北京地震臺gPhone重力儀同震響應(yīng)特征分析

周江林 沈萍 田鑫

1）中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區(qū)民族大學(xué)南路5號 100081

2）北京白家疃地球科學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，北京市海淀區(qū)白家疃 100095

0 引言

利用固體潮汐觀測數(shù)據(jù)可以很好地反映地球固體潮汐的日波、半日波特征及地震孕育過程的中期特征（陳德福等，1995），近年來數(shù)字化觀測采樣率的大幅度提高，豐富了潮汐觀測的震前變化信息（張晶等，2003），如地震前短周期的脈動(dòng)、突跳及前驅(qū)波等短臨信息及全球大地震的同震形變等（劉洪斌等，2012；蔣駿等，2012）。借助于形變觀測有可能建立形變異常與遠(yuǎn)震的關(guān)系或研究遠(yuǎn)震對形變觀測的影響（荊燕等，2007；孫毅等，2005）。相對于其它重力儀，gPhone重力儀的采樣周期由以前的小時(shí)、分鐘提升至秒，因此秒值觀測資料給我們提供了更豐富的地震信息（王林松等，2012）。

地震引起的同震形變波包括了地震破裂及傳播過程中的大部分信息，因此可用這些同震信息估計(jì)地震震源的一些參數(shù)（萬永革，2007），通過對同震形變波物理性質(zhì)的研究，有益于認(rèn)識短臨前兆的動(dòng)力學(xué)特性（牛安福等，2005），因此，同震響應(yīng)已經(jīng)逐漸成為地震前兆研究的熱點(diǎn)之一（陳大慶等，2007；付虹等，2007）。國外對同震響應(yīng)研究已取得明顯進(jìn)展，特別是在利用重力儀對地震的觀測方面（Benioff et al，1961；Neumeyer et al，2002；Riccardi et al，2011；Roult et al，1986；Van Camp，1999）。例如，Niebauer等（http：//www.microglacoste.com）利用位于科羅拉多的5臺gPhone重力儀對發(fā)生在2006年11月的日本千島群島8.2級地震進(jìn)行觀測的結(jié)果表明，5臺gPhone對地震的響應(yīng)幾乎一致，表現(xiàn)了gPhone重力儀觀測質(zhì)量優(yōu)秀的一致性。在國內(nèi)，牛安福等（2005）研究了強(qiáng)地震引起的同震形變響應(yīng)，還分析了印度尼西亞強(qiáng)地震引起的同震形變波（牛安福等，2006）。張雁濱等（2008）進(jìn)行了寬頻地震計(jì)及傾斜儀、重力儀對長周期波動(dòng)信號的綜合觀測，周磊等（2013）利用gPhone重力儀的記錄研究了汶川8.0級地震高頻信號。但尚未見到過往有關(guān)采用gPhone重力儀對發(fā)生在同一震源位置地震（重復(fù)地震）的同震響應(yīng)研究的報(bào)道，也未見對gPhone重力儀與寬頻帶地震計(jì)記錄波形的深入分析。因此，筆者采用分辨率高、信噪比好、穩(wěn)定性強(qiáng)的gPhone重力儀與地震儀記錄波形對比來研究同震響應(yīng)。

本文選取2014年在馬魯古海發(fā)生的5次MS＞6.0地震，利用北京地震臺gPhone重力儀的觀測數(shù)據(jù)從首波初至、地震頻帶響應(yīng)、地震長周期面波、同震變形幅度、同震持續(xù)時(shí)間等方面分析了重力儀的同震響應(yīng)特征，并與STS-2寬頻帶地震計(jì)進(jìn)行了波形對比分析。結(jié)果表明，相對寬頻帶地震計(jì)，gPhone重力儀亦能提供豐富的由地震引起的地面運(yùn)動(dòng)信息，且獨(dú)具特性。

1 北京地震臺重力觀測概況

北京地震臺隸屬中國地震局地球物理研究所，是國家Ⅰ類臺。觀測山洞處于京郊燕山地震帶上，南倚香峪大梁，北臨海淀平原，出露的地層為侏羅系砂巖層，為綠色寧質(zhì)粗砂或中砂巖，膠結(jié)致密、堅(jiān)硬，成厚層狀，地貌上形成陡坎。地勢南陡北緩，溝谷發(fā)育，排泄條件良好，臺站附近沒有大的水體（劉端法等，2004）。該觀測山洞1978年設(shè)計(jì)、施工，1982年底竣工投入使用。觀測室上覆蓋層約為25m，進(jìn)深約為110m，采用雙層被覆，至儀器安裝處有5道密封門，洞溫約為12.7℃，日變＜0.05℃，年變＜0.5℃，濕度約為70%。2007年5月在洞室內(nèi)安裝了gPhone重力儀，觀測資料穩(wěn)定、可靠、連續(xù)。

