五指山形變臺VP型寬頻帶傾斜儀記錄地震特征

周 雯 李 盛 張 帆 馬武剛

1）中國海口 570203 海南省地震局

2）中國武漢 430072 湖北省地震局

0 引言

VP 型寬頻帶傾斜儀由中國地震局地震研究所研發，是在VS 型垂直擺傾斜儀基礎上研發的一種新型垂直擺傾斜儀，通過記錄地球鉛垂線方向變化進行地球物理觀測（袁曲等，2019）。該儀器與傳統垂直擺傾斜儀相比，VP 型寬頻帶傾斜儀在自動化程度、采樣率、頻帶寬度方面有了顯著提升，不僅能記錄到清晰的固體潮，還能記錄到更多地震前兆信息，且映震能力較強（呂品姬等，2010；馬武剛等，2015）。VP 型寬頻帶傾斜儀作為一種高精度地形變觀測儀器在全國地形變臺站被廣泛應用（馬武剛等，2010）。本文對2016—2020 年五指山形變臺（下文簡稱五指山臺）VP 型寬頻帶傾斜儀記錄的震中距5 000 km 以內的地震數據進行統計分析，推算傾斜儀記錄地震能力。

1 觀測概況

五指山臺位于海南省五指山市沖山鎮太平山麓，臺站周圍基巖裸露，均為花崗巖類，且10 km 范圍內無大斷裂通過，地殼穩定性較好。五指山臺VP 型寬頻帶傾斜儀（下文簡稱傾斜儀）安放在洞室內，年平均氣溫22.4 ℃，相對濕度84%。該儀器觀測墩根據儀器的安裝要求設計建造，折合擺長10 cm，分辨率0.000 1″，日漂移0.005″，采樣率1 次/s。儀器觀測環境良好，自安裝至今，觀測數據已逐步趨于穩定，資料連續可靠。正常情況下儀器記錄的固體潮曲線能夠清晰反映出固體潮汐的變化規律，日變周期明顯，曲線基本呈兩峰兩谷變化形態，觀測以來原始數據曲線如圖1 所示。限于篇幅，且五指山臺傾斜儀EW分量更穩定，數據觀測質量更好，故文中選取2016—2020 年東西分量統計分析震中距5 000 km 以內的地震記錄特征。

圖1 五指山臺傾斜儀原始觀測數據曲線Fig.1 The original observation data curve of tiltmeter at Wuzhishan Station

2 研究資料選取

選取震中距≤5 000 km 且MS≥2.0 的地震為研究對象。地震參數以中國地震臺網統一地震目錄為標準，同時參考美國地震信息中心地震目錄（https://earthquake.usgs.gov/）。選取2016—2020 年對五指山臺傾斜儀研究時段的數據進行分析，討論該臺同震響應能力。

3 記錄地震特征分析

限于篇幅，僅對五指山臺周邊5 000 km 范圍內的地震進行分析，按震中距由小到大的順序，分析該臺傾斜儀記錄地震特征。

3.1 R ≤300 km 地震記錄特征

選取以五指山臺為圓心，半徑R≤300 km 圓內的地震，分析其記錄特征。2016—2020 年，該區域發生MS2.0—2.9 地震11 次，MS3.0—3.9 地震3 次，MS4.0—4.9 地震1 次，未發生MS5.0 以上地震。五指山臺傾斜儀共記錄到其中4 次地震（表1），其同震響應在觀測數據曲線上呈脈沖形態，結果見圖2、圖3。由圖2 清晰可見，2018 年7 月30 日海南保亭縣MS2.9 地震產生的同震形變，震前固體潮清晰，曲線光滑平穩，無突跳及臺階，震后短時間內恢復正常。2020 年8 月30 日文昌MS2.9 地震同震響應特征與保亭縣MS2.9 地震類似。圖3 中2019 年8 月20 日三亞市天涯區MS3.2 和MS4.2 地震同震形變清晰，可見MS3.2 地震同震響應持續時間4 min，最大響應幅度為76.83×10-3″，MS4.2 地震的最大響應幅度出現在19:17，最大響應幅度為108.45×10-3″，該地震震級大，同震持續時間長，約6 min。可知震中距相同，對比五指山臺傾斜儀記錄MS3.2 和MS4.2 地震同震響應持續時間，可以發現同震響應時間隨著震級的增大而延長。

