漠河臺gPhone重力儀同震響應(yīng)特征分析

趙建通

（牡丹江地震臺，黑龍江 牡丹江 157009）

0 引言

漠河地震臺位于黑龍江省東北端的漠河縣，是中國最北端的無人值守的綜合臺站，其獨特的地理位置，對于監(jiān)測、研究中國北部乃至北極地區(qū)地震活動有著極其重要的作用。臺站配有重力和測震兩種觀測手段，其gPhone 重力儀的采樣周期可達秒值采樣，高頻的秒值觀測資料給我們提供了更豐富、更準確的地震信息[1]。

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地震震源的一些參數(shù)和認識地震短臨前兆的動力學特征[2-3]。研究表明，同震響應(yīng)研究由于具有加載區(qū)域廣、響應(yīng)特征更易識別等優(yōu)勢，是揭示地殼介質(zhì)對應(yīng)力—應(yīng)變過程最直接最有效的手段之一[4]，因此，同震響應(yīng)已經(jīng)成為地震前兆研究的熱點[5]。本文選取了2016 年至2018 年在科曼多爾群島地區(qū)發(fā)生的5 次Ms≥6.5以上地震作為震例，利用漠河地震臺gPhone重力儀的觀測數(shù)據(jù)，對五次地震從首波初至、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)時間等方面進行了重力儀的同震響應(yīng)特征分析。結(jié)果表明gPhone 重力儀也能提供豐富的由地震引起的地面運動信息，且獨具特性，研究結(jié)果與前人研究具有一致性特征。

1 漠河地震臺gPhone 重力觀測條件

漠河地震臺為新建重力臺，主要以重力觀測為主。2011 年對漠河臺進行山洞擴建，2012年完成了漠河臺觀測室所有項目建設(shè)。2013 年重力儀安裝后投入使用，運行良好。漠河地震臺重力觀測為新建項目，總建筑面積98.99 m2，山洞內(nèi)面積80 m2，進深為32 m，寬2 m，高2.5 m 的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一次性澆筑完成。山洞完全用新型防水材料做防水處理。山洞門口有一個保溫防盜門，山洞內(nèi)共有7 道塑鋼門，基本能保障室內(nèi)溫度日變化≤1℃，相對濕度≤90%。

2 同震響應(yīng)特征分析

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2016 年至2018 年，科曼多爾群島發(fā)生五次Ms≥6.5 地震，其中Ms≥7.0 以上地震兩次（表1）。漠河地震臺的gPhone 重力儀完整的記錄到了這5 次地震的同震形變波（圖1-5），同震響應(yīng)特征見表2。

表1 科曼多爾群島5 次Ms 6.5 級以上地震基本參數(shù)

表2 漠河臺重力儀記錄的5 次Ms≥6.5 以上強震的同震響應(yīng)參數(shù)

2.1 2016 年9 月6 日06 時54 分科曼多爾群島Ms6.5 地震

2016 年9 月6 日06 時54 分，科曼多爾群島發(fā)生Ms6.5 地震，地震發(fā)生前重力的觀測曲線是光滑的，固體潮清晰。在同震形變波分鐘值圖（圖1）中看出，06 時59 分，即主震發(fā)生5 分37 秒后，重力儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)483.79× 10-8m·s-2向上突跳，隨后波形一直處于震蕩狀態(tài)，在07 時11 分達到最大波值551.85× 10-8m·s-2，隨后震蕩在2 分鐘之后達到最小波值367.29×10-8m·s-2。7 時18 分，曲線震蕩幅度明顯變小，在8 時25 分曲線基本恢復(fù)光滑，回到此次震前狀態(tài)。同震效應(yīng)持續(xù)時間約89 分鐘，波幅為184.56×10-8m·s-2。

2.2 2017 年7 月17 日19 時05 分科曼多爾群島Ms6.6 地震

2017 年7 月17 日19 時05 分07 秒，科曼多爾群島發(fā)生Ms6.6 地震，地震發(fā)生前重力的觀測曲線是光滑的，固體潮清晰。在同震形變波分鐘值圖（圖2）中看出，06 時59 分，即主震發(fā)生5 分40 秒后，重力儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)1650.26× 10-8m·s-2向上突跳，隨后波形一直處于震蕩狀態(tài)，在19 時22 分達到最小波值1587.65×10-8m·s-2，隨后震蕩在1 分鐘之后達到最大波值1728.11 × 10-8m·s-2。19 時34 分，曲線震蕩幅度明顯變小，在20 時55 分曲線基本恢復(fù)光滑，回到此次震前狀態(tài)。同震效應(yīng)持續(xù)時間約105 分鐘，波幅為140.46×10-8m·s-2。

圖1 2016 年9 月6 日漠河臺重力儀觀測曲線Fig.1 The gravity observation curve of Mohe Seismic Station on Sep. 6，2016

圖2 2017 年7 月17 日漠河臺重力儀觀測曲線Fig.2 The gravity observation curve of Mohe Seismic Station on Jul. 17，2017

2.3 2017 年7 月18 日07 時34 分科曼多爾群島Ms7.9 地震

2017 年7 月18 日07 時34 分13 秒，科曼多爾群島發(fā)生Ms7.9 地震，地震發(fā)生前重力的觀測曲線是光滑的，固體潮清晰。在同震形變波分鐘值圖（圖3）中看出，06 時59 分，即主震發(fā)生5 分37 秒后，重力儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)1480.28×10-8m·s-2向上突跳，隨后波形一直處于震蕩狀態(tài)，在7 時53 分達到最小波值-409.17× 10-8m·s-2，隨后震蕩在1 分鐘之后達到最大波值2639.65 × 10-8m·s-2。8 時36 分，曲線震蕩幅度明顯變小，在10 時53 分曲線基本恢復(fù)光滑，回到此次震前狀態(tài)。同震效應(yīng)持續(xù)時間約195 分鐘，波幅為3048.82×10-8m·s-2。

