青海瑪多MS7.4地震安西站VP寬頻帶傾斜儀數據特征分析

閆 勛 高曙德 姜振海 馬武剛 楊 聰 李 娜 柴 源 曹 喜 馬 蘭 醴武權 桑曉鳳

1 嘉峪關地震監測中心站，甘肅省嘉峪關市文物景區小巷31號，735100 2 中國地震局蘭州地震研究所，蘭州市東崗西路450號，730000 3 中國地震局地震大地測量重點實驗室，武漢市洪山側路40號，430071 4 中南大學地球科學與信息物理學院，長沙市麓山南路932號，410083

強震發生時，同一臺站不同測項或不同臺站相同測項會記錄到同震波形。近年來，部分學者應用頻譜分析、時頻分析方法對形變同震變化幅度、持續時間、數據曲線形態進行分析，研究發現，VP寬頻帶傾斜儀比同類傾斜觀測儀器更加靈敏，同震曲線信號更加豐富[1-6]。部分學者對具有同址觀測條件的寬頻帶地震計以及VP寬頻帶傾斜儀的同震記錄進行包括地震學震相識別在內的融合分析[7-8]，結果表明，VP寬頻帶傾斜儀與寬頻帶地震計同震記錄具有可靠性與一致性。但以往研究主要是對儀器觀測數據特征進行分析，對2套儀器記錄差異成因的分析較少。基于前人成果，結合2021-05-22青海省瑪多縣(98.34°E,34.59°N)MS7.4地震的同震波形，對2套儀器進行關于此次地震的數據變化特征、地震學震相形態、頻譜特征對比分析，并結合儀器觀測參數及儀器結構進行探討。同時結合區域構造運動的時間進程，判斷VP寬頻帶傾斜儀在大震前能否用于地震異常信息的預測。

1 臺站基本情況

安西地震監測站位于甘肅省酒泉市瓜州縣，測區位于阿爾金斷裂北側100 km處三危山斷裂南側的NE向擠壓破碎帶上，多期活動以剪切變形為主，巖層受到應力擠壓發育成多種形態的皺曲構造，區域地震活動較為活躍。山洞洞室頂部與側向覆蓋層厚度均大于30 m，巖性為輝巖，巖體堅硬完整，地表以礫石及細砂為主，厚33 m，洞體附近為丘陵地貌和戈壁灘。洞內年平均溫度為13.7 ℃，洞室溫度變化小于0.5 ℃/a。觀測環境均符合《地震及前兆數字觀測技術規范》相關要求。

2014-06 VP寬頻帶傾斜儀安裝完成并開始試運行，采樣率為1 s，記錄頻段為(2～3)×107s。CTS-1地震計安裝時間較早，記錄頻段為0.02～120 s。2種儀器的觀測頻段部分重疊，VP 寬頻帶傾斜儀更側重于低頻測量，儀器的固有頻率決定了其融合分析的科學性和可行性[8]。青海瑪多MS7.4地震距離安西地震監測站685 km(圖1)，安西臺站的測震、形變測項均記錄到此次地震的同震波形。

圖1 青海瑪多MS7.4地震與安西站相對位置

2 數據分析

安西地震監測站VP寬頻帶傾斜儀在瑪多MS7.4地震(發震時刻02:04)發生后的02:05(7 549 s)記錄到同震波形，06:18(22 680 s)左右同震波形結束。該過程中NS分量數據變化幅度為101.01 ms(VP寬頻帶傾斜儀觀測的數據物理量為傾角，單位ms)，EW分量數據變化幅度為129.72 ms(圖2)。NS分量同震效應起始于南傾階躍變化，EW分量同震效應起始于東傾階躍變化，隨后同震效應轉變為連續突跳波動，在不斷的振蕩過程中由東南方向傾斜逐漸恢復為向西北方向傾斜。傾斜變化大體為西北-東南方向，與震中偏向臺站的方位接近。

