gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜儀同震響應(yīng)對(duì)比

洪旭瑜，劉堅(jiān)剛，胡淑芳，秦雙龍

（福建省地震局, 福州 350003）

0 引言

重力儀和寬頻帶傾斜儀是眾多地形變觀測(cè)手段中的兩種，廣泛應(yīng)用于地形變臺(tái)站監(jiān)測(cè)，其觀測(cè)內(nèi)容是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)重要研究目標(biāo)。gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜儀都是秒采樣儀器，gPhone重力儀采用的是美國(guó)Micro-g＆Lacoste公司生產(chǎn)的零長(zhǎng)彈簧系統(tǒng)相對(duì)重力儀，分辨率0.1×10?8ms?2，該儀器具有分辨率高、信噪比好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。VP寬頻帶傾斜儀是由胡國(guó)慶教授2010年帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制出的新型儀器[2]，是由柔絲、擺桿和重塊3部分組成，利用擺的鉛垂原理，將微小位移記錄下來(lái)，其噪聲幅度小于gPhone重力儀[3]。

地震產(chǎn)生的體波（P波和S波）和面波（R波）等高頻信息能夠被較寬頻帶（0.1～10 Hz）地震儀器記錄到[4]，秒采樣gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜同樣能夠記錄到地震的同震響應(yīng)信息。周江林等[5]通過(guò)gPhone重力儀與STS-2寬頻帶地震計(jì)同震響應(yīng)波形進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，重力儀同樣能夠記錄到由地震引起的地面運(yùn)動(dòng)信息；呂品姬等[3]通過(guò)同JCZ-1型超寬頻帶測(cè)震儀記錄到的同震信號(hào)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，VP寬頻帶傾斜也能夠清晰記錄S波及后續(xù)面波信息。

本文通過(guò)對(duì)莆田臺(tái)gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜儀記錄到地震波的波形特征進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)并分析兩套儀器2018—2020年記錄到的所有地震，從震級(jí)與震中距關(guān)系、同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與響應(yīng)形態(tài)、同震響應(yīng)最大波幅變化方面進(jìn)行研究，得出秒采樣寬頻帶傾斜儀與重力儀的映震能力及二者的映震能力差異，可為秒采樣地形變儀器在場(chǎng)地監(jiān)測(cè)效能與監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的擴(kuò)展應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 臺(tái)站及儀器簡(jiǎn)介

莆田臺(tái)位于莆田市東巖山南側(cè)，地處福建沿海中部、臺(tái)灣海峽西岸。臺(tái)站位于長(zhǎng)樂(lè)-詔安斷裂帶中北部，區(qū)內(nèi)地層出露部分有前奧陶系、上侏羅統(tǒng)的長(zhǎng)林組、南園組、坂頭組以及下白堊的石帽山群火山巖，臺(tái)站基巖為花崗巖。兩套儀器安裝在同一個(gè)山洞內(nèi)的不同觀測(cè)室內(nèi)，直線距離10 m左右。gPhone重力儀于2017年12月19日起正式運(yùn)行，VP寬頻帶傾斜儀于2014年1月20日起正式觀測(cè)，兩套儀器自觀測(cè)以來(lái)數(shù)據(jù)資料穩(wěn)定、可靠。秒采樣重力儀和寬頻帶傾斜儀的記震能力，主要反映震級(jí)與震中距的關(guān)系。為研究方便，本文選取了2018—2020年的地震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要考慮震級(jí)和震中距2個(gè)影響因素，綜合分析對(duì)比兩套套儀器的觀測(cè)效能和記震能力。

2 同震響應(yīng)特征

2.1 同震響應(yīng)情況

基于中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)地震事件記錄，對(duì)莆田臺(tái)VP寬頻帶傾斜儀和gPhone重力儀2018—2020年兩套儀器記錄到的地震同震響應(yīng)事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。寬頻帶傾斜儀記錄到558次地震，少于重力儀記錄到599次地震，說(shuō)明重力儀的映震能力較強(qiáng)，兩套儀器記錄到地震及其對(duì)應(yīng)的震中距分布特征圖（圖1）。

