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

朱冰清 徐 誠 李恩建 趙黎明 李穎楠 閆麗莉 張明東 姜 海 郭 巍

（中國天津300201天津市地震局）

0 引言

地震波通過地震儀記錄并輸出的往往是位移、速度和加速度等，而震時形變波則主要是傾斜、應(yīng)變或應(yīng)力的瞬時波動（牛安福等，2005；張創(chuàng)軍等，2012），這種波動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數(shù)據(jù)，開展了大量研究工作，如：邱永平（2013）、吳利軍等（2016）、龔麗文等（2018）基于定點(diǎn)形變觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析最大變形幅度、面波延遲時間、同震持續(xù)時間與震級及震中距關(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）通過對定點(diǎn)形變儀器觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)觀測儀器具有較強(qiáng)的映震能力。

天津市薊縣地震臺（下文簡稱薊縣臺）地處陰山緯向構(gòu)造體系東部EW向壓性斷裂帶許家臺—薊縣—遵化山前斷裂區(qū)（趙黎明等，2019），為形變觀測臺站，形變觀測手段置于小辛莊形變觀測山洞（距該臺址約5 km），配備VP型寬頻帶傾斜儀（下文簡稱VP傾斜儀）與DSQ型水管傾斜儀（下文簡稱DSQ水管儀）進(jìn)行形變觀測，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。本文選取薊縣地震臺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的關(guān)系、快速傅里葉變換方面，詳細(xì)分析比對2類地傾斜觀測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傾斜儀均由中國地震局地震研究所研制，在薊縣臺安裝至今運(yùn)行正常，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。

DSQ水管儀是一種自動測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)秒的較高頻地動信號，分辨率0.001″，日飄移穩(wěn)定，采樣率為1 Hz，傾斜固體潮觀測精度達(dá)2×10-3″。

基于地震前兆臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺，回溯分析2019年薊縣臺VP傾斜儀和DSQ水管儀形變觀測數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征?；谕鸩ㄐ吻逦?、振幅顯著等特點(diǎn)，篩選得到2019年薊縣臺VP傾斜儀和DSQ水管儀記錄的全球10個地震作為分析樣本，震級范圍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?。é?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)見表1。

3 同震響應(yīng)特征對比分析

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)時間等，對比分析薊縣臺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次地震為研究對象，進(jìn)一步分析該臺形變記錄的震級與最大響應(yīng)幅度的關(guān)系。

3.1 同震響應(yīng)參數(shù)對比

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

（1）同震響應(yīng)最大幅度對比。2套傾斜儀對10次地震的最大響應(yīng)幅度對比結(jié)果見圖2，可見，與DSQ水管儀相比，VP傾斜儀對10個震例同震響應(yīng)的最大幅度較大。對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、觀測頻段寬、阻尼系數(shù)小。

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

（2）同震響應(yīng)延遲時間對比。2套傾斜儀對10次地震的同震響應(yīng)延遲時間對比結(jié)果見圖3。對于薊縣臺周邊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)延遲時間均為0 min（圖3）。對于中強(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)延遲時間短（圖3）。這與地震波的傳播特性相關(guān)，因為DSQ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)延遲時間對比Fig.3 Comparison histogram of coseismic response delay time

響應(yīng)延遲時間與震中距一般呈反比關(guān)系，即震中距越大，響應(yīng)延遲時間越長。但是，震級大小對響應(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)延遲時間短；較小震級的地震，形變儀器可能只會記錄到面波，響應(yīng)時間則較滯后。

（3）同震響應(yīng)持續(xù)時間對比。2套傾斜儀對10次地震的同震響應(yīng)持續(xù)時間對比結(jié)果見圖4。對于同一地震，VP傾斜儀同震響應(yīng)持續(xù)時間比DSQ型水管儀長（圖4）。2套儀器同震響應(yīng)持續(xù)時間與震級成正比。VP傾斜儀與DSQ水管儀記錄遠(yuǎn)場大震持續(xù)時間相差不大，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)時間對比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)對比（表1）發(fā)現(xiàn)，VP傾斜儀和DSQ水管儀對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），對比分析2套同震響應(yīng)數(shù)據(jù)的頻譜特征，結(jié)果見圖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），去除固體潮長周期趨勢項，清晰可見P波、S波、面波記錄[圖5(b)]，對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT譜變換，可見地震波集中分布在0—0.2 Hz頻段，優(yōu)勢頻率為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），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，可見其震時波形周期集中在 2—32 min。而從觀測數(shù)據(jù)角度認(rèn)識儀器的觀測頻帶，VP傾斜儀可觀測到周期2—60 s的信號變化（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)幅度與震級的關(guān)系

地震觀測儀器記錄的同震波形信號是震源信息、傳播路徑信息、儀器響應(yīng)三者綜合作用的結(jié)果。在統(tǒng)計對比2種儀器同震形變波形振幅與震級的關(guān)系時，以某一地區(qū)的典型地震為研究對象，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，從而可簡化研究對象的復(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次地震為研究對象，進(jìn)一步分析薊縣臺形變觀測記錄的地震震級與最大響應(yīng)幅度的關(guān)系。統(tǒng)計結(jié)果見表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水管儀對該地區(qū)5級地震響應(yīng)能力較弱，僅對7級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)最大振幅和震級的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖6，并得到振幅A與震級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關(guān)系Fig.6 Relationship between amplitude and magnitude of earthquakes in the Japanese Island Arc

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

4 結(jié)論

通過對2019年全球10個震例及2017—2019年日本島弧15個5—7級地震的同震響應(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，且能夠記錄近場中小地震的同震突跳或階躍，而DSQ水管儀幾乎無響應(yīng)；②對于中強(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)時間較長，遠(yuǎn)場大震持續(xù)時間則相差不大；④VP傾斜儀記錄波譜信息豐富，可識別P波、S波、面波，適合研究波形的時頻特征，而DSQ水管儀震時波形周期信號集中分布在2—32 min；⑤對于日本島弧5—7級地震，VP傾斜儀同震響應(yīng)能力較強(qiáng)，可得到振幅A與震級M的指數(shù)關(guān)系，而DSQ水管儀對該地區(qū)5級地震響應(yīng)較弱。

本文撰寫過程中得到中國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。