五指山形變臺(tái)VP型寬頻帶傾斜儀記錄地震特征

周 雯 李 盛 張 帆 馬武剛

1）中國(guó)?？?570203 海南省地震局

2）中國(guó)武漢 430072 湖北省地震局

0 引言

VP 型寬頻帶傾斜儀由中國(guó)地震局地震研究所研發(fā)，是在VS 型垂直擺傾斜儀基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型垂直擺傾斜儀，通過記錄地球鉛垂線方向變化進(jìn)行地球物理觀測(cè)（袁曲等，2019）。該儀器與傳統(tǒng)垂直擺傾斜儀相比，VP 型寬頻帶傾斜儀在自動(dòng)化程度、采樣率、頻帶寬度方面有了顯著提升，不僅能記錄到清晰的固體潮，還能記錄到更多地震前兆信息，且映震能力較強(qiáng)（呂品姬等，2010；馬武剛等，2015）。VP 型寬頻帶傾斜儀作為一種高精度地形變觀測(cè)儀器在全國(guó)地形變臺(tái)站被廣泛應(yīng)用（馬武剛等，2010）。本文對(duì)2016—2020 年五指山形變臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱五指山臺(tái)）VP 型寬頻帶傾斜儀記錄的震中距5 000 km 以內(nèi)的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，推算傾斜儀記錄地震能力。

1 觀測(cè)概況

五指山臺(tái)位于海南省五指山市沖山鎮(zhèn)太平山麓，臺(tái)站周圍基巖裸露，均為花崗巖類，且10 km 范圍內(nèi)無大斷裂通過，地殼穩(wěn)定性較好。五指山臺(tái)VP 型寬頻帶傾斜儀（下文簡(jiǎn)稱傾斜儀）安放在洞室內(nèi)，年平均氣溫22.4 ℃，相對(duì)濕度84%。該儀器觀測(cè)墩根據(jù)儀器的安裝要求設(shè)計(jì)建造，折合擺長(zhǎng)10 cm，分辨率0.000 1″，日漂移0.005″，采樣率1 次/s。儀器觀測(cè)環(huán)境良好，自安裝至今，觀測(cè)數(shù)據(jù)已逐步趨于穩(wěn)定，資料連續(xù)可靠。正常情況下儀器記錄的固體潮曲線能夠清晰反映出固體潮汐的變化規(guī)律，日變周期明顯，曲線基本呈兩峰兩谷變化形態(tài)，觀測(cè)以來原始數(shù)據(jù)曲線如圖1 所示。限于篇幅，且五指山臺(tái)傾斜儀EW分量更穩(wěn)定，數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量更好，故文中選取2016—2020 年?yáng)|西分量統(tǒng)計(jì)分析震中距5 000 km 以內(nèi)的地震記錄特征。

圖1 五指山臺(tái)傾斜儀原始觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.1 The original observation data curve of tiltmeter at Wuzhishan Station

2 研究資料選取

選取震中距≤5 000 km 且MS≥2.0 的地震為研究對(duì)象。地震參數(shù)以中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)統(tǒng)一地震目錄為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)參考美國(guó)地震信息中心地震目錄（https://earthquake.usgs.gov/）。選取2016—2020 年對(duì)五指山臺(tái)傾斜儀研究時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，討論該臺(tái)同震響應(yīng)能力。

3 記錄地震特征分析

限于篇幅，僅對(duì)五指山臺(tái)周邊5 000 km 范圍內(nèi)的地震進(jìn)行分析，按震中距由小到大的順序，分析該臺(tái)傾斜儀記錄地震特征。

3.1 R ≤300 km 地震記錄特征

選取以五指山臺(tái)為圓心，半徑R≤300 km 圓內(nèi)的地震，分析其記錄特征。2016—2020 年，該區(qū)域發(fā)生MS2.0—2.9 地震11 次，MS3.0—3.9 地震3 次，MS4.0—4.9 地震1 次，未發(fā)生MS5.0 以上地震。五指山臺(tái)傾斜儀共記錄到其中4 次地震（表1），其同震響應(yīng)在觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線上呈脈沖形態(tài)，結(jié)果見圖2、圖3。由圖2 清晰可見，2018 年7 月30 日海南保亭縣MS2.9 地震產(chǎn)生的同震形變，震前固體潮清晰，曲線光滑平穩(wěn)，無突跳及臺(tái)階，震后短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。2020 年8 月30 日文昌MS2.9 地震同震響應(yīng)特征與保亭縣MS2.9 地震類似。圖3 中2019 年8 月20 日三亞市天涯區(qū)MS3.2 和MS4.2 地震同震形變清晰，可見MS3.2 地震同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間4 min，最大響應(yīng)幅度為76.83×10-3″，MS4.2 地震的最大響應(yīng)幅度出現(xiàn)在19:17，最大響應(yīng)幅度為108.45×10-3″，該地震震級(jí)大，同震持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，約6 min?？芍鹬芯嘞嗤?，對(duì)比五指山臺(tái)傾斜儀記錄MS3.2 和MS4.2 地震同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)同震響應(yīng)時(shí)間隨著震級(jí)的增大而延長(zhǎng)。