gPhone重力儀是由美國Micro-g公司生產(chǎn)的金屬彈簧相對重力儀，可調(diào)測程為7000×10-5m·s-2，直接測程為 100×10-5m·s-2，分辨率為 0.1×10-8m·s-2，儀器每月零漂小于 1×10-5m·s-2，可保證儀器的長期觀測而不用調(diào)整量程。該儀器核心傳感器是Micro-g＆Lacoste公司生產(chǎn)的零長彈簧系統(tǒng)（zero-length spring suspension system）。儀器對 Micro-g＆Lacoste公司傳統(tǒng)的G型重力儀進(jìn)行了升級，增加雙層恒溫結(jié)構(gòu)，保證儀器不受外界溫度變化的影響，同時(shí)對內(nèi)層空間進(jìn)行真空處理，減少了外部氣壓變化對儀器的影響。由于gPhone引入了新技術(shù)以降低漂移，因此可對非常長周期的信號進(jìn)行積分（比如以年為單位的固體潮）（韋進(jìn)等，2012），又由于gPhone對高頻信號的響應(yīng)絕佳，它又可以用來觀察非周期性的振動(dòng)如地震活動(dòng)（韋進(jìn)等，2011）。

2 同震響應(yīng)基本特征

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2014年在馬魯古海共發(fā)生5次MS＞6.0地震（表1）。北京地震臺的gPhone重力儀都記錄到了這5次地震的同震形變波，圖1為這5次地震的同震曲線（分鐘值殘差微伽），同震響應(yīng)參數(shù)見表2。

2014年9月10日10時(shí)46分馬魯古海發(fā)生MS6.1地震（圖1（a）），地震發(fā)生前重力儀的觀測曲線是光滑的，固體潮汐清晰。在分鐘值殘差數(shù)據(jù)序列（圖2）中看出，10點(diǎn)53分，即主震發(fā)生后8min，重力儀分鐘值曲線出現(xiàn)了跳動(dòng)；隨后開始振蕩，于11時(shí)07分達(dá)到最大波峰值459.58×10-8m·s-2；隨即大幅度振蕩下降，于 11時(shí) 09分達(dá)到最小波谷值 443.43×10-8m·s-2；11時(shí)37分，曲線振蕩幅度明顯減小，于11時(shí)52分基本恢復(fù)光滑，回到震前的趨勢線上，沒有階躍。同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間約57min，振幅大小為16.15×10-8m·s-2。

表1 2014年馬魯古海5次MS 6.0以上強(qiáng)震基本參數(shù)

2014年11月15日10時(shí)32分馬魯古海發(fā)生MS7.1地震（圖1（b）），地震發(fā)生前重力儀的觀測曲線是光滑的，固體潮汐清晰。在分鐘值殘差數(shù)據(jù)序列（圖3）中可看出，10時(shí)39分，即主震發(fā)生后7min，重力儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)突跳；隨后開始振蕩加劇，于10時(shí)52分達(dá)到最小波谷值2885.15×10-8m·s-2；之后便大幅度振蕩上升，于10時(shí)54分達(dá)到最大波峰值2991.68×10-8m·s-2；11時(shí)46分，曲線振蕩幅度明顯減小，于14時(shí)01分基本恢復(fù)光滑，回到震前的趨勢線上。同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間約201min，振幅為106.53×10-8m·s-2。

2014年11月21、26日和12月21日，該地區(qū)又發(fā)生3次MS＞6.0地震，北京臺重力儀的響應(yīng)特征均為同震波動(dòng)振蕩（圖1（c）～（e））。響應(yīng)特征見表2。

3 同震波形特征分析

形變前兆觀測的數(shù)字化使得記錄同震形變成為可能，但由于采樣的局限性，震時(shí)形變波反映的主要是遠(yuǎn)場面波。同震響應(yīng)主要集中在面波頻段，其主要特征包括面波衰減特征、最大變形幅度及同震持續(xù)時(shí)間等。