圖2 VP寬頻帶傾斜儀秒值數據

2.1 資料處理與對比分析

選取05-22 02:00～04:00 VP寬頻帶傾斜儀數據以及NS向、EW向測震記錄數據進行對比分析。考慮到VP寬頻帶傾斜儀為秒采樣，為統一分析，對原有100 Hz采樣率的CTS-1地震計數據重采樣后進行對比分析，如圖3所示(文中所有地震波形數據速度單位均為106μm/s，加速度單位均為106μm/s2)。計算02:00～04:00 VP寬頻帶傾斜儀秒數據及地震波秒采樣數據一階差分項并取絕對值，分析其變化速率和加速度特征(圖4)。

圖3 VP寬頻帶傾斜儀數據與CTS-1地震計重采樣秒數據

圖4 VP寬頻帶傾斜儀數據與CTS-1地震計數據的一階差分曲線

由圖3、4可見，2套儀器的秒值數據均能記錄到清晰的同震曲線，VP寬頻帶傾斜儀同震曲線及CTS-1地震計地震波曲線的變化幅度均呈現出小-大-小的變化特征。VP寬頻帶傾斜儀的波形數據呈現出具有一定趨勢的“紡錘狀”形態特征，同震速率曲線幅度差異較小；CST-1地震計記錄的波形數據則呈現“包絡狀”的形態特征，同震加速度曲線幅度差異明顯。2套儀器的變化速率、加速度達到峰值后的衰減時間存在差異，衰減速度也不相同。

2.2 震相記錄特征對比

對地震計震相到時進行標注后發現，VP寬頻帶傾斜儀記錄的Pn(02:05:46, 346 s)、Sg(02:07:30, 450 s)及面波(02:07:51, 471 s)均存在突升突降變化(圖5)。由于儀器采樣率、響應頻帶存在差異，因此CST-1地震計的震相同步變化主要以一定周期內的密集波動為主(Pn在地震波NS上較為發育)；VP寬頻帶傾斜儀同震曲線震相同步變化主要以漸變臺階、突跳為主。該變化特點與朱冰清等[8]的研究結果一致。從同震震動(傾斜)變化持續時間來看，CTS-1地震計數據在02:06:20(500 s)附近面波達到峰值后迅速進入衰減狀態，而VP寬頻帶傾斜儀的傾斜變化仍然持續。對儀器結構、設計原理、儀器采樣率及響應頻帶的差別進行分析發現，CTS-1地震計設計中包含阻尼模塊[9-10]，而VP寬頻帶傾斜儀無阻尼模塊[11-12]，因此VP寬頻帶傾斜儀衰減(振蕩)時間較長。

圖5 VP寬頻帶傾斜儀數據與CTS-1地震計數據的震相分析

2.3 時頻曲線特征

本文基于MATLAB的傅里葉變換和連續小波變換對瑪多7.4級地震進行頻譜分析及時頻分析，得到本次地震的優勢頻率和時頻變化特征。

設φ(t)為一個基本小波，φa,b(t)為連續小波函數，對于f(t)∈L2(R)，其連續小波變換可表示為：

WTf(a,b)=

(1)

式中，a≠0、b、t均為連續變量，φ*(t)為φ(t)的共軛。

圖6為小波變換得到的2套儀器記錄數據的傅里葉變換頻譜，由圖可見，VP寬頻帶傾斜儀同震曲線的頻率主要分布在0～0.1 Hz，其中VP NS分量優勢頻率主要在0.06 Hz左右(圖6(a))，EW分量優勢頻率主要在0.07 Hz左右(圖6(b))；CTS-1地震計數據優勢頻率主要分布在0.03～0.2 Hz，其中北南道出現3處優勢頻率，分別在0.03 Hz、0.08 Hz、0.12 Hz附近(圖6(c))，東西道出現4處優勢頻率，分別在0.047 Hz、0.089 Hz、0.12 Hz、0.16 Hz附近(圖6(d))。VP寬頻帶傾斜儀與CTS-1地震計頻率的EW振幅均大于NS振幅，在各自主要頻率分布范圍內，VP寬頻帶傾斜儀頻率振幅差異較小，在0.07 Hz附近達到峰值；CTS-1地震計數據主要頻率分別在0.03 Hz、0.08 Hz、0.012 Hz、0.17 Hz處達到峰值，振幅差異明顯。

