薊縣地震臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀和DSQ型水管傾斜儀同震響應(yīng)對(duì)比分析

朱冰清 徐 誠(chéng) 李恩建 趙黎明 李穎楠 閆麗莉 張明東 姜 海 郭 巍

（中國(guó)天津300201天津市地震局）

0 引言

地震波通過(guò)地震儀記錄并輸出的往往是位移、速度和加速度等，而震時(shí)形變波則主要是傾斜、應(yīng)變或應(yīng)力的瞬時(shí)波動(dòng)（牛安福等，2005；張創(chuàng)軍等，2012），這種波動(dòng)攜帶著震源與地震波傳播介質(zhì)的復(fù)雜信息。地震工作者利用形變觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了大量研究工作，如：邱永平（2013）、吳利軍等（2016）、龔麗文等（2018）基于定點(diǎn)形變觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析最大變形幅度、面波延遲時(shí)間、同震持續(xù)時(shí)間與震級(jí)及震中距關(guān)系；呂品姬等（2010）、曹喜等（2014）、方燕勛等（2014）、周雯等（2020）、朱冰清等（2021）通過(guò)對(duì)定點(diǎn)形變儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)儀器具有較強(qiáng)的映震能力。

天津市薊縣地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱薊縣臺(tái)）地處陰山緯向構(gòu)造體系東部EW向壓性斷裂帶許家臺(tái)—薊縣—遵化山前斷裂區(qū)（趙黎明等，2019），為形變觀測(cè)臺(tái)站，形變觀測(cè)手段置于小辛莊形變觀測(cè)山洞（距該臺(tái)址約5 km），配備VP型寬頻帶傾斜儀（下文簡(jiǎn)稱VP傾斜儀）與DSQ型水管傾斜儀（下文簡(jiǎn)稱DSQ水管儀）進(jìn)行形變觀測(cè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。本文選取薊縣地震臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀和DSQ型水管傾斜儀（2套儀器同置于小辛莊觀測(cè)山洞）記錄的典型地震事件，從同震響應(yīng)參數(shù)、同震形變波振幅與震級(jí)的關(guān)系、快速傅里葉變換方面，詳細(xì)分析比對(duì)2類地傾斜觀測(cè)儀器記錄的同震響應(yīng)特征。

1 儀器性能及資料選取

DSQ水管儀和VP傾斜儀均由中國(guó)地震局地震研究所研制，在薊縣臺(tái)安裝至今運(yùn)行正常，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

DSQ水管儀是一種自動(dòng)測(cè)量地殼傾斜變化的精密儀器，分辨力可達(dá)0.0005″，日漂移量小于0.005″，分鐘值采樣，標(biāo)定精度優(yōu)于1%。VP傾斜儀是在VS型垂直擺傾斜儀基礎(chǔ)上研發(fā)的新型地震前兆觀測(cè)設(shè)備（馬武剛等，2015），可清晰記錄固體潮及周期數(shù)分鐘到數(shù)秒的較高頻地動(dòng)信號(hào)，分辨率0.001″，日飄移穩(wěn)定，采樣率為1 Hz，傾斜固體潮觀測(cè)精度達(dá)2×10-3″。

基于地震前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(tái)，回溯分析2019年薊縣臺(tái)VP傾斜儀和DSQ水管儀形變觀測(cè)數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征。基于同震波形清晰、振幅顯著等特點(diǎn)，篩選得到2019年薊縣臺(tái)VP傾斜儀和DSQ水管儀記錄的全球10個(gè)地震作為分析樣本，震級(jí)范圍3.3—7.8，其中2019年12月23日天津薊州區(qū)ML3.3地震震中距最小（Δ=31 km），2019年5月26日秘魯北部MS7.8地震的震中距最大（Δ=16020 km）。10次地震基本參數(shù)見(jiàn)表1。

3 同震響應(yīng)特征對(duì)比分析

選取2019年全球10次典型地震，基于最大響應(yīng)幅度、響應(yīng)延遲、持續(xù)時(shí)間等，對(duì)比分析薊縣臺(tái)VP傾斜儀和DSQ水管儀記錄的同震響應(yīng)特征，并以同震響應(yīng)參數(shù)相近的2019年12月15日菲律賓棉蘭老島MS6.8地震為例，采用傅里葉變換，對(duì)比分析2套數(shù)據(jù)記錄的同震響應(yīng)特征。以2017—2019年日本島弧地區(qū)發(fā)生的15次地震為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析該臺(tái)形變記錄的震級(jí)與最大響應(yīng)幅度的關(guān)系。

