鶴崗地震臺水管、垂直擺傾斜儀同震響應(yīng)對比

胡寶慧 常金龍 姜 博 李大偉 張 浩

（中國哈爾濱150090黑龍江省地震局）

鶴崗地震臺水管、垂直擺傾斜儀同震響應(yīng)對比

胡寶慧 常金龍 姜 博 李大偉 張 浩

（中國哈爾濱150090黑龍江省地震局）

對鶴崗地震臺水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄到的同震響應(yīng)資料進行分析，認(rèn)為：水管儀和垂直擺對不同震中距的地震記錄存在較大差異；水管儀穩(wěn)定性較好，而垂直擺實際靈敏度更高；兩種儀器記錄的同震響應(yīng)與震級、震中距及震源深度具有相關(guān)性。

水管儀；垂直擺；同震響應(yīng)；相關(guān)性；時頻分析

0 引言

連續(xù)形變儀器記錄能夠反映地球巖石性質(zhì)變化和地殼應(yīng)力、應(yīng)變引起的傾斜及其潮汐動態(tài)變化，其中水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀作為觀測地殼形變垂直方向運動的儀器對監(jiān)測地殼年變規(guī)律演變、傾斜速率及動態(tài)變化提供了優(yōu)秀數(shù)據(jù)（陳德福，1993）。在同震響應(yīng)研究方面，水管儀和垂直擺的采樣率均為1 min/次，所以記錄的不是真實的同震波形，而是傾斜波動態(tài)的變異形態(tài)（劉成龍等，2009）。但同震響應(yīng)作為一種隨時間變化的高頻干擾，能夠反映儀器的響應(yīng)特性，仍然存在一定可比性和相關(guān)性（張凌空等，2008；楊成元等，2008；邱永平，2011）。黑龍江省鶴崗地震臺形變儀器安裝在山洞內(nèi)，洞室年溫差小于0.3℃，日溫差小于0.05℃，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，固體潮清晰、潮汐因子穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)滿足研究使用條件。牛安福等（2006）、崔慶谷等（2014）對同震響應(yīng)和儀器對比分析做了較深入研究，本文在此基礎(chǔ)上，著重分析兩種儀器記錄同震響應(yīng)的區(qū)別，并分析同震響應(yīng)隨震級、震中距及深度變化的特性和相關(guān)性。

1 同震響應(yīng)對比

1.1 儀器工作原理

穩(wěn)定和干擾小的數(shù)據(jù)是保障觀測質(zhì)量的重要因素，通過對2012—2014年全球發(fā)生的典型地震和黑龍江及周邊地震（表1）為例分析認(rèn)為，兩種儀器均能記錄到清晰的固體潮和同震響應(yīng)（圖1），具有較好的觀測效果，但儀器工作原理不同導(dǎo)致觀測結(jié)果差異較大。

（1）水管傾斜儀記錄兩端液面差值作為觀測數(shù)據(jù)，由于基線較長，測量值為較大范圍內(nèi)傾斜運動的平均效應(yīng)，依靠自由液體表面的趨平作用，抗干擾能力強；而垂直擺傾斜儀擺體為單擺，當(dāng)單擺的平衡位置發(fā)生變化時會形成傾斜微位移，通過傳感器將微小位移轉(zhuǎn)化成電信號進行測量（肖峻等，2004）。

圖1　水管儀與垂直擺EW分量同震響應(yīng)對比（a）2013年11月20日；（b）2013年4月2日；（c）2013年10月31日；（d）2014年11月2日Fig.1 EW comparison on co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

（2）水管儀擺體在水平面上，缽體的對稱性和穩(wěn)定性更好，適合跟蹤長趨勢傾斜信號；垂直擺擺長較短、擺動周期小于1 s，具有較高的靈敏度和動態(tài)響應(yīng)性能，適合跟蹤短臨傾斜信號和監(jiān)測本地區(qū)地殼形變變化。

（3）當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ接^測儀器時，垂直擺開始震蕩且在地震后持續(xù)震蕩，受同震干擾影響大；水管儀因結(jié)構(gòu)和頻帶寬度與垂直擺不同，震蕩衰減較快，地震震級和震中距較小時，采用分鐘值采樣的水管儀不容易記錄到地震。

（4）水管儀和垂直擺僅測量地表形變，同震響應(yīng)“干擾”作為地震期間應(yīng)變場的一種準(zhǔn)靜態(tài)調(diào)整現(xiàn)象，反映的地表形變并不完全和深部形變一致。從傾斜觀測量（位移型換能器）的特性公式可以看出，傾斜儀器觀測的同震響應(yīng)與S波速度關(guān)系密切。特性公式為

1.2 觀測結(jié)果

選取（表1）水管儀和垂直擺EW分量同震響應(yīng)數(shù)據(jù)，分析震級、震中距、震源深度與同震響應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：①震中距較小時，水管儀無同震響應(yīng)，垂直擺同震記錄清晰；②震中距相近，震級越大響應(yīng)越清晰，持續(xù)時間越長；③震中距增大，水管儀記錄波形逐漸清晰；④震中距＞30°，兩種儀器記錄能力相當(dāng)；⑤隨震中距和震源深度的增加，波形振幅減小，且水管儀對深震記錄更清晰。

