恩施地震臺gPhone 重力儀同震響應特征分析

徐志輝 錢 庚 王建偉

（1、中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），湖北 武漢430071 2、湖北省地震局，湖北 武漢430071 3、恩施地震臺，湖北 恩施445000）

1 概述

當地震發生時，架設在各觀測點的數字化形變前兆儀器會記錄到傾斜、應變或應力波動的現象，我們把這種由地震波激發而產生的現象稱為震時形變波，用以區分地震波[1]。地震引起的同震形變波包括了地震破裂及傳播過程中的大部分信息，通過這些信息可以估算地震震源的一些參數[2]。

近年來，國內許多同行對重力同震響應特征做了很多工作，主要是從首波初至、地震頻帶響應、地震面波、同震變形幅度、同震持續時間等方面進行分析。

拉薩地震臺巫繼蘭[3]，北京地震臺周江林[4]，烏加河地震臺胡瑋[5]，漠河地震臺趙建通等[6]，分別研究了各自臺站記錄到的重力強震同震響應特征，得出的結果大同小異。

恩施地震臺配備了高精度的gPhone 相對重力儀，同樣具備強震同震響應特征分析。

2 恩施地震臺觀測條件

恩施地震臺位于湖北省恩施市五峰山，在地質構造上位于上揚子臺褶帶的咸豐復背斜軸部，北北東向恩施斷陷盆地東緣，西距第四紀活動的北北東向恩施斷裂帶約10km。臺站占地面積14000 平方米，臺基為二疊紀石灰巖，巖層完整、堅硬，觀測環境良好，是中國大陸構造環境監測網絡（簡稱“陸態網絡”）基準站之一。

2009 年5 月，重力觀測山洞開始修建，同年8 月，山洞建成，安裝儀器并且開始運行。恩施臺重力觀測儀器為Micro-g 和LaCoste 公司研發的gPhone 相對重力儀，該儀器采樣率為1 秒，精度可達5.0×10-8m·s-2，系統分辨率為0.1×10-8m·s-2，可控量程為7000mGal，儀器每月零漂小于1×10-5m·s-2，可以保證儀器在觀測過程中依然處于量程范圍內。自儀器開始運行以來，儀器的運行率和連續率均保持較高水平，有利于地殼形變的研究。

3 同震響應特征分析

本文根據發震時的重力數據震蕩曲線，選取了2020-2021年來國內外發生的5 次6.0 級以上地震，研究恩施地震臺gPhone 重力儀對于不同震中距和震級的地震的同震響應特征，5 次地震的基本參數具體如表1 所示。

3.1 國內近震

北京時間2021 年03 月19 日14 時11 分26 秒，西藏那曲市比如縣發生6.1 級地震，震中距距離恩施地震臺1604.15 公里，地震發生后160 秒后，恩施地震臺gPhone 重力儀開始出現震動，震動形態為震蕩衰減，并未出現臺階等形態，整個震動持續時間為41 分鐘，其中最大波值達到29454.4×10-8m·s-2，最小波值為14250.5×10-8m·s-2，最大幅度達到15203.9×10-8m·s-2，重力觀測數據曲線如圖1。

圖1 2021 年03 月19 日恩施地震臺重力儀觀測曲線

3.2 國外遠震

北京時間2021 年02 月13 日22 時07 分50 秒，日本本州東岸近海發生7.1級地震，震中距距離恩施地震臺3073.66公里，地震發生后663 秒后，恩施地震臺gPhone 重力儀開始出現震動，震動形態為震蕩衰減，并未出現臺階等形態，整個震動持續時間為61 分鐘，其中最大波值達到28454.7×10-8m·s-2，最小波值為14805.5×10-8m·s-2，最 大 幅 度 達 到13649.2×10-8m·s-2，重力觀測數據曲線如圖2。

圖2 2021 年02 月13 日恩施地震臺重力儀觀測曲線

北京時間2020 年03 月25 日10 時49 分19 秒，千島群島發生7.5 級地震，震中距距離恩施地震臺4527.35 公里，地震發生后977 秒后，恩施地震臺gPhone 重力儀開始出現震動，震動形態為震蕩衰減，并未出現臺階等形態，整個震動持續時間為263 分鐘，其中最大波值達到22268.4×10-8m·s-2，最小波值為3784.4 ×10-8m·s-2， 最 大 幅 度 達 到18484.0×10-8m·s-2，重力觀測數據曲線如圖3。

圖3 2020 年03 月25 日恩施地震臺重力儀觀測曲線

北京時間2021 年03 月05 日03 時28 分32 秒，新西蘭克馬德克群島發生7.8 級地震，震中距距離恩施地震臺10226.57 公里，地震發生后2207 秒后，恩施地震臺gPhone 重力儀開始出現震動，震動形態為震蕩衰減，并未出現臺階等形態，整個震動持續時間為215 分鐘，其中最大波值達到25616.9×10-8m·s-2，最小波值為16914.9×10-8m·s-2，最大幅度達到8702.0×10-8m·s-2，重力觀測數據曲線如圖4。

圖4 2021 年03 月05 日恩施地震臺重力儀觀測曲線

北京時間2020 年01 月29 日03 時10 分22 秒，古巴南部海域發生7.7 級地震，震中距距離恩施地震臺14413.40 公里，地震發生后3111 秒后，恩施地震臺gPhone 重力儀開始出現震動，震動形態為震蕩衰減，并未出現臺階等形態，整個震動持續時間為135 分鐘，其中最大波值達到14746.0×10-8m·s-2，最小波值為9675.9×10-8m·s-2，最大幅度達到5070.1×10-8m·s-2，重力觀測數據曲線如圖5。

圖5 2020 年01 月29 日恩施地震臺重力儀觀測曲線

4 結果與討論

本文中5 次地震的同震響應參數如表2。

表2 恩施地震臺gPhone 重力儀對5 次地震的同震響應參數

從表中我們可以得出以下結論：

4.1 恩施臺重力儀完整的記錄了這5 次地震，并且每個地震的同震響應幅度都非常明顯，說明該重力儀對強地震有很高的響應靈敏度。

4.2 5 次地震反映出隨著震中距的增加，重力儀的震動到時也隨之增加，說明同震響應中，震動到時和震中距成正相關關系，震中距越大，震動到時時間越長。

4.3 從1、2、4 和5 號地震可以看出，同震響應的最大振幅，和震中距有著一定的關系，隨著震中距的增大，最大振幅呈現遞減的趨勢，同時最大振幅和震級也有著一定的關系，相同震中距的地震，震級越大，最大振幅也越大，相同震級的地震，震中距越大，最大振幅越小。

4.4 1、2 和3 號地震可以看出，震中距越大，震蕩持續時間越長，3、4 和5 號地震可以看出，當震級相近時，震中距越遠，震蕩時間越短。

4.5 3、4 和5 號地震，震蕩持續時間非常長，超過地震本身震動持續時間，猜測可能是因為這三個地震都屬于遠海地震，發生在海中，地震波引起海水的來回震動，對陸地進行來回的沖擊，導致震蕩持續時間明顯增加。

4.6 本文的研究還有許多不足之處，由于研究的震例較少，再加上地震發生時地下結構的復雜性，并未得出具有普遍性的結果，這方面需要加強學習研究。