圖1 莆田臺(tái)gPhone重力儀與VP寬頻帶傾斜儀震級(jí)-震中距分布特征

從圖1兩套儀器的震級(jí)與震中距分布特征可以發(fā)現(xiàn)：①兩套儀器記錄到的最小地震不一樣，但最大地震一樣，寬頻帶傾斜儀記錄到最小地震為2018年7月12日1時(shí)41分福建三明市明溪縣（26.32°N， 117.21°E）發(fā)生的3.1級(jí)地震，震源深度8 km，震中距205 km；重力儀記錄到最小地震為2019年3月13日04時(shí)19分臺(tái)灣臺(tái)北市（25.02°N，121.70°E）發(fā)生的3.8級(jí)地震，震源深度141 km，震中距275 km；兩套儀器記錄到最大地震都是2018年8月19日8時(shí)19分在斐濟(jì)群島地區(qū)(18.08°S，178.06°W)發(fā)生8.1級(jí)地震，震源深度570 km，震中距8 359 km。②4.0級(jí)以下地震，寬頻帶傾斜儀記錄到的地震個(gè)數(shù)遠(yuǎn)多于重力儀，從震中距上看，這些地震都屬于地方震。這不代表重力儀的記震能力小于寬頻帶傾斜儀，以地脈動(dòng)為主的噪聲幅度重力儀遠(yuǎn)大于寬頻帶傾斜儀，導(dǎo)致寬頻帶傾斜儀的原始觀測(cè)曲線顯得尤為“光滑”(圖2)，一些震級(jí)較小的地方震重力儀映震振幅較小，同儀器本身噪聲互相疊加導(dǎo)致不夠清晰，而寬頻帶的噪聲水平低，其映震振幅能夠有較明顯的反映。③兩套儀器對(duì)500 km以內(nèi)4級(jí)地震、2 000 km以內(nèi)5級(jí)地震、8 000 km以內(nèi)6級(jí)地震及全球7、8級(jí)地震有反應(yīng)，對(duì)全球6級(jí)以上地震，重力儀記錄到地震個(gè)數(shù)多于寬頻帶傾斜儀，重力儀遠(yuǎn)震的映震能力大于寬頻帶傾斜儀，這與前人的研究結(jié)果基本一致[6]。④對(duì)全球6級(jí)以上地震，重力儀記錄到地震個(gè)數(shù)（尤其是遠(yuǎn)震）遠(yuǎn)多于寬頻帶傾斜儀，這可能是由于對(duì)于震級(jí)較大的遠(yuǎn)震，地震波信號(hào)主要以長(zhǎng)周期面波為主，重力儀具有較寬頻帶，能夠記錄到這些地震波信號(hào)，而寬頻帶傾斜儀雖然也有較寬頻帶，但由于“強(qiáng)烈”的地脈動(dòng)信號(hào)幾乎完全淹沒(méi)了地震同震響應(yīng)面波信號(hào)而導(dǎo)致其無(wú)法記錄到震中距較遠(yuǎn)的地震[3]，說(shuō)明重力儀遠(yuǎn)震的映震能力優(yōu)于寬頻帶傾斜儀。

圖2 gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜儀原始觀測(cè)曲線

2.2 同震響應(yīng)特征

為了比較重力儀和寬頻帶傾斜儀的同震響應(yīng)特征，本文選取8個(gè)地震進(jìn)行分析。分別是2018年6月11日臺(tái)灣花蓮海域和2019年10月8日臺(tái)灣宜蘭海域4.3級(jí)地震、2018年12月16日臺(tái)灣花蓮海域和2019年12月18日四川資中縣5.2級(jí)地震、2020年12月25日菲律賓和2020年12月21日日本本州近海6.3級(jí)地震、2020年3月25日千島群島和2020年10月20日美國(guó)阿拉斯加以南海域7.5級(jí)地震。8個(gè)地震震級(jí)最小4.3，最大7.5，震中距最小323 km，最大7 182 km。莆田臺(tái)重力儀和寬頻帶傾斜儀都記錄到這8個(gè)地震的地震波信號(hào)，具體的同震響應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表1。分別從波幅、同震響應(yīng)延遲時(shí)間、同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間以及響應(yīng)形態(tài)4方面分析重力儀和寬頻帶傾斜儀對(duì)相同震中距不同震級(jí)或相同震級(jí)不同震中距的同震響應(yīng)差異。