圖2 2018 年7 月30 日五指山臺(tái)傾斜儀記錄到保亭縣MS 2.9 地震Fig.2 The Baoting MS 2.9 earthquake recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station on July 30,2018

圖3 2019 年8 月20 日五指山臺(tái)傾斜儀記錄到三亞市天涯區(qū)MS 3.2 和MS 4.2 地震Fig.3 The Tianya MS 3.2 and MS 4.2 earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station on August 20,2019

表1 五指山臺(tái)傾斜儀記錄的R ≤300 km 地震信息Table 1 The information of earthquakes within 300km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

3.2 300 km ＜R ≤500 km 地震記錄特征

以五指山臺(tái)為圓心，分析半徑300 km ＜R≤500 km 范圍內(nèi)地震記錄特征。2016—2020 年該區(qū)域共發(fā)生MS3.0—3.9 地震14 次，MS4.0—4.9 地震1 次，MS5.0 及以上地震1 次，最大地震為2019 年廣西北流MS5.2 地震。而五指山臺(tái)傾斜儀未記錄到研究區(qū)研究時(shí)段內(nèi)MS3.9 以下地震，據(jù)此認(rèn)為，該臺(tái)傾斜儀對(duì)于震中距300 km 以上MS3.9 以下地震幾乎無記錄能力。2019 年10 月12 日先后發(fā)生的廣西玉林市北流市MS4.2 和MS5.2 地震，發(fā)震時(shí)間僅相差1 s，同震響應(yīng)明顯，但無法分辨是否記錄到MS4.2 地震（表2，圖4）。由圖4 可見，同震響應(yīng)呈脈沖形態(tài)，持續(xù)時(shí)間7 min，響應(yīng)延遲時(shí)間1 min，最大振幅為141.2×10-3″，曲線振蕩幅度大于2019 年8 月20 日三亞市天涯區(qū)MS4.2 地震幅度。

圖4 2019 年10 月12 日五指山臺(tái)傾斜儀記錄到廣西玉林市北流市MS 5.2 地震Fig.4 The Beiliu MS 5.2 earthquake recorded by tiltmeter atWuzhishan Station on October 12,2019

表2 五指山形變臺(tái)傾斜儀記錄的300 km ＜R ≤500 km 范圍內(nèi)震例信息Table 2 The information of earthquake within 300 to 500 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

3.3 500 km ＜R ≤1 000 km 地震記錄特征

以五指山臺(tái)為圓心，分析半徑500 km ＜R≤1 000 km 范圍內(nèi)地震記錄特征。2016—2020 年該區(qū)域發(fā)生MS4.0—4.9 地震8 次，MS5.0—5.9 地震10 次。上述地震中，五指山臺(tái)傾斜儀記錄到2 次MS4.0—4.9 地震，3 次MS5.0—5.9 地震，未記錄到7 次MS5.0—5.9地震，而1 次MS4.0—4.9 地震因與其他地震時(shí)間重疊，無法確認(rèn)。在5 個(gè)地震中，1 個(gè)地震的同震響應(yīng)類型為階躍型，2 個(gè)為脈沖型，2 個(gè)為先脈沖后震蕩型（表3）。

表3 五指山臺(tái)傾斜儀觀測(cè)記錄到的500 km ＜R ≤1000 km 范圍內(nèi)震例信息Table 3 The information of earthquakes within 500 to 1000 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

2019 年11 月21 日老撾先后發(fā)生5.8 級(jí)地震和6.0 級(jí)地震，5.8 級(jí)地震發(fā)生前傾斜儀觀測(cè)曲線光滑，固體潮清晰（圖5）。2 個(gè)地震同震響應(yīng)形態(tài)一致，曲線變化特征為高頻振蕩，同震響應(yīng)集中在面波頻段，以高頻遠(yuǎn)場(chǎng)面波為主（楊婕等，2010），變化幅度分別為50.76×10-3″和67.22×10-3″，形變波表現(xiàn)為疊加在階躍變化上的面波和尾波成分。