3.1 同震響應(yīng)參數(shù)對(duì)比

基于同震響應(yīng)最大響應(yīng)幅度、響應(yīng)延遲和持續(xù)時(shí)間（表1），詳細(xì)對(duì)比分析2套觀測(cè)儀器記錄的10次地震的同震響應(yīng)參數(shù)特點(diǎn)。

（1）同震響應(yīng)最大幅度對(duì)比。2套傾斜儀對(duì)10次地震的最大響應(yīng)幅度對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2，可見(jiàn)，與DSQ水管儀相比，VP傾斜儀對(duì)10個(gè)震例同震響應(yīng)的最大幅度較大。對(duì)于河北唐山市豐南區(qū)ML4.5、天津薊州區(qū)ML3.3地震2次近震，VP傾斜儀記錄到幅度較大的同震突跳或階躍，而DSQ水管儀幾乎無(wú)響應(yīng)。該現(xiàn)象應(yīng)與2套儀器特性有關(guān)，VP傾斜儀（秒采樣）較DSQ水管儀（分鐘采樣）采樣率高、觀測(cè)頻段寬、阻尼系數(shù)小。

圖2 同震響應(yīng)幅度對(duì)比Fig.2 Comparison histogram of coseismic response amplitude

（2）同震響應(yīng)延遲時(shí)間對(duì)比。2套傾斜儀對(duì)10次地震的同震響應(yīng)延遲時(shí)間對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。對(duì)于薊縣臺(tái)周邊100 km范圍內(nèi)的中小地震，如唐山市豐南區(qū)ML4.5、天津薊州區(qū)ML3.3地震，2套儀器記錄的響應(yīng)延遲時(shí)間均為0 min（圖3）。對(duì)于中強(qiáng)遠(yuǎn)震，VP傾斜儀比DSQ水管儀普遍較早記錄到同震波形，響應(yīng)延遲時(shí)間短（圖3）。這與地震波的傳播特性相關(guān)，因?yàn)镈SQ水管儀同震形變波集中在面波頻段（牛安福等，2006），而VP傾斜儀可清晰記錄到P波、S波和面波（方燕勛等，2014）。

圖3 同震響應(yīng)延遲時(shí)間對(duì)比Fig.3 Comparison histogram of coseismic response delay time

響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距一般呈反比關(guān)系，即震中距越大，響應(yīng)延遲時(shí)間越長(zhǎng)。但是，震級(jí)大小對(duì)響應(yīng)延遲同樣有影響，較大地震能量更強(qiáng)，體波能量也更強(qiáng)，形變儀器可以記錄到大部分P波，因此響應(yīng)延遲時(shí)間短；較小震級(jí)的地震，形變儀器可能只會(huì)記錄到面波，響應(yīng)時(shí)間則較滯后。

（3）同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間對(duì)比。2套傾斜儀對(duì)10次地震的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。對(duì)于同一地震，VP傾斜儀同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間比DSQ型水管儀長(zhǎng)（圖4）。2套儀器同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)成正比。VP傾斜儀與DSQ水管儀記錄遠(yuǎn)場(chǎng)大震持續(xù)時(shí)間相差不大，如厄瓜多爾MS7.5地震（Δ=15570 km）、秘魯北部MS7.8地震（Δ=16020 km）。

圖4 同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間對(duì)比Fig.4 Comparison histogram of coseismic response duration

3.2 利用快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析

同震響應(yīng)參數(shù)對(duì)比（表1）發(fā)現(xiàn)，VP傾斜儀和DSQ水管儀對(duì)2019年12月15日菲律賓棉蘭老島MS6.8地震的同震響應(yīng)特征基本相同，差異較小，且觀測(cè)系統(tǒng)頻帶特性是其固有特征，數(shù)據(jù)變化特征是相同的，因此以該地震為例，采用傅里葉譜變換（FFT），對(duì)比分析2套同震響應(yīng)數(shù)據(jù)的頻譜特征，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 2019年12月15日菲律賓棉蘭老島MS 6.8地震VP傾斜儀和DSQ水管儀EW分量數(shù)據(jù)對(duì)比(a)VP傾斜儀EW向秒值原始數(shù)據(jù)；(b)VP傾斜儀EW向去固體潮數(shù)據(jù)；(c)VP傾斜儀EW分量振幅譜；(d)DSQ水管儀EW向分鐘值原始數(shù)據(jù)；(e)DSQ水管儀EW向去固體潮數(shù)據(jù)；(f)DSQ水管儀EW分量振幅譜Fig.5 Comparison of EW component data of VP broadband tiltmeter and DSQ water-tube tiltmeter for the MS 6.8 earthquake in Mindanao,Philippines,on December 15,2019

