安西地震臺(tái)洞體長(zhǎng)短基線(xiàn)傾斜儀同震響應(yīng)對(duì)比分析

周衛(wèi)東，閆勛，牛延平，田野，王娟，蘇小蕓

(蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

洞體傾斜觀(guān)測(cè)是地殼形變觀(guān)測(cè)的重要組成部分，現(xiàn)有的洞體傾斜觀(guān)測(cè)手段主要有DSQ型水管傾斜儀、VP型垂直擺傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀及SSQ-Ⅱ型水平擺傾斜儀等。水管傾斜儀發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣，單個(gè)分量一般基線(xiàn)長(zhǎng)度大于5 m，大部分長(zhǎng)度在15～30 m，屬于長(zhǎng)基線(xiàn)觀(guān)測(cè)儀器；擺式傾斜儀占用長(zhǎng)度小于1 m，大部分儀器單分量長(zhǎng)度小于0.75 m，屬于短基線(xiàn)觀(guān)測(cè)儀器。

安西地震臺(tái)形變觀(guān)測(cè)山洞有DSQ型水管傾斜儀、VP型垂直擺傾斜儀、SS-Y型伸縮儀和RZB型分量式鉆孔應(yīng)變儀等多套形變觀(guān)測(cè)設(shè)備，觀(guān)測(cè)質(zhì)量較好。DSQ型水管傾斜儀于2013年11月安裝，VP型垂直擺傾斜儀于2014年5月安裝，兩套儀器目前運(yùn)行穩(wěn)定。本文通過(guò)分析研究DSQ型水管傾斜儀和VP型垂直擺傾斜儀對(duì)不同震中距、震級(jí)地震事件的最大響應(yīng)幅度、響應(yīng)延遲時(shí)間和響應(yīng)持續(xù)時(shí)間，進(jìn)而對(duì)比長(zhǎng)短基線(xiàn)儀器在同震響應(yīng)方面的異同點(diǎn)。

1 臺(tái)站概況

安西地震臺(tái)(40.51°N，95.80°E)形變觀(guān)測(cè)山洞位于縣城正東約2 km的戈壁灘上，處在阿爾金斷裂帶北側(cè)100 km處，坐落于三危山斷裂帶上，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)強(qiáng)烈，觀(guān)測(cè)環(huán)境良好。洞室頂部與側(cè)向覆蓋都大于30 m，洞內(nèi)巖石為輝巖，巖石比較堅(jiān)硬完整，主體山脈基本無(wú)植被。洞體附近為丘陵地貌和戈壁灘，山洞總長(zhǎng)116.8 m，進(jìn)深96.8 m。因?yàn)榘参鞯卣鹋_(tái)所處地理位置的原因，全年干旱少雨，年均降水量小于50 mm。洞內(nèi)干燥溫暖，濕度、溫度基本保持恒定，洞內(nèi)平均氣溫13.7 ℃，全年溫度變化小于0.5 ℃。

2 儀器原理及臺(tái)站儀器運(yùn)行情況

VP型垂直擺傾斜儀運(yùn)用擺的鉛垂原理，擺系由吊絲和重塊組成。垂直擺在沒(méi)有振動(dòng)的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)發(fā)生傾斜變化時(shí)，擺偏離平衡位置，擺和支架之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，即電容式位移傳感器的動(dòng)片(擺)和定片(支架本體)之間的間距也相應(yīng)的發(fā)生變化,該變化通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并加以放大,數(shù)據(jù)采集器就可記錄地面傾斜變化情況[1-2]。

DSQ型水管傾斜儀運(yùn)用連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理。當(dāng)連通管兩端地基出現(xiàn)相對(duì)垂直位移時(shí)，兩端液面便會(huì)相對(duì)于儀器缽體發(fā)生變化，液面的變化使固定在浮子上的差動(dòng)變壓器的鐵芯相對(duì)于固定在蓋板上的線(xiàn)圈作垂直移動(dòng)，這個(gè)相對(duì)移動(dòng)借助于位移傳感器輸出一個(gè)模擬電壓信號(hào)，電壓信號(hào)由電纜傳輸?shù)揭欢ň嚯x的測(cè)微儀器中，然后按需要分別進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或模擬記錄系統(tǒng)。這樣將東、西、南、北四端的液面變化和“東—西”、“北—南”兩分量的高差變化以數(shù)據(jù)采集器記錄出來(lái)。表1給出了兩種觀(guān)測(cè)儀器的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 觀(guān)測(cè)儀器主要技術(shù)指標(biāo)

DSQ型水管傾斜儀北南分量方位角338.7°，東西分量方位角67.2°，兩分量基線(xiàn)長(zhǎng)度均為16 m。VP型垂直擺傾斜儀北南分量方位角0°，東西分量方位角90°。DSQ型水管傾斜儀和VP型垂直擺傾斜儀分別安裝在進(jìn)深約76.8 m、72 m的兩個(gè)觀(guān)測(cè)室內(nèi)。VP型垂直擺傾斜儀于2019年8月出現(xiàn)故障，2020年1月維修后恢復(fù)觀(guān)測(cè)，目前儀器運(yùn)行良好。

