江蘇常熟臺VS與VP型傾斜儀觀測數據對比分析

劉冬冬，陸德明，狄 樑，錢文杰，丁建國

（江蘇省地震局常熟地震臺，江蘇 常熟215500）

地震的孕育及發生伴隨著地殼的形變。在地震預報中，只研究地震前的變化還不夠，還必須了解地震本身，地震同震響應是研究地震最直接的資料（牛安福等，2005；付虹等，2007）。近年來許多地震學者通過大量的研究工作得出形變觀測儀器具有較強的同震響應能力（呂品姬等，2010；于慶民等，2015；關華等，2010）。江蘇常熟臺VS型垂直擺傾斜儀于2007年完成安裝，并數次成功響應如東附近海域M3.0以上地震；VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀于2014年12月完成安裝，屬于“十一五”項目的高精度垂直擺傾斜儀；這兩套傾斜儀器均位于常熟虞山辛峰亭軍用山洞內。通過對這兩套擺式傾斜儀器記錄的2015～2016年觀測資料進行分析，檢驗兩套儀器的同震響應能力，可以為地震預測提供準確的參考資料。

1 臺站觀測條件

常熟臺VS與VP兩種類型垂直擺傾斜儀都安裝于常熟虞山辛峰亭軍用山洞內，靠近無錫—崇明斷裂（魯宗良等，2003），洞體巖石巖性為五通組石英砂巖，巖體完整、致密、堅硬（丁建國等，2008）。山洞進深170 m，洞高2.35 m，寬2.50 m，混凝土全被覆，覆蓋厚度20～30 m，常年溫度在17.3℃，日溫差小于0.01℃，年溫差小于0.1℃。VS型垂直擺南北測項方位角均為0°，東西測項方位角均為90°（見圖1a）。

1.1 儀器原理及結構

垂直擺傾斜儀運用擺的鉛垂原理。垂直擺由柔絲、擺桿和重塊三部分組成。垂直擺在沒有振動的條件下處于鉛垂狀態，當發生傾斜變化時，擺平衡位置發生變化，擺和支架之間的相對位置發生變化，電容式位移傳感器的動片和定片之間的間距也相應的發生變化，這種變化通過傳感器轉換成電信號并加以放大，就可將擺的微小位移轉換成電信號，由于地傾斜的相對變化量很小，擺的相對偏移量也很小，因此必須有一個高精度的測微系統，測量擺的位置的變化（胡國慶，2008）。

VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀機械構造基本相同，儀器的機械結構主要由以下六個部分組成：擺系、主體支架、電容位移傳感器探頭、底座、調平機械和鎖擺機構（如圖1b）。VS型垂直擺傾斜儀基礅為1.30×1.00×0.35 m3，外加工花崗巖塊安裝鑲鍥于磨平完整的石英砂巖基底平面上，用水泥砂漿充填粘接，四周有80×80 mm2減振槽。儀器墩面要求平整，墩面高差在3 mm內，且在墩面的左上方標出正EW，正NS方位線，布設方位角與正北方向。VP型寬頻帶傾斜儀基礅為1.20×0.60×0.56 m3，鑲鍥于磨平的完整的石英砂巖基底平面上，用水泥砂漿充填粘接，四周有80×80 mm2減振槽。上覆花崗巖塊（1.20×1.00×0.12 m3），連接處用水泥砂漿充填粘接。儀器墩面要求平整，墩面高差在3 mm內，且在墩面的左上方標出正EW，正NS方位線，儀器布設方位角為正北方向。

圖1 常熟地震臺儀器布設及結構

1.2 常熟臺VS型和VP型傾斜儀區別

VP型寬頻帶傾斜儀是在VS型垂直擺傾斜儀的基礎上改進而成的，頻帶寬度比其它形變儀器的寬度提高20倍以上。VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀具體參數見表1。從表1中可以看出，VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀技術指標基本相同，VP型寬頻帶傾斜儀的秒采樣率能記錄到VS型垂直擺傾斜儀記錄不到的一些高頻信號，故受到環境因素的影響也更為明顯些。