VP傾斜儀秒采樣數(shù)據(jù)采用db4小波分解到第6層（呂品姬等，2011），去除固體潮長(zhǎng)周期趨勢(shì)項(xiàng)，清晰可見(jiàn)P波、S波、面波記錄[圖5(b)]，對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT譜變換，可見(jiàn)地震波集中分布在0—0.2 Hz頻段，優(yōu)勢(shì)頻率為0.03 Hz[圖5(c)]。

將DSQ水管儀分鐘值數(shù)據(jù)采用db4小波分解到第4層（2—32 min周期信號(hào)），去固體潮后細(xì)節(jié)曲線與原始曲線基本一致，經(jīng)頻譜變換，可見(jiàn)其震時(shí)波形周期集中在 2—32 min。而從觀測(cè)數(shù)據(jù)角度認(rèn)識(shí)儀器的觀測(cè)頻帶，VP傾斜儀可觀測(cè)到周期2—60 s的信號(hào)變化（呂品姬等，2020），將定點(diǎn)形變儀器向高頻端進(jìn)行了有效拓寬。

3.3 同震形變波最大響應(yīng)幅度與震級(jí)的關(guān)系

地震觀測(cè)儀器記錄的同震波形信號(hào)是震源信息、傳播路徑信息、儀器響應(yīng)三者綜合作用的結(jié)果。在統(tǒng)計(jì)對(duì)比2種儀器同震形變波形振幅與震級(jí)的關(guān)系時(shí)，以某一地區(qū)的典型地震為研究對(duì)象，其構(gòu)造環(huán)境相似，震中距、傳播路徑及傳播介質(zhì)參數(shù)相近，從而可簡(jiǎn)化研究對(duì)象的復(fù)雜性（龔麗文等，2018）。為此，以2017—2019年日本島弧地區(qū)發(fā)生的15次地震為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析薊縣臺(tái)形變觀測(cè)記錄的地震震級(jí)與最大響應(yīng)幅度的關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2017—2019年日本島弧地區(qū)地震同震響應(yīng)幅度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on coseismic response amplitude of earthquakes in the Japanese Island Arc from 2017 to 2019

由表2可知，與DSQ水管儀相比，VP傾斜儀對(duì)震中距約2000 km的日本島弧地震映震能力更優(yōu)，其中VP傾斜儀的同震響應(yīng)幅度較大，而DSQ水管儀對(duì)該地區(qū)5級(jí)地震響應(yīng)能力較弱，僅對(duì)7級(jí)左右地震的同震響應(yīng)振幅較大。

以VP傾斜儀記錄數(shù)據(jù)為例，將所選日本島弧15次地震同震響應(yīng)最大振幅和震級(jí)的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖6，并得到振幅A與震級(jí)M的指數(shù)關(guān)系，公式如下

圖6 日本島弧地震振幅與震級(jí)關(guān)系Fig.6 Relationship between amplitude and magnitude of earthquakes in the Japanese Island Arc

由圖6可見(jiàn)，振幅隨著震級(jí)增加指數(shù)上升，A—M曲線的擬合程度較高，驗(yàn)證了同震形變波的能量衰減規(guī)律。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2019年全球10個(gè)震例及2017—2019年日本島弧15個(gè)5—7級(jí)地震的同震響應(yīng)特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：①VP傾斜儀與DSQ水管儀均可記錄到地震的同震響應(yīng)，其中VP傾斜儀記錄的最大響應(yīng)幅度較大，且能夠記錄近場(chǎng)中小地震的同震突跳或階躍，而DSQ水管儀幾乎無(wú)響應(yīng)；②對(duì)于中強(qiáng)遠(yuǎn)震，VP傾斜儀比DSQ水管儀普遍較早記錄到同震波形；③與DSQ水管儀相比，VP傾斜儀同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)大震持續(xù)時(shí)間則相差不大；④VP傾斜儀記錄波譜信息豐富，可識(shí)別P波、S波、面波，適合研究波形的時(shí)頻特征，而DSQ水管儀震時(shí)波形周期信號(hào)集中分布在2—32 min；⑤對(duì)于日本島弧5—7級(jí)地震，VP傾斜儀同震響應(yīng)能力較強(qiáng)，可得到振幅A與震級(jí)M的指數(shù)關(guān)系，而DSQ水管儀對(duì)該地區(qū)5級(jí)地震響應(yīng)較弱。

本文撰寫過(guò)程中得到中國(guó)地震局地震研究所呂品姬副研究員的悉心指導(dǎo)，在此表示由衷的感謝。