3 同震響應(yīng)特征分析

挑選不同震中距、震級(jí)地震事件分析安西地震臺(tái)兩套地傾斜觀(guān)測(cè)儀器對(duì)地震的響應(yīng)特征。由表2可以看出，對(duì)不同地震，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄到的最大響應(yīng)幅度和響應(yīng)持續(xù)時(shí)間是不同的，響應(yīng)延遲時(shí)間大部分也不相同。本研究對(duì)表2中9個(gè)地震的同震響應(yīng)特征進(jìn)行了對(duì)比分析。

表2 安西地震臺(tái)水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀地震響應(yīng)幅度參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖1給出了水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀最大響應(yīng)幅度與震級(jí)對(duì)比曲線(xiàn)。由圖可知，對(duì)6次7級(jí)以下地震，除西藏日喀則5.8級(jí)地震外，垂直擺傾斜儀的最大響應(yīng)幅度大于水管傾斜儀。而其他3次7級(jí)以上地震，水管傾斜儀的最大響應(yīng)幅度又大于垂直擺傾斜儀。

圖1 水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀最大響應(yīng)幅度與震級(jí)對(duì)比曲線(xiàn)

另外，除西藏日喀則5.8級(jí)和伊奧尼亞海7.0級(jí)地震外，其它7個(gè)地震的水管傾斜儀最大響應(yīng)幅度隨著震級(jí)的增大而增大，二者成正比關(guān)系。而垂直擺傾斜儀的最大響應(yīng)幅度卻與地震的震級(jí)、震中距有關(guān)，例如青海玉樹(shù)5.1級(jí)地震比西藏日喀則5.8級(jí)地震幅度大，拉特群島6.4級(jí)地震比菲律賓6.6級(jí)地震幅度大，印尼6.8級(jí)地震比伊奧尼亞海7.0級(jí)地震幅度大。

從圖2可以看出，水管傾斜儀響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距成正比。除伊奧尼亞海7.0級(jí)地震外，垂直擺傾斜儀響應(yīng)延遲時(shí)間與也震中距成正比，震中距越大，響應(yīng)延遲時(shí)間越大。最遠(yuǎn)的阿拉斯加7.2級(jí)地震7 329 km，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀的響應(yīng)延遲時(shí)間均為18 min；最近的青海玉樹(shù)5.1級(jí)地震655 km，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀的響應(yīng)延遲時(shí)間分別為3 min、2 min。對(duì)于同一地震，水管傾斜儀比垂直擺傾斜儀的響應(yīng)延遲時(shí)間長(zhǎng)或者相近，如科曼多爾群島7.4級(jí)地震響應(yīng)延遲時(shí)間分別為15 min、9 min。這可能與水管傾斜儀是通過(guò)水流響應(yīng)，垂直擺傾斜儀是通過(guò)吊擺響應(yīng)，擺的響應(yīng)速度相比長(zhǎng)基線(xiàn)水流速度快一些有關(guān)，此結(jié)果與曾智輝等人的研究結(jié)果一致[3]。

圖2 水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距對(duì)比曲線(xiàn)

從圖3可以看出，除四川宜賓6.0級(jí)地震外，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與地震的震級(jí)成正比，震級(jí)越大，響應(yīng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于震級(jí)較小的5個(gè)地震，垂直擺傾斜儀和水管傾斜儀響應(yīng)持續(xù)時(shí)間相當(dāng)；而對(duì)于其它4個(gè)震級(jí)較大的地震，垂直擺傾斜儀的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間比水管傾斜儀的長(zhǎng)很多。這種現(xiàn)象應(yīng)該與兩種儀器自身阻尼有關(guān)(水管傾斜儀的水流動(dòng)型的阻尼大于垂直擺傾斜儀擺的空氣阻尼)，這與狄樑等[4]的研究結(jié)果一致。

圖3 水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)對(duì)比曲線(xiàn)

從表2可以看出，對(duì)于震中距相近的地震，如西藏日喀則5.8級(jí)和四川宜賓6.0級(jí)，印尼6.8級(jí)和科曼多爾群島7.4級(jí)，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀最大響應(yīng)幅度隨著震級(jí)的增大而增大，而垂直擺傾斜儀最大響應(yīng)幅度對(duì)拉特群島6.4級(jí)和伊奧尼亞海7.0級(jí)則相反；水管傾斜儀響應(yīng)延遲時(shí)間隨著震級(jí)的增大而增大或相同，垂直擺傾斜儀響應(yīng)延遲時(shí)間隨著震級(jí)的增大出現(xiàn)一定的反復(fù)，這一情況可能與兩種儀器自身阻尼及自振周期有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)安西地震臺(tái)水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄的同震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示：水管傾斜儀記錄地震事件的最大響應(yīng)幅度與震級(jí)成正比，垂直擺傾斜儀記錄地震事件的最大響應(yīng)幅度與震級(jí)、震中距有關(guān)；水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄地震事件的響應(yīng)延遲時(shí)間與震中距成正比，震中距越大，響應(yīng)延遲時(shí)間越大；水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄地震事件的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)成正比，震級(jí)越大，響應(yīng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。