乾陵地震臺DSQ型水管儀與VP型垂直擺儀同震響應對比分析

史春偉 羅詞建 路小建 陳嘉選

（1.乾陵地震臺 陜西咸陽 713300；2.陜西省地震局 陜西西安 710068）

地殼形變的產生與地震有著千絲萬縷的聯系。地震的孕育以及發生過程是巖石圈內的一種地球動力學事件［1］。地震引起的同震形變包含了地震破裂及傳播過程的大部分信息，利用地傾斜儀觀測資料的同震響應特征，可以對地震震源機制解的一些參數進行估算［2］。牛安福等研究了強地震引起的同震形變響應特征［3］；胡瑋等就同一地震臺站不同儀器的同震響應進行了較為深入的探究［4］；袁曲等指出在地傾斜實際觀測應用時，不同臺站會因其在構造、介質、電性等方面的條件不同而導致其對應的力擾動響應存在一定差異，同時，不同類型地傾斜儀會因信號存在差異導致數據認識上的不同［5-6］。在此基礎上，選取乾陵地震臺DSQ型水管傾斜儀和VP型垂直擺傾斜儀記錄的10個震例，從響應延遲、最大響應幅度、持續時間等，來分析總結兩套儀器的同震響應特征。

1 臺站概況

乾陵地震臺坐落于我國陜西省中部地區、渭河斷陷盆地中段和陜北黃土高原的過渡地區。從其地貌形態上來看，這里屬于丘陵溝壑區；從地質構造結構而言，這里屬于渭河斷陷盆地中段和鄂爾多斯地臺南緣的接觸帶。該臺站在關山—口鎮斷裂帶以南，乾縣—富平斷裂帶北側。基巖為奧陶紀灰巖，水平產狀，裂隙。地形變觀測山洞處在乾縣北乾陵東乳峰之上，自1977年開始開工，至1981年完成，歷史4年之久，其進深60m，覆蓋20m，山洞總長度120m，呈“T”字型分布，自洞口到儀器室之間配置了4 道船艙密封門，其中，1道為鋁合金推拉門，儀器室日溫差≤0.03℃，年溫差≤0.3℃，相對濕度為91%。從水文氣候上來看，乾陵地區年氣溫在-6～38℃之間，年降雨量為300mm，地下水位線為400m。該臺站位于乾陵國家重點文物旅游保護區之內，附近不存在河流、鐵路、工礦、企業等明顯外力干擾，觀測條件比較好。

2 傾斜儀工作原理及性能

水管傾斜儀的工作原理是：根據U 型連通管內液面保持自然水平原理，用連通管將兩個盛有一定水量的缽體連接并安裝在臺基上，借助測微系統，精確地記錄兩端缽體內水面出現相對高差獲取位移量，乘以儀器格值，即為地面的傾斜值［5］。

垂直擺傾斜儀的工作原理是：將一質量塊通過吊絲懸掛在支架上組成單擺，在因振動而發生傾斜變化時，分別固定在擺與支架的動片和定片間的間距也會發生相應變化，通過傳感器，將微位移轉化成電信號進行測量［7］。乾陵臺水管傾斜儀基墩為花崗巖石，EW基線長30.74m，NS 基線長30.36m，分辨率為0.0005″，日漂移量＜0.005″，采樣率1 次/min。垂直擺傾斜儀基墩為花崗巖石，折合擺長10cm，分辨率為0.0001″，日漂移0.005″，采樣率1次/s。

3 同震響應分析

3.1 資料選取

選取2019—2021年兩套儀器記錄震真相清晰的10 次地震（見表1），震級范圍5.6≤M≤7.4。其中，震級最大、震中最遠的為墨西哥的7.4 級地震，震中距為13 848km；震級最小、震中最近的為四川甘孜州石渠縣的5.6級地震，震中距為878km。

表1 乾陵地震臺水管儀與垂直擺響應參數統計

3.2 響應延遲

響應延遲時間指在觀測儀器記錄到的響應與地震發生時刻之間的時間差，該時間與地震面波的傳播速度及震中距有關［1］。從表1可知，在同一震源下，垂直擺的響應延時時間比水管儀略短，這是因為垂直擺的靈敏度比水管儀高［6］。從圖1可知，水管儀、垂直擺響應延遲時間與震中距呈一定的正相關性，震中距越大，地震響應延時時間越長［7］。

圖1 水管儀（a）、垂直擺（b）響應延時時間與震中距關系曲線

3.3 最大響應幅度

許多因素都會影響同震幅度，如震級、震中距、發震構造、震源機制、臺址環境以及儀器的靈敏度等。其中，最主要的因素是震級，兩者呈現正相關，震級越大，釋放的能量越多，同震幅度就越大［1］。由表1可知，垂直擺儀記錄最大響應幅度遠大于水管儀；在同一地震中，垂直擺的響應幅度也比水管儀大。這是由于垂直擺捕捉前兆信息的能力要遠強于水管儀，也與水管儀的阻尼小有關［8］。

由圖2可知，垂直擺、水管儀的最大響應幅度隨震級增大而增大，如5.6級地震，垂直擺、水管儀記錄到的最大響應幅度分別為11×10-3″、0.6×10-3″；7.4 級地震，垂直擺、水管儀記錄到的最大響應幅度為148×10-3″、60.0×10-3″。相同震級的地震，二者則無規律性。

圖2 水管儀、垂直擺最大響應幅度對比

3.4 響應持續

地震響應持續時間長短主要跟斷層體受地震影響的程度、地震自身能量以及震中距相關。與水管儀相比，垂直擺儀響應持續時間會更長一點；而兩套儀器的地震響應持續時間都會由于震中距增大而變大、會由于震級增大而變大［9-11］。如圖3和圖4，離乾陵臺最近的四川甘孜州石渠縣5.6 級地震，震中距為878km，垂直擺、水管儀的地震響應持續時間分別為31min 和5min，最遠的墨西哥7.4 級地震，地震持續時間分別為132min和96min。

圖3 震中距與地震響應持續時間關系

圖4 震級與地震響應持續時間關系

4 結語

（1）在同一個地震下，垂直擺響應延遲時間比水管儀要略短，垂直擺與水管儀的響應延時與震級、震中距成正相關；震級越大，震中距越大，響應延時越長。

（2）水管儀與垂直擺儀均能記錄到同震響應，且垂直擺記錄到的地震最大響應幅度比水管儀大，這與儀器的靈敏度有關。

（3）地震響應持續時間跟多個因素有關，其中，最主要因素有斷層體受地震影響的程度、地震自身能量、震中距等。水管儀與垂直擺儀的地震激響應持續時間與震級成正比關系，震級越大，響應持續時間越長。