形式，沒有出現階躍信號。由遠場地震波經過長距離傳播形成面波，當面波的頻率與形變觀測儀器自振頻率接近時會產生共振現象，在觀測曲線上的表現就是脈沖信號。

（6）重力觀測是沒有方向性的，表現在重力曲線上，初動方向有正有負，沒有規律。

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Abstract:Based on the gravimeter observation conditions of Wujiahe Seismic Station, the coseismic response Characteristics of PET gravimeter at Wujiahe Seismic Station is studied from 6 aspects of surface wave delay time, surface wave velocity, maximum deformation amplitude, coseismic duration,the response form and first motion direction. The results indicate that: there is a significant positive correlation between the surface wavedelay time of the coseismic response and epicentral distance; the amplitude of coseismic response is not only related to magnitude of earthquake but also to the epicentral distance of the earthquake; associated with shock wave duration and magnitude; the coseismic wave of distant earthquake are mostly pulse form; the first motion direction has no distribution law. This helps to deepen the understanding of the PET gravimeter, also for the extraction of seismic parameters provides a reference basis.

Key words:gravimeter; surface wave; amplitude; coseimic response; Wujiahe Seismic Station

Coseismic Response Characteristics of PET Gravimeter at Wujiahe Seismic Station

HU Wei
（Wujiahe Seismic Station, Inner Mongolia Bayannur 015323, China）

P315.726

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.009

1674-8565（2017）03-0049-06

2016-12-05

2017-04-16

胡瑋（1986-），男，內蒙古巴彥淖爾人，畢業于中國礦業大學，本科，助理工程師，現主要從事地震前兆觀測方面的工作。E-mail：329710529@qq.com