金寨地震臺地形變觀測儀器映震能力對比分析

劉莉 王飛 陸棟梁 鄭海剛 陶方宇

摘? 要：通過對2017年以來金寨臺4套地形變觀測儀器記錄到的所有地震進行統(tǒng)計分析，得出各儀器對于不同的地震存在不同的同震反應(yīng)和形式;4套地形變觀測儀器對遠震和近震的記錄能力有差異：垂直擺映震能力最強，能涵蓋其他3套儀器所能記錄到的所有地震，其次是水平擺、水管儀，映震能力最弱的是伸縮儀，對6級以上地震才有響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：地形變觀測? ?映震能力? ?對比分析? ?同震響應(yīng)

中圖分類號：P315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）07（c）-0056-04

Abstract： Through statistical analysis of all earthquakes recorded by four sets of topographic deformation observation instruments at Jinzhai Station since 2017， it is concluded that each instrument has different coseismic response and forms for different earthquakes; the recording ability of the four sets of topographic deformation observation instruments for distant and near earthquakes is different： the vertical pendulum has the strongest seismic reflection ability， which can cover all earthquakes recorded by the other three sets of instruments， followed by the horizontal pendulum and water pipe instrument， and the extensometer has the weakest seismic reflection ability， which can respond to earthquakes above M≥6.

Key Words： Terrain variation observation; Seismic reflection ability; Comparative analysis; Coseismic response

地形變觀測是地震前兆監(jiān)測的重要手段之一，借助數(shù)字化地形變觀測儀器可觀測到地震時的同震響應(yīng)，通過分析研究其包含的信息，對于實現(xiàn)地震短臨預(yù)報和年度震情跟蹤具有重要意義。

1? 臺站及地形變觀測儀器簡介

金寨地震臺（以下簡稱金寨臺）始建于1971年，位于華北地塊、下?lián)P子地塊和秦嶺—大別斷褶帶的交匯處，梅山—龍河口斷裂帶近側(cè)，臺站臺基巖性為變質(zhì)巖，離梅山水庫2 km，是安徽省近視水庫地震和大別山地區(qū)地震活動的重要臺站之一。金寨臺新建的形變觀測山洞自2016年正式投入使用，現(xiàn)有VP垂直擺傾斜儀、SSQ-2I石英水平擺傾斜儀、DSQ水管傾斜儀和SS-Y伸縮儀共4套地形變觀測儀器。

2? 地形變觀測儀器映震能力對比分析

2.1 地形變觀測儀器同震的反應(yīng)和形式

觀察4套地形變觀測儀器2017—2019年記錄到的所有地震，可以發(fā)現(xiàn)，對于每一個地震，并不是4套地形變觀測儀器全都有同震反應(yīng)。例如：4套儀器可以全部記錄到2017年09月08日發(fā)生在墨西哥沿岸近海的M8.2地震（見圖1），而在2017年08月09日發(fā)生在新疆精河的M6.6地震只有垂直擺、水平擺和水管儀記錄到（見圖2），更有2017年04月29日發(fā)生在安徽金寨的兩次地震僅有VP垂直擺產(chǎn)生同震反應(yīng)（見圖3）。

此外，各地形變觀測儀器對于不同地震所產(chǎn)生的同震反應(yīng)的表現(xiàn)形式也不同。例如，觀察垂直擺2017年04月29日的觀測曲線（見圖3），可以發(fā)現(xiàn)：該套儀器記錄00：53：24發(fā)生在安徽金寨（震中距8 km）的M3.1地震，其表現(xiàn)形式為震時突跳（NS分量）和震時階躍或掉格（EW分量），而記錄04：23：18發(fā)生在棉蘭老島（震中距3 063 km）的M7.0地震，其表現(xiàn)形式為同震形變波。也可以看出，地形變觀測儀器對于較近地震和遠震的同震反應(yīng)是不同的。