圖2 2018 年7 月30 日五指山臺傾斜儀記錄到保亭縣MS 2.9 地震Fig.2 The Baoting MS 2.9 earthquake recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station on July 30,2018

圖3 2019 年8 月20 日五指山臺傾斜儀記錄到三亞市天涯區MS 3.2 和MS 4.2 地震Fig.3 The Tianya MS 3.2 and MS 4.2 earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station on August 20,2019

表1 五指山臺傾斜儀記錄的R ≤300 km 地震信息Table 1 The information of earthquakes within 300km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

3.2 300 km ＜R ≤500 km 地震記錄特征

以五指山臺為圓心，分析半徑300 km ＜R≤500 km 范圍內地震記錄特征。2016—2020 年該區域共發生MS3.0—3.9 地震14 次，MS4.0—4.9 地震1 次，MS5.0 及以上地震1 次，最大地震為2019 年廣西北流MS5.2 地震。而五指山臺傾斜儀未記錄到研究區研究時段內MS3.9 以下地震，據此認為，該臺傾斜儀對于震中距300 km 以上MS3.9 以下地震幾乎無記錄能力。2019 年10 月12 日先后發生的廣西玉林市北流市MS4.2 和MS5.2 地震，發震時間僅相差1 s，同震響應明顯，但無法分辨是否記錄到MS4.2 地震（表2，圖4）。由圖4 可見，同震響應呈脈沖形態，持續時間7 min，響應延遲時間1 min，最大振幅為141.2×10-3″，曲線振蕩幅度大于2019 年8 月20 日三亞市天涯區MS4.2 地震幅度。

圖4 2019 年10 月12 日五指山臺傾斜儀記錄到廣西玉林市北流市MS 5.2 地震Fig.4 The Beiliu MS 5.2 earthquake recorded by tiltmeter atWuzhishan Station on October 12,2019

表2 五指山形變臺傾斜儀記錄的300 km ＜R ≤500 km 范圍內震例信息Table 2 The information of earthquake within 300 to 500 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

3.3 500 km ＜R ≤1 000 km 地震記錄特征

以五指山臺為圓心，分析半徑500 km ＜R≤1 000 km 范圍內地震記錄特征。2016—2020 年該區域發生MS4.0—4.9 地震8 次，MS5.0—5.9 地震10 次。上述地震中，五指山臺傾斜儀記錄到2 次MS4.0—4.9 地震，3 次MS5.0—5.9 地震，未記錄到7 次MS5.0—5.9地震，而1 次MS4.0—4.9 地震因與其他地震時間重疊，無法確認。在5 個地震中，1 個地震的同震響應類型為階躍型，2 個為脈沖型，2 個為先脈沖后震蕩型（表3）。

表3 五指山臺傾斜儀觀測記錄到的500 km ＜R ≤1000 km 范圍內震例信息Table 3 The information of earthquakes within 500 to 1000 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

2019 年11 月21 日老撾先后發生5.8 級地震和6.0 級地震，5.8 級地震發生前傾斜儀觀測曲線光滑，固體潮清晰（圖5）。2 個地震同震響應形態一致，曲線變化特征為高頻振蕩，同震響應集中在面波頻段，以高頻遠場面波為主（楊婕等，2010），變化幅度分別為50.76×10-3″和67.22×10-3″，形變波表現為疊加在階躍變化上的面波和尾波成分。

圖5 2019 年11 月21 日五指山臺傾斜儀記錄到老撾MS 5.8 和MS 6.0 地震Fig.5 The Laos MS 5.8 and MS 6.0 earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station on November 21,2019

3.4 1 000 km ＜R ≤2 000 km 地震記錄特征

以五指山臺為圓心，分析半徑1 000 km ＜R≤2 000 km 范圍內地震記錄特征。剔除因儀器故障導致觀測數據缺數期間的地震，在2016—2020年五指山臺傾斜儀正常運行期間，該區域發生MS5.0—5.4 地震102 次，MS5.5—5.9 地震47 次和MS6.0—6.9 地震28 次。該臺傾斜儀記錄到MS5.0—5.4地震33次、MS5.5—5.9地震25次以及全部MS6.0以上地震。