圖6 VP寬頻帶傾斜儀數據與CTS-1地震計數據頻譜

為對比2種觀測數據頻率成分的時間特性，使用連續小波函數進行時頻分析。VP寬頻帶傾斜儀數據時頻譜(圖7)中同震效應開始后出現0～0.2 Hz的頻率信號，低頻信號出現時間早、振幅較小，0.2 Hz左右信號出現延遲，隨后信號頻率趨于集中。02:33～02:50(2 000～3 000 s)出現最強振幅頻率信號，主要集中在0.68 Hz左右，03:06(4 000 s)以后0.02～0.7 Hz的頻率信號逐漸減弱。從CTS-1地震計數據時頻譜中(圖8)可以看出，地震波開始后頻率分布在0～0.5 Hz，北南道在02:07～02:10(450～550 s)出現0.039 Hz、0.08 Hz、0.12 Hz、0.14 Hz四組優勢頻率，隨后優勢頻率振幅迅速衰減，02:58(3 500 s)左右基本恢復到震前水平。東西道在02:07～02:10(450～550 s)出現0.051 Hz、0.088 Hz、0.12 Hz三組優勢頻率，隨后優勢頻率振幅迅速衰減，02:58(3 500 s)左右基本恢復到震前水平。

圖7 VP寬頻帶傾斜儀數據時頻譜

圖8 CTS-1地震計數據時頻譜

結合震相到時可知，CTS-1地震計優勢頻率信號(紅色強振幅信號)主要集中在地震學震相出現的時段附近，而VP寬頻帶傾斜儀最強振幅出現在主要震相結束后0.5～1 h內。對比2套儀器結構及頻帶寬度后發現，VP寬頻帶傾斜儀位移傳感器動塊為金屬塊狀擺體，儀器頻帶寬度為(2～3)×107s，儀器分辨率為0.001 ms，無阻尼模塊[11-12]，反映在同震曲線頻譜圖、時頻圖上為儀器對0.2 Hz以下(周期大于5 s)的信號記錄較好，不同震相引起的同震變化振幅集中、衰減慢、變化幅度差異不明顯；CTS-1地震計位移傳感器動塊則為葉簧及質量塊，頻帶寬度為50 Hz～120 s，儀器靈敏度為2 000 count·s·m-1[9-10]，儀器包含阻尼模塊，反映在同震曲線頻譜圖、時頻圖上為高頻部分信號更加豐富，不同震相引起的同震曲線變化幅度差異明顯，時間-頻率分布特征與震相變化聯系更緊密。

2.4 VP寬頻帶傾斜儀震前異常信號分析

研究表明，強震前VP寬頻帶傾斜儀可記錄到異常信號[13-14]。安西地震監測站VP寬頻帶傾斜儀在2020-01檢修EW分量后運行穩定，除標定、調零外無其他明顯干擾。選取VP寬頻帶傾斜儀2020-02～2021-08時均值數據(圖9)進行分析發現，NS分量在2021-04-17～07-31出現倒“V”形變化，EW分量在2021-04-17～05-21出現加速下降變化。在該變化過程中，2021-04-17～05-13 EW分量加速上升，隨后轉為加速下降；EW分量加速下降結束后趨勢減緩，隨后05-22發生青海瑪多MS7.4地震(圖9(a)、9(b))。對該時段數據進行時頻分析(圖9(c)、9(d))可知，VP寬頻帶傾斜儀固體潮信號明顯，NS、EW分量均具有2.17×10-5Hz(周期為12 h)的頻率信號(半日潮)，NS分量具有1.194×10-5Hz(周期為23 h)的頻率信號(日潮)，振幅變化不穩定，EW分量振幅明顯。除固體潮這類基礎頻率信號外，上述分量的異常變化數據反映在時頻譜上為同時段出現明顯的(1.085～4.340)×10-6Hz(周期為64～128 h)低頻信號，說明此次異常過程中VP寬頻帶傾斜儀數據曲線具有正常的固體潮汐背景，在此基礎上疊加地質構造變化或區域應力調整引起的長周期應力場變化。由于目前記錄的震例較少，后續需要更多震例進行驗證。通過上述分析能有效記錄到固體潮和區域應力場變化，對未來的地震監測預報具有實際意義。