圖3 2017 年7 月18 日漠河臺重力儀觀測曲線Fig.3 The gravity observation curve of Mohe Seismic Station on July 18，2017

2.4 2018 年1 月25 日10 時10 分科曼多爾群島Ms6.5 地震

2018 年1 月25 日10 時10 分34 秒，科曼多爾群島發(fā)生Ms6.5 地震，地震發(fā)生前重力的觀測曲線有小的毛刺，固體潮清晰。在同震形變波分鐘值圖（圖4）中看出，10 時14 分，即主震發(fā)生5 分27 秒后，重力儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)2216.64× 10 × 10-8m·s-2向上突跳，隨后波形一直處于震蕩狀態(tài)，在10 時26 分達到最大波值2229.52×10-8m·s-2，隨后震蕩在1 分鐘之后達到最小波值2176.63×10-8m·s-2。8 時36分，曲線震蕩幅度明顯變小，在10 時53 分曲線基本恢復(fù)光滑，回到此次震前狀態(tài)。同震效應(yīng)持續(xù)時間約195 分鐘，波幅為52.89×10-8m·s-2。

圖4 2018 年1 月25 日漠河臺重力儀觀測曲線Fig.4 The gravity observation curve of Mohe Seismic Station on Jan. 25，2018

2.5 2018 年12 月21 日01 時01 分科曼多爾群島Ms7.4 地震

2018 年12 月21 日01 時01 分55 秒，科曼多爾群島發(fā)生Ms7.4 地震，地震發(fā)生前重力的觀測曲線是光滑的，固體潮清晰。在同震形變波分鐘值圖（圖5）中看出，01 時07 分，即主震發(fā)生5 分15 秒后，重力儀分鐘值觀測曲線出現(xiàn)3298.41× 10-8m·s-2向上突跳，隨后波形一直處于震蕩狀態(tài)，在01 時18 分達到最大波值4018.24×10-8m·s-2，隨后震蕩在2 分鐘之后達到最小波值2564.64 × 10-8m·s-2。02 時34分，曲線震蕩幅度明顯變小，在04 時27 分曲線基本恢復(fù)光滑，回到此次震前狀態(tài)。同震效應(yīng)持續(xù)時間約200 分鐘，波幅為1453.60×10-8m·s-2。

圖5 2018 年12 月21 日漠河臺重力儀觀測曲線Fig.5 The gravity observation curve of Mohe Seismic Station on Dec. 21，2018

3 分析與討論

3.1 首波初至

由表2 和圖1-5 所示，gPhone 重力儀記錄的5 次地震均能清晰顯示初動時刻和方向。初動到時分別為5 分37 秒、5 分40 秒、5 分37秒、5 分27 秒和5 分15 秒。除去發(fā)震時刻、震中距等偏差及不確定因素影響，可以看作初動到時與震中距存在正相關(guān)性。

3.2 面波特征

由圖所示，gPhone 重力儀記錄的5 次地震面波振幅因震級大小、震中距差別而存在差異。同一地區(qū)的地震，震級越大，面波幅度越大，響應(yīng)時間越長。其中2017 年7 月18 日在該地區(qū)發(fā)生的Ms7.9 地震，面波幅度最大，約為3048.82×10-8m·s-2，而震中位置最相近的2017年7 月17 日發(fā)生的Ms6.6 地震，面波幅度只有140.46×10-8m·s-2，說明同震響應(yīng)的波幅與震級存在正相關(guān)性。

3.3 同震響應(yīng)時間

震中距相同的地震，震級越大，同震響應(yīng)時間越長。經(jīng)過圖表發(fā)現(xiàn)，震級相同的地震，同震響應(yīng)時間隨著震中距變大而減小。由2016年9 月6 日的Ms6.5 地震和2018 年1 月25 日的Ms6.5 地震，兩次地震距離漠河地震臺的震中距分別為2951 km、2805 km，面波響應(yīng)時間分別為86 分鐘、139 分鐘。說明地震的響應(yīng)時間除與震級存在正相關(guān)性以外，與震中距存在負相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

根據(jù)以上5 次在科曼多爾群島發(fā)生的強震的數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

（1）儀器完整的記錄到了該地區(qū)5 次Ms6.5以上的地震，說明漠河地震臺重力儀對強震的響應(yīng)能力很強；

（2） 重力儀在經(jīng)過震級較大的地震之后，曲線能快速恢復(fù)到震前趨勢，說明重力儀穩(wěn)定性良好；

（3）首波初至時間除去受發(fā)震時刻、震中距等偏差，以及儀器采樣周期間隔為1 秒外，初動到時與震中距存在正相關(guān)性；

（4）同震響應(yīng)持續(xù)時間與震級存在正相關(guān)關(guān)系，震級越大，持續(xù)時間越長，并且同震響應(yīng)持續(xù)時間與震中距也存在負相關(guān)關(guān)系；

（5）同震響應(yīng)的面波振幅與震級存在正相關(guān)性，即震級越大，面波幅度越大；

（6） 2017 年7 月17 日發(fā)生的的Ms6.6 和2018 年1 月25 日發(fā)生的Ms6.3 地震距離漠河地震臺的震中距分別為2984 km、2805 km，理論上1 月25 日的地震應(yīng)該面波幅度更大，但從圖標中可以看出，震中距根源的7 月17 日的地震曲線的面波幅度更大。由此可以看出，以上結(jié)論得到的振幅的相關(guān)性受地質(zhì)結(jié)構(gòu)和破裂方式不同等未知因素影響，并不存在線性關(guān)系。