選取2019 年7 月27 日巴坦群島海域3 個地震（圖6）和中國臺灣宜蘭縣海域雙震（圖7）為例進行記錄地震特征分析。巴坦群島海域3 個地震震中距分別是1 301 km、1 319 km 和1 310 km，由表4中可知，5.9級地震的最大響應幅度最大，5.5級地震次之，5.3級地震最小，3 個地震的同震響應時間隨著震級的增加而增長。2016 年5 月12 日中國臺灣宜蘭縣海域雙震的響應幅度與響應持續時間表現出相同規律。震中距相同，宜蘭6.2 級地震的同震響應類型為脈沖震蕩型，與宜蘭5.8 級地震的同震響應類型（震蕩型）不同，說明對于震中距相近的地震，傾斜儀的地震響應幅度、響應持續時間與震級呈正相關（周雯等，2020）。

表4 五指山臺傾斜儀記錄的1 000 km ＜R ≤2 000 km 地震信息Table 4 The information of earthquakes within 1000 to 2000 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

圖6 2019 年7 月27 日五指山臺傾斜儀觀測數據曲線Fig.6 The observation data curve of tiltmeter at Wuzhishan Station on July 27,2019

圖7 2016 年5 月12 日五指山臺傾斜儀觀測數據曲線Fig.7 The observation data curve of tiltmeter at Wuzhishan Station on May 12,2016

3.5 2 000 km ＜R ≤5 000 km 地震記錄特征

以五指山臺為圓心，分析半徑2 000 km ＜R≤5 000 km 范圍內地震記錄特征。剔除因儀器故障導致觀測數據缺數期間的地震，在2016—2020 年傾斜儀正常運行期間，該區域發生MS5.5—5.9 地震255 次，MS6.0—6.9 地震130 次。五指山臺傾斜儀記錄到MS6.0—6.9 地震130 次，而對于MS5.5—5.9 地震，按2 000 km ＜R≤3 000 km、3 000 km ＜R≤4 000 km、4 000 km ＜R≤5 000 km 分別統計其記錄地震數量，結果見表5。由表5 可知，五指山臺傾斜儀記錄MS5.5—5.9 地震比例隨著震中距的增大而逐漸減小。

表5 五指山臺傾斜儀記錄MS 5.5—5.9 地震次數統計Table 5 Statistics of MS 5.5-5.9 earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

由表6 可見，地震響應延遲時間隨著震中距的增加呈現增加趨勢，但非嚴格的線性增加，應與地震波傳播介質有關。如2018年8月17日日本火山列島地區（震中距3 530 km）6.5級地震響應延遲時間大于2016年1月14日日本北海道附近海域（震中距4 066 km）6.7級地震，這是因為地震波在不同介質中的傳播速度不同，導致響應延遲時間存在差異。

表6 五指山臺傾斜儀記錄的2 000 km ＜R ≤5 000 km 部分地震信息Table 6 The information of partial earthquakes within 2000 to 5000 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

由表6 還可見，2017 年1 月10 日蘇拉威西海6.9 級地震的響應幅度變化與其他地震不同。一般而言，震中距接近，傾斜儀響應幅度與震級成正相關。蘇拉威西海6.9 級地震（震中距2 140 km）引發的最大響應幅度（45.62×10-3″），遠小于2019 年12 月15 日菲律賓棉蘭老島6.8 級地震（震中距2 184 km）引發的最大振幅（216.99×10-3″），這是由于2 個地震震源深度差距大導致記錄的最大響應幅度存在差異。其中蘇拉威西海6.9 級地震震源深度為620 km，菲律賓棉蘭老島6.8 級地震震源深度為30 km。而對于震中距接近、震級相同的地震，震源深度為12 km 的日本火山列島地區6.5 級地震引發的最大振幅也大于震源深度為160 km 的班達海6.5 級地震，說明寬頻帶傾斜儀記錄的同震響應與震源深度具有相關性，震源及衰減特性決定響應幅度大小（郭偉等，2019）。