圖9 2020-02-01～2021-08-31VP寬頻帶傾斜儀數據時頻譜

圖10 VP寬頻帶傾斜儀數據同期對比

選取歷年儀器正常工作時段日均值數據進行同期對比(圖10)發現，安西地震監測站VP寬頻帶傾斜儀數據具有一定的年變規律。2月至8月的NS分量呈下降(南傾)趨勢，9月至次年2月呈上升(北傾)趨勢，EW分量呈長期下降(西傾)趨勢。青海瑪多MS7.4地震前打破原有2月至8月向西南方向傾斜的變化趨勢，轉為快速向西北方向傾斜，05-13恢復為加速向西南方向傾斜，在恢復過程中發生青海瑪多MS7.4地震。依據VP寬頻帶傾斜儀觀測量的傾角角度，建立相應的數學模型反演傾斜平面并進行空間投影，進而研究傾斜面的空間變化特征。

分析2021-04-01～08-31傾斜面相對于2021-01-01的變化情況。由圖11可見，04-17～05-13傾斜面出現由西南方向傾斜轉變為西北方向傾斜的逆時針偏轉，西北-東南方位的傾角急劇增大，傾角急劇增大的方位與地震震中到臺站的方位接近，同時也與同震期間傾斜變化方位接近。地質構造研究表明，甘肅地區構造應力主要來源于青藏高原板塊NE向運動，西段最大主壓應力軸為NS向[15]，此次安西地震監測站VP寬頻帶傾斜儀在震前記錄到的傾角急劇增大的方位與震中至臺站的方位一致，傾斜旋轉變化方向與區域構造應力方向一致。由于安西地震監測站與瑪多MS7.4地震震中跨越了包括東昆侖斷裂、柴達木盆地斷裂、阿爾金北緣斷裂等在內的多條斷裂帶(圖1)，因此孕震過程中跨斷層、跨地塊的應力傳遞規律及儀器響應特征有待進一步驗證。

圖11 2021-04-01～08-29 VP寬頻帶傾斜儀反演地表傾斜變化

3 結 語

1)2套儀器均記錄到青海瑪多MS7.4地震的同震曲線以及測震學定義的Pn、Sg、面波等震相，表明安西地震監測站VP寬頻帶傾斜儀及CTS-1地震計具有可靠性和一致性。

2)2套儀器同震記錄曲線的頻譜圖、時頻圖在頻率分布、時頻特征方面差異明顯，這可能與2套儀器不同的擺體結構、頻帶寬度、儀器觀測靈敏度、阻尼模塊等有關。

3)VP寬頻帶傾斜儀記錄到震前異常，該異常傾斜變化特征與區域地質構造具有一致性。

4)通過同震曲線頻譜和震前數據曲線時頻分析發現，VP寬頻帶傾斜儀對中長周期信號的反應較為靈敏，能記錄到震前異常信號，可以通過在地震危險區安裝VP儀器來捕捉震前地塊的預滑、微破裂或慢地震現象，對臨震預報具有實際意義。

2套儀器同震記錄的一致性表明，可以利用VP寬頻帶傾斜儀同震記錄構建三維地表模型，進行地表傾斜運動反演分析，為地質構造運動特征與地震計地面同震運動反演結果的跨學科融合提供依據。在儀器架設方面，VP寬頻帶傾斜儀及寬頻帶地震計同址觀測，可進一步排除地傾斜觀測數據短臨異常中由地震引起的振動干擾。在危險區同址安裝VP寬頻帶傾斜儀及寬頻帶地震計，可同時滿足地震活動性監測和地傾斜異常跟蹤的需求，為地震預測、預報提供有價值的參考。

致謝：感謝嘉峪關地震監測中心站同事在工作中給予的幫助。