3.1 長周期地震面波

本文以 2014年 11月 15日的MS7.1強(qiáng)震為例，計(jì)算了瑞雷面波的理論到時(shí)，并與gPhone重力儀記錄的面波到時(shí)進(jìn)行對比分析（圖4）。隨著面波環(huán)繞地球的傳播，在觀測點(diǎn)與震中的全球正向和反向弧途徑上會再次出現(xiàn)地震波響應(yīng)信號。由于震后余震的干擾，致使震后瑞雷波的記錄辨別有些困難，但能夠比較清晰地看到震后有7個(gè)獨(dú)立的瑞雷面波到達(dá)觀測點(diǎn)，并且長周期瑞雷波幅值逐漸衰減（圖4）。

與STS-2地震計(jì)的地震圖中記錄一致，gPhone重力儀也記錄到了一長串近似諧波的波列，即面波（面波一般在震中距超過10°以后出現(xiàn)在地震圖中）。面波的振幅和周期在時(shí)域上是變化的，到達(dá)愈早的波列其周期愈大，表現(xiàn)出正常面波的正頻散現(xiàn)象（圖5）。

以血鈣濃度、血鎂濃度、PTH水平為指標(biāo)繪制倒漏斗圖，發(fā)現(xiàn)有部分研究散點(diǎn)不在倒漏斗圖范圍內(nèi)，分布不對稱，提示可能存在發(fā)表偏倚；以血磷濃度為指標(biāo)繪制倒漏斗圖，發(fā)現(xiàn)各研究散點(diǎn)均在倒漏斗圖范圍內(nèi)，分布對稱，提示存在發(fā)表偏倚的可能性較小（見圖11～圖14）。進(jìn)一步行Egger’s檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，上述4項(xiàng)指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)存在發(fā)表偏倚。逐個(gè)剔除納入研究后進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)剔除前后分析結(jié)果均無明顯變化，提示結(jié)論穩(wěn)定、可靠。

3.2 最大變形幅度

最大變形幅度是指在儀器本身采樣間隔狀態(tài)下觀測到的同震波形幅度最大值（楊婕等，2011）。據(jù)牛安福等（2005）研究成果，最大響應(yīng)幅度與地震震級之間的關(guān)系為

圖1 北京臺gPhone重力儀對馬魯古海5次地震的響應(yīng)曲線

表2 北京臺重力儀對2014年馬魯古海5次強(qiáng)震的同震響應(yīng)參數(shù)

圖2 2014年9月10日北京臺gPhone重力儀同震響應(yīng)曲線（分鐘值殘差數(shù)據(jù)）

圖3 2014年11月15日北京臺重力儀同震響應(yīng)曲線（分鐘值殘差數(shù)據(jù)）

其中MS為震級；Amax為測得的最大幅度；Ai為單個(gè)的響應(yīng)幅度。

圖4 gPhone重力儀的瑞雷面波記錄

從數(shù)字觀測資料的異常形態(tài)（表2）看，北京臺重力儀對馬魯古海這5次地震的同震響應(yīng)均呈脈沖波動(dòng)式，震級與同震幅度有一定關(guān)聯(lián)。表2給出的6.1級地震的響應(yīng)幅度明顯較小，波幅僅有 16.15×10-8m·s-2；7.1級地震的波幅則最大，達(dá) 107.17×10-8m·s-2，基本上反映了震時(shí)響應(yīng)幅度與地震震級之間的正比關(guān)系，即震級越大，其響應(yīng)幅度越高。

3.3 同震持續(xù)時(shí)間

同震持續(xù)時(shí)間與觀測儀器的分辨率有關(guān)，分辨率高的儀器，其記錄到的同震變化可能會更長一些。對于同樣的觀測儀器，震級大的地震釋放出的能量更多，同震持續(xù)時(shí)間則更長，如馬魯古海M6.2地震的同震響應(yīng)時(shí)間約為33min，而M7.1地震的同震持續(xù)時(shí)間最長，約為201min。這反映出同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與地震震級間有較密切的關(guān)系，強(qiáng)地震引起的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間比中等地震要長。

4 gPhone重力儀與STS-2地震計(jì)記錄波形的對比分析

在北京臺gPhone重力儀觀測山洞內(nèi)，還安裝有STS-2寬頻帶地震計(jì)。為更深入分析gPhone重力儀對地震引起的地面運(yùn)動(dòng)信息響應(yīng)，我們將兩者的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。因gPhone重力儀原始數(shù)據(jù)為秒值采樣，同樣也用STS-2地震計(jì)的秒采樣頻段數(shù)據(jù)（取垂直向）。2014年11、12月馬魯古海的4次地震，具有幾乎相同的發(fā)震位置，震中距幾乎相等（表1），故可看作是同一地點(diǎn)、同一斷層的重復(fù)地震，這為驗(yàn)證重力儀的同震響應(yīng)提供了更好的機(jī)會。圖5（a）～（d）分別為gPhone重力儀與STS-2地震計(jì)記錄的這4次地震的波形曲線。