此外，同震響應持續時間隨著震級增加整體呈增加趨勢，但響應時間與震級無明顯的線性關系（表6）?？傮w而言，對于發生于同一區域的淺源地震，震級越大，同震響應時間越長。蘇拉威西海6.9 級地震和印度尼西亞龍目島6.9 級地震的同震響應時間分別約為93 min 和75 min，印度尼西亞蘇門答臘島海域7.8 級地震的同震響應時間最長（139 min），說明震級與同震響應關聯度較大，震級大的地震釋放能量大，破裂時間長，同震響應時間則更長，強震引起的震蕩時間比中等地震時間長。

4 記錄地震能力及特征討論

根據以上分析，以震中距的對數（底數為10）為橫坐標，震級為縱坐標，根據2016—2020 年五指山臺傾斜儀記錄的地震，繪制震級與震中距分布圖（圖8）。由圖8 可見，以擬合直線為界，記錄的地震大部分處于紅色直線上部區域。該擬合直線可用公式MS=0.925lgR+1.714 表示。根據該關系式，可推導出五指山臺傾斜儀記錄的最小地震為MS1.714（設震中距為0），可記錄MS5.0 和MS5.5 地震的最大震中距分別為3 548 km 和12 302 km。地球大圓周長約40 076 km，理論上五指山臺傾斜儀可記錄MS5.7 及以上地震。以上所得均為理論計算值，與實際情況或有差異，這主要是由于該臺傾斜儀記錄地震能力還受震源深度、地震波傳播路徑的介質、地震發生區域的地質構造等因素影響。同時，震中距1 000 km 內的地震記錄有限，擬合關系式在0—1 000 km 區間可能存在較大誤差，有待未來積累資料后進一步改進。

圖8 五指山臺傾斜儀記錄地震的震中距對數與震級分布Fig.8 Distribution of logarithm of epicentral distance and magnitude of earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

綜上可知，傾斜儀記錄的地震同震響應形態主要有脈沖型、脈沖震蕩型和震蕩型。對于震中距500 km 以內的地震，同震響應形態均為脈沖型；對于震中距500—1 000 km的地震，同震響應形態主要為脈沖震蕩型，即先脈沖后震蕩型；對于震中距大于1 000 km的地震，同震響應形態主要為震蕩型。以上特征應與震中距、震級密切相關。在本研究中，500 km 以內的地震，震級較小，距離較近，P、S 波到時差較小，傾斜儀記錄的同震響應曲線難以記錄到P 波特征，主要反映S 波同震形態，加之S 波持續時間相對較短，因此同震響應波形以脈沖特征為主。對于震中距500—1 000 km 范圍內的地震，P、S波到時差有所增大，傾斜儀記錄的同震響應曲線先以短時間P 波為主，隨后S 波抵達，振幅突然加大，出現脈沖，峰值過后以震蕩形態出現，直至消失。對于震中距大于1 000 km 的地震，傾斜儀同震響應曲線與地震計波形具有較大相似性，符合遠震波形特征。

5 結論

根據以上分析，得出如下結論：

（1）五指山臺傾斜儀對海南及周邊中強以上地震同震響應明顯，記錄地震能力隨著震中距的增大而減弱。具體而言，對于臺站周邊5 000 km 以內的6 級以上地震，五指山臺傾斜儀均可記錄，對于震中距大于300 km 的MS3.9 以下地震，五指山臺傾斜儀幾乎無記錄能力。根據五指山臺傾斜儀記錄地震震級與震中距的擬合關系，認為該儀器可記錄MS≥5.7 地震。

（2）傾斜儀記錄的地震同震響應形態主要有脈沖型、脈沖震蕩型和震蕩型，僅出現一例階躍型，且同震響應類型與震中距密切相關。對于震中距500 km 以內的地震，同震響應形態均為脈沖型；對于震中距500—1 000 km 的地震，同震響應形態主要表現為脈沖震蕩型；對于震中距大于1 000 km 的地震，同震響應形態主要為震蕩型。

（3）由2016 年5 月12 日中國臺灣宜蘭海域6.2、5.8 級，2019 年7 月27 日巴坦群島海域5.3、5.9 和5.5 級，2019 年11 月21 日老撾5.8、6.0 級等地震的一系列同震響應特征的分析結果可知，發生于同一區域的淺源地震，震中距相近，傾斜儀記錄的地震響應幅度、響應持續時間與震級呈正相關性。

本研究中選取的地震樣本數量有限，地震分布不均勻，結論或不完善，今后將積累震例，進一步完善分析。