圖5 2019 年11 月21 日五指山臺(tái)傾斜儀記錄到老撾MS 5.8 和MS 6.0 地震Fig.5 The Laos MS 5.8 and MS 6.0 earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station on November 21,2019

3.4 1 000 km ＜R ≤2 000 km 地震記錄特征

以五指山臺(tái)為圓心，分析半徑1 000 km ＜R≤2 000 km 范圍內(nèi)地震記錄特征。剔除因儀器故障導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)缺數(shù)期間的地震，在2016—2020年五指山臺(tái)傾斜儀正常運(yùn)行期間，該區(qū)域發(fā)生MS5.0—5.4 地震102 次，MS5.5—5.9 地震47 次和MS6.0—6.9 地震28 次。該臺(tái)傾斜儀記錄到MS5.0—5.4地震33次、MS5.5—5.9地震25次以及全部MS6.0以上地震。

選取2019 年7 月27 日巴坦群島海域3 個(gè)地震（圖6）和中國(guó)臺(tái)灣宜蘭縣海域雙震（圖7）為例進(jìn)行記錄地震特征分析。巴坦群島海域3 個(gè)地震震中距分別是1 301 km、1 319 km 和1 310 km，由表4中可知，5.9級(jí)地震的最大響應(yīng)幅度最大，5.5級(jí)地震次之，5.3級(jí)地震最小，3 個(gè)地震的同震響應(yīng)時(shí)間隨著震級(jí)的增加而增長(zhǎng)。2016 年5 月12 日中國(guó)臺(tái)灣宜蘭縣海域雙震的響應(yīng)幅度與響應(yīng)持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)出相同規(guī)律。震中距相同，宜蘭6.2 級(jí)地震的同震響應(yīng)類型為脈沖震蕩型，與宜蘭5.8 級(jí)地震的同震響應(yīng)類型（震蕩型）不同，說明對(duì)于震中距相近的地震，傾斜儀的地震響應(yīng)幅度、響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)呈正相關(guān)（周雯等，2020）。

表4 五指山臺(tái)傾斜儀記錄的1 000 km ＜R ≤2 000 km 地震信息Table 4 The information of earthquakes within 1000 to 2000 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

圖6 2019 年7 月27 日五指山臺(tái)傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.6 The observation data curve of tiltmeter at Wuzhishan Station on July 27,2019

圖7 2016 年5 月12 日五指山臺(tái)傾斜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.7 The observation data curve of tiltmeter at Wuzhishan Station on May 12,2016

3.5 2 000 km ＜R ≤5 000 km 地震記錄特征

以五指山臺(tái)為圓心，分析半徑2 000 km ＜R≤5 000 km 范圍內(nèi)地震記錄特征。剔除因儀器故障導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)缺數(shù)期間的地震，在2016—2020 年傾斜儀正常運(yùn)行期間，該區(qū)域發(fā)生MS5.5—5.9 地震255 次，MS6.0—6.9 地震130 次。五指山臺(tái)傾斜儀記錄到MS6.0—6.9 地震130 次，而對(duì)于MS5.5—5.9 地震，按2 000 km ＜R≤3 000 km、3 000 km ＜R≤4 000 km、4 000 km ＜R≤5 000 km 分別統(tǒng)計(jì)其記錄地震數(shù)量，結(jié)果見表5。由表5 可知，五指山臺(tái)傾斜儀記錄MS5.5—5.9 地震比例隨著震中距的增大而逐漸減小。

表5 五指山臺(tái)傾斜儀記錄MS 5.5—5.9 地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of MS 5.5-5.9 earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

由表6 可見，地震響應(yīng)延遲時(shí)間隨著震中距的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但非嚴(yán)格的線性增加，應(yīng)與地震波傳播介質(zhì)有關(guān)。如2018年8月17日日本火山列島地區(qū)（震中距3 530 km）6.5級(jí)地震響應(yīng)延遲時(shí)間大于2016年1月14日日本北海道附近海域（震中距4 066 km）6.7級(jí)地震，這是因?yàn)榈卣鸩ㄔ诓煌橘|(zhì)中的傳播速度不同，導(dǎo)致響應(yīng)延遲時(shí)間存在差異。