表1 重力儀和寬頻帶傾斜儀記錄到8個(gè)地震的同震響應(yīng)參數(shù)

1）同震響應(yīng)延遲時(shí)間：重力儀和寬頻帶傾斜儀在同洞室相距10 m左右，對(duì)震中距在100 km以上的地震二者都可以視為同址觀測(cè)點(diǎn)。而8個(gè)地震的震中距都在100 km以上，故可視為同址觀測(cè)點(diǎn)。表1可以看出，兩套儀器接收到地震波信號(hào)的延遲響應(yīng)時(shí)間都一樣，說(shuō)明P波初動(dòng)時(shí)刻一致，兩套設(shè)備在1時(shí)28分33秒觀測(cè)曲線出現(xiàn)小幅跳動(dòng)，即P波到達(dá)，在1時(shí)32分56秒和1時(shí)37分31秒橫波S和面波R幾乎同時(shí)到達(dá)，波形一致較好，面波頻散現(xiàn)象清晰（圖3）；同震響應(yīng)延遲時(shí)間同震中距成正比，相同震級(jí)不同震中距，震中距越大，響應(yīng)延遲時(shí)間越長(zhǎng)，反之則越短。 這同地震波在地下介質(zhì)中傳播的時(shí)間與其傳播距離成正比有關(guān)，說(shuō)明延遲響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短也反映震中距的遠(yuǎn)近。

圖3 gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜儀記錄到日本本州近海6.3地震同震響應(yīng)特征

2）同震持續(xù)時(shí)間及響應(yīng)形態(tài)：重力儀和寬頻帶傾斜儀對(duì)不同震級(jí)地震的持續(xù)響應(yīng)時(shí)間不同，持續(xù)時(shí)間同震級(jí)成正比關(guān)系，震級(jí)越大同震響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。2019年10月8日臺(tái)灣宜蘭海域4.3級(jí)地震，寬頻帶傾斜儀約為160 s，重力儀為290 s；2020年3月25日千島群島7.5級(jí)地震，寬頻帶傾斜儀約為5 800 s，重力儀為5 900 s。這是因?yàn)檎鸺?jí)越大，釋放出的能量越大，地震波激發(fā)時(shí)間越長(zhǎng)。持續(xù)時(shí)間同震中距沒(méi)有必然的聯(lián)系，同樣震級(jí)為6.3級(jí)，雖然震中距為2 777 km的日本本州近海同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間比震中距為1 307 km菲律賓同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間短，但是震級(jí)為7.5級(jí)，震中距為7 182 km美國(guó)阿拉斯加近海比同樣震級(jí)、不同震中距（4 243 km）千島群島同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)同一地震，重力儀的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較寬頻帶傾斜儀長(zhǎng)，這是因?yàn)橹亓x較寬頻帶傾斜儀具有較寬的頻帶響應(yīng)范圍[7-8]。無(wú)論是小震還是大震，重力儀能夠完整地記錄到地震波形。從表1可以看出，對(duì)于同震響應(yīng)形態(tài)，寬頻帶傾斜儀6級(jí)地震以下的同震響應(yīng)狀態(tài)為階變，6級(jí)以上為高頻振蕩；重力儀5級(jí)地震以下的同震響應(yīng)狀態(tài)為低頻振蕩，5級(jí)以上全部為高頻振蕩。這同寬頻帶傾斜儀主要測(cè)量水平方向位移、相對(duì)重力儀記錄以垂直向?yàn)橹鞯牡厍虮砻鎯牲c(diǎn)間重力差值的儀器特性有關(guān)。因此，從同震響應(yīng)形態(tài)看，重力儀同震響應(yīng)形態(tài)高于寬頻帶傾斜儀。