表1　水管儀和垂直擺同震響應(yīng)比較Table 1 Comparison on co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

2 相關(guān)性

選取鶴崗臺2014年以來5.5級以上具有同震響應(yīng)的地震目錄，以震級、震中距和震源深度為序列，設(shè)參考數(shù)列X=|｛x0（k）|k=1，2，…，n｝，比較數(shù)列Xi=｛Xi（k）|k=1，2，…，n ｝，i=1，2，…，m。

其中ζ∈（0，∞），稱為分辨系數(shù)，本文選取ζ=0.5。按照公式（2）、（3）采用灰色關(guān)聯(lián)分析（胡寶慧，2013），求解3個因素與同震響應(yīng)的關(guān)聯(lián)度，得到：γ1=0.9004，γ2=0.8821，γ3=0.8718。

通過震級、震源深度、震中距散點圖（圖2）及與同震響應(yīng)關(guān)聯(lián)度的計算，發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生同震響應(yīng)的地震大部分出現(xiàn)在震中距Δ＜80°、震源深度h＜300 km范圍內(nèi)。震級與同震響應(yīng)關(guān)聯(lián)度最大，其次是震中距，震源深度影響最小。說明能量衰減對兩種儀器的記錄影響最大，傳播路徑長度影響其次，深度變化產(chǎn)生的構(gòu)造變化和地震持續(xù)時間變化的影響最小，與地震的傳播規(guī)律類似。

圖2　震中距、震級、深度散點Fig.2 Epicenter distance，magnitude and depth scatter diagram

3 時頻分析

地傾斜觀測的對象是瞬時地平面相對大地水準(zhǔn)面之間角度隨時間的變化（熊先保等，2013）。作為一種非平穩(wěn)信號，經(jīng)典傅里葉分析不能反映地震波的非平穩(wěn)性，而時頻分析方法提供了時間域與頻率域的聯(lián)合函數(shù)，清楚描述了地震信號在不同時間和頻率的能量密度或強度的關(guān)系。在此采用Wigner-Ville動態(tài)時頻分析方法，避免了傅里葉變換對地震響應(yīng)類突變信號和非平穩(wěn)信號的局限性。

對2013年10月26日和2015年2月17日發(fā)生在日本的兩個MS7.1地震進行時頻分析（圖3），可見兩種儀器的地震記錄形態(tài)存在差異，其中：垂直擺同震波形持續(xù)時間較長，水管儀最大形變振幅較大，二者能量主要集中在面波頻段。

圖3　水管儀和垂直擺同震響應(yīng)時頻分布（a） 2015年02月17日垂直擺；（b） 2015年02月17日水管儀；（c） 2013年10月26日垂直擺；（d） 2013年10月26日水管儀Fig.3 Time frequency analysis chart of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

在地震信號時頻分析過程中，水管儀和垂直擺在低頻段表現(xiàn)出較高的頻率分辨率，而在高頻段表現(xiàn)出較高的時間分辨率（牛安福等，2005；陳友良等，2011）。地震波信號引起兩種儀器非潮汐變化的頻率范圍集中在1×10-3—5×10-3Hz，其中水管儀能量集中，而垂直擺在地震頻段內(nèi)均有能量分布，對地震有較高的動態(tài)響應(yīng)性能。

4 結(jié)論

水管儀和垂直擺對同震響應(yīng)均有良好記錄，因儀器設(shè)計不同記錄狀態(tài)差異較大。水管儀對高頻信息具有抑制和濾除作用，作為長周期系統(tǒng)更穩(wěn)定，適合觀測地殼形變長期變化；而垂直擺靈敏度較高、阻尼較小，容易將地震波和地脈動等疊加到固體潮上，對周邊高頻干擾和地震前兆信息較為敏感，適用于地震短臨跟蹤。

水管儀和垂直擺也記錄到一些同震階躍，近距離地震尤為明顯。這種階躍可能與當(dāng)?shù)貞?yīng)力狀態(tài)和地震危險性有關(guān)，也可能是臺基與儀器耦合產(chǎn)生的一種階躍。另外，對于同一地震的同震響應(yīng)存在NS和EW分量變化量的不同，可能與地震破裂性質(zhì)，也就是震源區(qū)性質(zhì)有關(guān)，因所選震例的局限性，有待積累資料進一步研究。

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Abstract

Analyzing co-seismic responses recorded by water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in Heilongjiang Province，we consider that the co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter recorded are different for the earthquakes with different epicentral distance.Numerical stability of the water tube tiltmeter is better than that of vertical pendulum tiltmeter，but responsive sensitivity of vertical pendulum tiltmeter is better than that of water tube tiltmeter.Co-seismic responses of both instruments recorded are accociated with magnitude，focal depth，epicentral distance.

Comparison on co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter at Hegang Seismic Station

Hu Baohui，Chang Jinlong，Jiang Bo，Li Dawei and Zhang Hao
（Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China）

water tube tiltmeter，vertical pendulum tiltmeter，co-seismic response，correlation，time-frequency analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.016

胡寶慧（1983—），男，工程師，2009年獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事形變觀測技術(shù)研究工作。E-mail： hubaohui123456@126.com

黑龍江省地震局一般性科研課題（201504）