4.1 首波初至

由圖5（a）～（d）、圖6可以看出，gPhone重力儀記錄的這4次地震均能清晰顯示初動(dòng)時(shí)刻和方向。初動(dòng)到時(shí)分別為7分21秒、7分20秒、7分21秒、7分20秒（表2）；由于發(fā)震位置相同、震中距相等，考慮儀器采樣間隔為1s，可以認(rèn)為初動(dòng)到時(shí)是相同的。這4次地震的震中距約為4350km，地震首波為地幔折射波P，由gPhone重力儀與STS-2地震計(jì)垂直向的對比曲線可見，兩者的P波初動(dòng)高度一致（初至到時(shí)、初動(dòng)方向），并且4次（重復(fù)）地震的P波到時(shí)、初動(dòng)方向均相同。這表明gPhone重力儀對地震形變波的響應(yīng)高度靈敏，而且正確。

圖5 gPhone重力儀與STS-2地震計(jì)同震波形對比曲線

圖6 gPhone重力儀與STS-2地震計(jì)速度值

4.2 地震頻帶響應(yīng)

馬魯古海2014年11、12月4次地震的震中距在40°左右，屬遠(yuǎn)震。遠(yuǎn)震初至震相為地幔折射波P，一般遠(yuǎn)震記錄到的波包括地幔折射波、地表反射波及轉(zhuǎn)換波、核面反射波及轉(zhuǎn)換波、地核穿透波和面波等。由圖5（a）～（d）可以看出，gPhone重力儀對地震頻帶響應(yīng)靈敏、豐富，具有較寬的頻帶。因gPhone的高靈敏特性可以清晰地觀察到其記錄的同震波形與STS-2記錄的地震波在垂直方向上基本一致。在gPhone重力儀時(shí)間序列的同震曲線中，P波、PP波、S波與瑞雷面波（通常被標(biāo)記為R）均能比較清晰地辨別出來，而且能探測到瑞雷波的衰減，并可明顯地反映面波頻散現(xiàn)象。

5 認(rèn)識與討論

2014年9～12月馬魯古海發(fā)生5次6.0級以上強(qiáng)震。通過對北京臺重力儀記錄到的同震形變波資料進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）2014年9～12月馬魯古海5次M＞6.0地震在北京臺gPhone重力儀記錄到了每次地震的同震形變波，說明北京臺的重力儀對震級較大的遠(yuǎn)震映震能力很強(qiáng)。

（2）北京臺重力儀在馬魯古海這5次強(qiáng)震之后均出現(xiàn)同震脈沖波動(dòng)，震后曲線快速恢復(fù)光滑，回到震前趨勢，沒有階躍，漂移速率也未改變。表明該儀器穩(wěn)定性較好。

（3）對gPhone重力儀與STS-2地震計(jì)在地震頻帶響應(yīng)、首波初至及面波頻散等方面進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，gPhone重力儀對地震引起的地面運(yùn)動(dòng)信息的反應(yīng)高靈敏度。記錄的地震事件與震源破裂時(shí)地震矩釋放過程大致吻合，表明具有超大動(dòng)態(tài)量程和高靈敏度的gPhone重力儀記錄的高頻數(shù)據(jù)對地震破裂過程研究具有重要意義。

（4）這5次遠(yuǎn)震都發(fā)生在馬魯古海中，震中距幾乎相同，同震形變波的初動(dòng)明顯，首波到時(shí)也相同。

（5）同震響應(yīng)的波幅與震級有較強(qiáng)的依賴關(guān)系，即震級越大，響應(yīng)幅度越高；同震持續(xù)時(shí)間與震級亦有一定關(guān)系，巨大遠(yuǎn)震，脈沖的延續(xù)時(shí)間較長，觀測曲線一般是振蕩數(shù)小時(shí)后恢復(fù)光滑，如果還有多個(gè)余震，則出現(xiàn)多組脈沖振蕩。但兩者間無嚴(yán)格的線性關(guān)系。

（6）本文的研究還有很多不足之處。由于震例較少，因此對不同震中距地震的響應(yīng)特征以及對同震持續(xù)時(shí)間與震級間的關(guān)系未作深入研究，這都有待于進(jìn)一步的工作。