表1 VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀具體參數表

2 同震響應能力分析

VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀均是通過傳感器將位移變化轉化為電信號，由數據采集器實時采集數據并儲存，記錄觀測點地表在地震發生時的傾斜。

2.1 同震響應能力分析

在2015～2016年，VS型傾斜儀共記錄到244個地震，其中最大的為2015年4月25日尼泊爾MS8.1級地震，最小的為2015年3月21日黃海MS2.4級地震；VP型傾斜儀共記錄到324個地震，其中最大的為2015年4月25日尼泊爾MS8.1級地震，最小的為2015年12月24日黃海MS3.0級地震。從表2、表3和圖2可以看出VS型與VP型傾斜儀均可以記錄到明顯的地震波形，最大響應幅度受震級及震中距的影響，因VP型傾斜儀頻帶較寬，又是秒采樣率，記錄的地震波曲線頻率明顯高于VS型垂直擺傾斜儀；兩者響應時間與震中距有關，震中距越大響應時間越長；持續時間與震級成正比關系，與震中距成反比關系，震級越大持續時間越長。據統計，對于VP型傾斜儀，在震級小于5.0的地震中，可以記錄到地震的最大震中距為3 218 km；5.0～5.9級地震中，可以記錄到的最大震中距為14 110 km；全球6級以上的地震均可以記錄到。由于VS型傾斜儀受頻帶帶寬限制，在震級小于5.0的地震中，可以記錄到的最大震中距僅為2 037 km；5.0～5.9級地震中，可以記錄到的最大震中距為8 210 km；6.0～6.9級地震中，可以記錄到的最大震中距為17 366 km；全球要7級以上地震才能記錄到。以安徽阜陽4.3級地震和黃海4.0級地震發生為例，VS型傾斜儀的響應幅度明顯大于VP傾斜儀的響應幅度，VS型傾斜儀在記錄近震時會引起同震階躍，曲線整體變化比VP型擺傾斜儀明顯的多（見圖3）。

2.2 VS型與VP型傾斜儀震前異常記錄

2016年10月20日射陽發生M4.4地震，9月16日常熟臺VS型垂直擺出現急劇往北傾斜的現象，自9月16日03時開始至17日09時，24小時累計傾斜量達到4倍日變幅度，固體潮形態出現突變，地面急劇往北傾斜，9月18日VS型傾斜儀數據恢復到正常固體潮變化形態。經過多方面排查及落實，推測此次變化可能是M4.4地震前的短臨前兆異常。

表2 VS型傾斜儀記錄典型地震的同震響應參數

表3 VP型傾斜儀記錄典型地震的同震響應參數

圖2 2016年3月2日印尼蘇門答臘M S7.8地震波形

圖3 2016年8月6日黃海M S4.0地震波形

受常熟臺形變山洞西南方向尚湖降雨蓄水影響，正常狀態下降雨，傾斜儀器向西南方向傾斜（丁建國等，2011）。射陽M4.4地震前，VS型傾斜儀突破降雨干擾出現了北傾（見圖4a），VP型傾斜儀并未出現北傾，僅表現為以往干擾的西南方向傾斜（見圖4b）。根據以往降雨量與傾斜數據統計發現，儀器傾斜幅度與降雨量的比值通常為0.34～0.4，而9月16日VP型傾斜儀的傾斜幅度與降雨量的比值為0.249，說明此次記錄信息中可能包含了地震前兆（見圖5）。

圖4 2016年9月13～19日常熟臺VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀對比

圖5 2015～2016年VS型與VP型傾斜儀降雨干擾對比

3 結論

通過對同一形變山洞內VS與VP兩種型號傾斜儀記錄的地震數據進行對比分析，得知：二者均能清楚記錄到大于6.0級以上遠震和地方震，儀器同震響應能力有較高的一致性。在記錄遠震時，VP型傾斜儀記錄的同震變化振幅明顯大于VS型傾斜儀記錄的振幅；在記錄近震時，VS型傾斜儀會產生同震階躍，其記錄幅度大于VP型傾斜儀的記錄幅度。VS型垂直擺傾斜儀的地震前兆表現優于VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀，我們可以直接從形態法中找到異常信號，而VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀應用降雨量定量分析法也可以發現異常信號。