2.2 地形變觀測儀器記錄最小地震和最遠地震

筆者統(tǒng)計了金寨臺各地形變觀測儀器記錄同一震級地震所對應(yīng)的最大震中距，見表1。

根據(jù)表1可以看出，垂直擺記錄的地震范圍較其他儀器都廣，對很遠的地震和較小的地震都能記錄，且兩個分量映震能力基本相同，二分量記錄最遠地震均為中智利海岸近海M7.0地震（震中距為19 203 km），二分量記錄最小地震均為安徽金寨M1.5地震（震中距為10 km）。垂直擺二分量對近距離小震反應(yīng)尤其敏感，較近距離的小震均能使之產(chǎn)生突跳甚至階躍，還可能與儀器自身結(jié)構(gòu)及其安裝點的地理位置、地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，比如由于近距離震動使得儀器機械機構(gòu)部分受到震動或錯位[1]。

水平擺二分量的映震能力基本相當(dāng)，二分量記錄最遠地震均為中智利海岸近海M7.0地震（震中距為19 203 km）。二分量記錄最小地震均為湖北巴東M4.3地震（震中距為521 km）。當(dāng)然，該儀器也存在二分量映震能力不同的情況，如NS分量記錄最小的5級地震為震中距2 620 km本州東海岸近海的M5.0地震，而EW分量記錄最小的5級地震為震中距2 895 km的棉蘭老島M5.0地震。

水管儀主要是以記錄遠震為主。NS分量記錄到最小地震為菲律賓群島地區(qū)M5.0地震（震中距為1 330 km），EW分量記錄到最小地震為棉蘭老島M5.0地震（震中距為2 895 km）。NS分量記錄到最小6級地震為安德烈亞諾夫群島M6.0地震（震中距為5 772 km），EW分量記錄到最小6級地震為巴勒尼群島地區(qū)M6.0地震（震中距為10 951 km）。EW分量映震能力優(yōu)于NS分量[2]。

伸縮儀只對較遠較大的地震有記錄，NS分量記錄最小地震為印度支那半島M6.0地震（震中距為1 992 km），而EW分量記錄最小地震為瓦努阿圖M6.0地震（震中距為7 435 km），也是EW分量映震能力優(yōu)于NS分量。

通過以上統(tǒng)計分析可以得出：金寨臺這4套地形變觀測儀器中，垂直擺映震能力最強，能涵蓋其他3套儀器所能記錄到的所有地震，甚至記錄到近距離地方震;其次是水平擺、水管儀，因其固有周期高，對于短周期的地震波無法響應(yīng)，只能較好地記錄大地震激發(fā)出的周期較長的地震波;映震能力最弱的是伸縮儀，對6級以上地震才有響應(yīng)[3]。

2.3 地形變觀測儀器對于安徽省內(nèi)及其周邊小震的記錄情況

2017—2019年在安徽省內(nèi)及臺站周邊共發(fā)生95次M2.0級以上地震，其中最大地震為2019年12月26日發(fā)生在湖北應(yīng)城的M4.9地震。經(jīng)統(tǒng)計，金寨臺各地形變觀測儀器共記錄到其中41次地震。

各儀器對這41個地震的記錄情況是：垂直擺記錄到了所有地震;水平擺僅記錄到了震級較大的兩個地震（2019年12月26日湖北應(yīng)城M4.9地震和2017年6月16日湖北巴東的M4.3地震）;水管儀和伸縮儀對這些小地震均沒有記錄。

以上記錄情況的原因，應(yīng)與各儀器自身設(shè)計及原理有關(guān)。垂直擺擁有較高的采樣率（秒采樣），但針對這些周期太小的地震，仍無法完全記錄到一個小地震的全部波形，有時甚至以短時突跳、瞬時階躍的形式來呈現(xiàn)同震響應(yīng)。而水平擺只有在稍遠的、能在水平方向上產(chǎn)生勒夫波時，才能記錄到，因此水平擺對稍遠地震記錄較為明顯。水管儀因其具有較長基線，只能較好地記錄大地震激發(fā)出的較長周期的波[4]。伸縮儀是測量水平位移的儀器，在結(jié)構(gòu)原理設(shè)計上避免對地面的垂直變化有反應(yīng)，只能相對清晰地記錄到能產(chǎn)生水平方向地震波的地震，對于近距離的、僅能產(chǎn)生體波的地方小震，均無法記錄[5]。