3）同震響應(yīng)波幅變化：兩套儀器的同震響應(yīng)波幅同震級(jí)成正比關(guān)系；波幅同震中距的關(guān)系與同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間一致，6級(jí)以下，震中距越大，振幅越小，6級(jí)以上，震中距越遠(yuǎn)，振幅不一定越小，這是因?yàn)檩^大震級(jí)的遠(yuǎn)震地震波信號(hào)通過(guò)地球內(nèi)部不同方向傳播的路徑不一致引起的。雖然震中距較遠(yuǎn)，但地震波在地球內(nèi)部實(shí)際傳播路徑較短，儀器接收到的面波頻散衰減速度較慢，振幅較大；而對(duì)震中距較近的近震，地震波信號(hào)主要是從地表傳播，以此引起地表振動(dòng)而被儀器記錄到。由于重力儀同震響應(yīng)曲線振幅變化的單位量綱同寬頻帶傾斜儀不同，二者無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)比。本研究利用表1的同震響應(yīng)參數(shù)計(jì)算波幅（F）與響應(yīng)持續(xù)時(shí)間（T）之間的相關(guān)關(guān)系，具體計(jì)算公式為：

式中：Cov(T,F)為T(mén)與F的協(xié)方差；V(T)和V（F）分別為T(mén)和F的方差。通過(guò)公式計(jì)算相關(guān)系數(shù)r=0.962 5，即波幅（F）與響應(yīng)持續(xù)時(shí)間（T）呈高度正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，波幅越大。前述已知對(duì)同一地震，重力儀的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較寬頻帶傾斜儀長(zhǎng)，根據(jù)波幅與同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間相關(guān)關(guān)系，可知重力儀同震響應(yīng)最大波幅大于寬頻帶傾斜儀。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)2018—2020年莆田臺(tái)gPhone重力儀和VP寬頻帶傾斜儀記錄到同震響應(yīng)地震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，著重分析了兩套儀器對(duì)8個(gè)地震的同震響應(yīng)特征，得出以下結(jié)論。

1）重力儀記錄到地震同震響應(yīng)事件個(gè)數(shù)多于寬頻帶傾斜儀，對(duì)4級(jí)以下地震映震不明顯，但對(duì)6級(jí)以上地震映震能力較寬頻帶傾斜儀強(qiáng), 對(duì)全球7、8級(jí)以上地震，兩套儀器都有明顯反應(yīng)。

2）對(duì)不同震中距、震級(jí)的地震，重力儀和寬頻帶傾斜儀記錄到P波的初動(dòng)時(shí)刻一致、無(wú)差異，但二者對(duì)地震的同震響應(yīng)延遲時(shí)間同震中距呈正相關(guān)。

3）從同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間看，重力儀同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間大于寬頻帶傾斜儀，二者的同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間都與震級(jí)呈正相關(guān)關(guān)系，同震中距沒(méi)有必然聯(lián)系。

4）從同震響應(yīng)形態(tài)看，對(duì)于震級(jí)較小地震，寬頻帶傾斜儀一般表現(xiàn)為階變，重力儀則為低頻振蕩，對(duì)于震級(jí)較大地震二者都表現(xiàn)為高頻振蕩。

5）從同震響應(yīng)波幅變化看，相同震中距不同震級(jí)時(shí)，震級(jí)越大，波幅變化越大；相同震級(jí)不同震中距時(shí)，震中距越大，波幅變化不一定越小。

通過(guò)對(duì)地震同震響應(yīng)次數(shù)、響應(yīng)持續(xù)時(shí)間、波幅變化分析，可知重力儀的同震響應(yīng)能力優(yōu)于寬頻帶傾斜儀。但結(jié)論還可進(jìn)一步強(qiáng)化，這也是本文的不足之處，一是由于重力儀頻帶噪聲幅度大于寬頻帶傾斜儀，導(dǎo)致對(duì)震級(jí)較小的地震映震不明顯，對(duì)其進(jìn)行降噪處理后，方能清晰看到同震響應(yīng)特征；二是兩套儀器的波幅變化量綱不一致，重力儀測(cè)量的是加速度信號(hào)，需將其進(jìn)行二次積分為位移后，同寬頻帶傾斜儀記錄傾斜位移變化量綱相統(tǒng)一，便于比較。