乾陵地震臺DSQ型水管儀與VP型垂直擺儀同震響應(yīng)對比分析

史春偉 羅詞建 路小建 陳嘉選

（1.乾陵地震臺 陜西咸陽 713300；2.陜西省地震局 陜西西安 710068）

地殼形變的產(chǎn)生與地震有著千絲萬縷的聯(lián)系。地震的孕育以及發(fā)生過程是巖石圈內(nèi)的一種地球動力學(xué)事件［1］。地震引起的同震形變包含了地震破裂及傳播過程的大部分信息，利用地傾斜儀觀測資料的同震響應(yīng)特征，可以對地震震源機(jī)制解的一些參數(shù)進(jìn)行估算［2］。牛安福等研究了強(qiáng)地震引起的同震形變響應(yīng)特征［3］；胡瑋等就同一地震臺站不同儀器的同震響應(yīng)進(jìn)行了較為深入的探究［4］；袁曲等指出在地傾斜實際觀測應(yīng)用時，不同臺站會因其在構(gòu)造、介質(zhì)、電性等方面的條件不同而導(dǎo)致其對應(yīng)的力擾動響應(yīng)存在一定差異，同時，不同類型地傾斜儀會因信號存在差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)認(rèn)識上的不同［5-6］。在此基礎(chǔ)上，選取乾陵地震臺DSQ型水管傾斜儀和VP型垂直擺傾斜儀記錄的10個震例，從響應(yīng)延遲、最大響應(yīng)幅度、持續(xù)時間等，來分析總結(jié)兩套儀器的同震響應(yīng)特征。

1 臺站概況

乾陵地震臺坐落于我國陜西省中部地區(qū)、渭河斷陷盆地中段和陜北黃土高原的過渡地區(qū)。從其地貌形態(tài)上來看，這里屬于丘陵溝壑區(qū)；從地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)而言，這里屬于渭河斷陷盆地中段和鄂爾多斯地臺南緣的接觸帶。該臺站在關(guān)山—口鎮(zhèn)斷裂帶以南，乾縣—富平斷裂帶北側(cè)?；鶐r為奧陶紀(jì)灰?guī)r，水平產(chǎn)狀，裂隙。地形變觀測山洞處在乾縣北乾陵東乳峰之上，自1977年開始開工，至1981年完成，歷史4年之久，其進(jìn)深60m，覆蓋20m，山洞總長度120m，呈“T”字型分布，自洞口到儀器室之間配置了4 道船艙密封門，其中，1道為鋁合金推拉門，儀器室日溫差≤0.03℃，年溫差≤0.3℃，相對濕度為91%。從水文氣候上來看，乾陵地區(qū)年氣溫在-6～38℃之間，年降雨量為300mm，地下水位線為400m。該臺站位于乾陵國家重點文物旅游保護(hù)區(qū)之內(nèi)，附近不存在河流、鐵路、工礦、企業(yè)等明顯外力干擾，觀測條件比較好。

2 傾斜儀工作原理及性能

水管傾斜儀的工作原理是：根據(jù)U 型連通管內(nèi)液面保持自然水平原理，用連通管將兩個盛有一定水量的缽體連接并安裝在臺基上，借助測微系統(tǒng)，精確地記錄兩端缽體內(nèi)水面出現(xiàn)相對高差獲取位移量，乘以儀器格值，即為地面的傾斜值［5］。

垂直擺傾斜儀的工作原理是：將一質(zhì)量塊通過吊絲懸掛在支架上組成單擺，在因振動而發(fā)生傾斜變化時，分別固定在擺與支架的動片和定片間的間距也會發(fā)生相應(yīng)變化，通過傳感器，將微位移轉(zhuǎn)化成電信號進(jìn)行測量［7］。乾陵臺水管傾斜儀基墩為花崗巖石，EW基線長30.74m，NS 基線長30.36m，分辨率為0.0005″，日漂移量＜0.005″，采樣率1 次/min。垂直擺傾斜儀基墩為花崗巖石，折合擺長10cm，分辨率為0.0001″，日漂移0.005″，采樣率1次/s。