2.4 地形變觀測儀器對全球7級以上地震的記錄情況

2017—2019年全球共發(fā)生了M7.0級以上地震43次。金寨臺垂直擺和水管儀在統(tǒng)計范圍內(nèi)記錄到了所有M7.0級以上地震，記錄能力為100%。水平擺觀測資料因2017年06月才納入前兆數(shù)據(jù)庫，故對2017年前5個月里發(fā)生的6個M7.0級以上地震未有記錄，剩下37個均有記錄，達到了很高的記錄能力。

分析伸縮儀未記錄到的幾個地震，大部分是因為震中距較大，如2017年04月25日中智利海岸遠海M7.2地震，震中距達19 269 km;有的是因為震源深度較深，如2018年08月24日秘魯M7.0地震，震源深度630 km;還有的是因為儀器自身原因，如2017年01月04日斐濟以南地區(qū)M7.0地震，因伸縮儀NS分量背景噪聲較大，導(dǎo)致地震造成的應(yīng)變幅度湮沒在背景噪聲內(nèi)，但EW分量卻記錄到了此次地震[6-7]。

3? 結(jié)語

該文對金寨臺4套地形變觀測儀器的映震能力做了統(tǒng)計分析對比，結(jié)果表明，金寨臺各地形變觀測儀器映震能力明顯不同。

（1）金寨臺各地形變觀測儀器對于不同的地震存在不同的同震反應(yīng)和形式，近距離小震、遠震的同震反應(yīng)各有不同。

（2）金寨臺各地形變觀測儀器對遠震和近震的記錄能力有差異。

垂直擺映震能力最強，能涵蓋其他3套儀器所能記錄到的所有地震，甚至記錄到近距離地方震，這既是因為垂直擺較高的采樣率，也是因其較低的自振周期（0.6 s）、較寬的頻帶范圍，使得垂直擺不僅可以記錄到緩慢地震和長周期遠震，還能記錄到頻率高于固體潮信號的近震地震波、甚至是地方震。

其次是水平擺，水平擺工作頻帶較寬，其頻響范圍為0～5 kHz，相較于垂直擺，水平擺的分鐘采樣使其缺少對短周期的近震記錄，對遠震記錄較為明顯。

然后是水管儀，目前現(xiàn)有水管儀的固有周期在70 s左右，它對短周期地震波無法響應(yīng)，相對于擺式傾斜儀器，水管儀頻帶范圍較窄，高頻端截止頻率低于擺式傾斜儀器，無法記錄更多的高頻信息，映震能力稍弱。

映震能力最弱的是伸縮儀，對6級以上地震才有響應(yīng)。因為伸縮儀是測量水平位移的儀器，在結(jié)構(gòu)原理設(shè)計上避免對地面的垂直變化有反應(yīng)，只能相對清晰地記錄到能產(chǎn)生水平方向地震波的地震，對于近距離的、僅能產(chǎn)生體波的地方小震，均無法記錄，且其頻響范圍還受到差動變壓器和濾波電路的頻帶的影響。

參考文獻

[1] 侯曉真，陳建國，馬棟，等.基于潮汐因子的河北省形變臺站映震效能評估[J].地震工程學(xué)報，2018，40（5）：1068-1072，1104.

[2] 謝卓娟.中國海域及鄰區(qū)地震區(qū)劃中的地震活動性研究[D].廊坊：中國地震局工程力學(xué)研究所，2020.

[3] 郜懷龍，王發(fā)勝，禹小軍，等.韶關(guān)臺VS型垂直擺映震效能分析[J].華南地震，2020，40（2）：84-91.

[4] 全建軍，賴見深，陳珊樺，等.小陶地震臺鉆孔體應(yīng)變儀觀測質(zhì)量與映震能力分析[J].華南地震，2021，41（1）：26-33.

[5] 李自芮，馬翀之，朱鵬濤，等.銀川臺地形變觀測資料映震效能研究及動力源探討[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報，2018，34（3）：34-37.

[6] 李自芮，馬翀之，羅恒之.銀川地震臺數(shù)字石英水平擺傾斜儀觀測資料映震分析[J].地震地磁觀測與研究，2018，39（4）：169-175.

[7] 于慶民，盧雙苓，郝軍麗，等.泰安地震臺形變儀器映震能力統(tǒng)計分析[J].地震研究，2015，38（3）：408-415.