3 同震響應(yīng)分析

3.1 資料選取

選取2019—2021年兩套儀器記錄震真相清晰的10 次地震（見表1），震級范圍5.6≤M≤7.4。其中，震級最大、震中最遠(yuǎn)的為墨西哥的7.4 級地震，震中距為13 848km；震級最小、震中最近的為四川甘孜州石渠縣的5.6級地震，震中距為878km。

表1 乾陵地震臺水管儀與垂直擺響應(yīng)參數(shù)統(tǒng)計

3.2 響應(yīng)延遲

響應(yīng)延遲時間指在觀測儀器記錄到的響應(yīng)與地震發(fā)生時刻之間的時間差，該時間與地震面波的傳播速度及震中距有關(guān)［1］。從表1可知，在同一震源下，垂直擺的響應(yīng)延時時間比水管儀略短，這是因為垂直擺的靈敏度比水管儀高［6］。從圖1可知，水管儀、垂直擺響應(yīng)延遲時間與震中距呈一定的正相關(guān)性，震中距越大，地震響應(yīng)延時時間越長［7］。

圖1 水管儀（a）、垂直擺（b）響應(yīng)延時時間與震中距關(guān)系曲線

3.3 最大響應(yīng)幅度

許多因素都會影響同震幅度，如震級、震中距、發(fā)震構(gòu)造、震源機(jī)制、臺址環(huán)境以及儀器的靈敏度等。其中，最主要的因素是震級，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)，震級越大，釋放的能量越多，同震幅度就越大［1］。由表1可知，垂直擺儀記錄最大響應(yīng)幅度遠(yuǎn)大于水管儀；在同一地震中，垂直擺的響應(yīng)幅度也比水管儀大。這是由于垂直擺捕捉前兆信息的能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于水管儀，也與水管儀的阻尼小有關(guān)［8］。

由圖2可知，垂直擺、水管儀的最大響應(yīng)幅度隨震級增大而增大，如5.6級地震，垂直擺、水管儀記錄到的最大響應(yīng)幅度分別為11×10-3″、0.6×10-3″；7.4 級地震，垂直擺、水管儀記錄到的最大響應(yīng)幅度為148×10-3″、60.0×10-3″。相同震級的地震，二者則無規(guī)律性。

圖2 水管儀、垂直擺最大響應(yīng)幅度對比

3.4 響應(yīng)持續(xù)

地震響應(yīng)持續(xù)時間長短主要跟斷層體受地震影響的程度、地震自身能量以及震中距相關(guān)。與水管儀相比，垂直擺儀響應(yīng)持續(xù)時間會更長一點；而兩套儀器的地震響應(yīng)持續(xù)時間都會由于震中距增大而變大、會由于震級增大而變大［9-11］。如圖3和圖4，離乾陵臺最近的四川甘孜州石渠縣5.6 級地震，震中距為878km，垂直擺、水管儀的地震響應(yīng)持續(xù)時間分別為31min 和5min，最遠(yuǎn)的墨西哥7.4 級地震，地震持續(xù)時間分別為132min和96min。

圖3 震中距與地震響應(yīng)持續(xù)時間關(guān)系

圖4 震級與地震響應(yīng)持續(xù)時間關(guān)系

4 結(jié)語

（1）在同一個地震下，垂直擺響應(yīng)延遲時間比水管儀要略短，垂直擺與水管儀的響應(yīng)延時與震級、震中距成正相關(guān)；震級越大，震中距越大，響應(yīng)延時越長。

（2）水管儀與垂直擺儀均能記錄到同震響應(yīng)，且垂直擺記錄到的地震最大響應(yīng)幅度比水管儀大，這與儀器的靈敏度有關(guān)。

（3）地震響應(yīng)持續(xù)時間跟多個因素有關(guān)，其中，最主要因素有斷層體受地震影響的程度、地震自身能量、震中距等。水管儀與垂直擺儀的地震激響應(yīng)持續(xù)時間與震級成正比關(guān)系，震級越大，響應(yīng)持續(xù)時間越長。