表6 五指山臺(tái)傾斜儀記錄的2 000 km ＜R ≤5 000 km 部分地震信息Table 6 The information of partial earthquakes within 2000 to 5000 km recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

由表6 還可見，2017 年1 月10 日蘇拉威西海6.9 級(jí)地震的響應(yīng)幅度變化與其他地震不同。一般而言，震中距接近，傾斜儀響應(yīng)幅度與震級(jí)成正相關(guān)。蘇拉威西海6.9 級(jí)地震（震中距2 140 km）引發(fā)的最大響應(yīng)幅度（45.62×10-3″），遠(yuǎn)小于2019 年12 月15 日菲律賓棉蘭老島6.8 級(jí)地震（震中距2 184 km）引發(fā)的最大振幅（216.99×10-3″），這是由于2 個(gè)地震震源深度差距大導(dǎo)致記錄的最大響應(yīng)幅度存在差異。其中蘇拉威西海6.9 級(jí)地震震源深度為620 km，菲律賓棉蘭老島6.8 級(jí)地震震源深度為30 km。而對(duì)于震中距接近、震級(jí)相同的地震，震源深度為12 km 的日本火山列島地區(qū)6.5 級(jí)地震引發(fā)的最大振幅也大于震源深度為160 km 的班達(dá)海6.5 級(jí)地震，說明寬頻帶傾斜儀記錄的同震響應(yīng)與震源深度具有相關(guān)性，震源及衰減特性決定響應(yīng)幅度大?。ü鶄サ?，2019）。

此外，同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間隨著震級(jí)增加整體呈增加趨勢(shì)，但響應(yīng)時(shí)間與震級(jí)無明顯的線性關(guān)系（表6）。總體而言，對(duì)于發(fā)生于同一區(qū)域的淺源地震，震級(jí)越大，同震響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)。蘇拉威西海6.9 級(jí)地震和印度尼西亞龍目島6.9 級(jí)地震的同震響應(yīng)時(shí)間分別約為93 min 和75 min，印度尼西亞蘇門答臘島海域7.8 級(jí)地震的同震響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)（139 min），說明震級(jí)與同震響應(yīng)關(guān)聯(lián)度較大，震級(jí)大的地震釋放能量大，破裂時(shí)間長(zhǎng)，同震響應(yīng)時(shí)間則更長(zhǎng)，強(qiáng)震引起的震蕩時(shí)間比中等地震時(shí)間長(zhǎng)。

4 記錄地震能力及特征討論

根據(jù)以上分析，以震中距的對(duì)數(shù)（底數(shù)為10）為橫坐標(biāo)，震級(jí)為縱坐標(biāo)，根據(jù)2016—2020 年五指山臺(tái)傾斜儀記錄的地震，繪制震級(jí)與震中距分布圖（圖8）。由圖8 可見，以擬合直線為界，記錄的地震大部分處于紅色直線上部區(qū)域。該擬合直線可用公式MS=0.925lgR+1.714 表示。根據(jù)該關(guān)系式，可推導(dǎo)出五指山臺(tái)傾斜儀記錄的最小地震為MS1.714（設(shè)震中距為0），可記錄MS5.0 和MS5.5 地震的最大震中距分別為3 548 km 和12 302 km。地球大圓周長(zhǎng)約40 076 km，理論上五指山臺(tái)傾斜儀可記錄MS5.7 及以上地震。以上所得均為理論計(jì)算值，與實(shí)際情況或有差異，這主要是由于該臺(tái)傾斜儀記錄地震能力還受震源深度、地震波傳播路徑的介質(zhì)、地震發(fā)生區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造等因素影響。同時(shí)，震中距1 000 km 內(nèi)的地震記錄有限，擬合關(guān)系式在0—1 000 km 區(qū)間可能存在較大誤差，有待未來積累資料后進(jìn)一步改進(jìn)。

圖8 五指山臺(tái)傾斜儀記錄地震的震中距對(duì)數(shù)與震級(jí)分布Fig.8 Distribution of logarithm of epicentral distance and magnitude of earthquakes recorded by tiltmeter at Wuzhishan Station

綜上可知，傾斜儀記錄的地震同震響應(yīng)形態(tài)主要有脈沖型、脈沖震蕩型和震蕩型。對(duì)于震中距500 km 以內(nèi)的地震，同震響應(yīng)形態(tài)均為脈沖型；對(duì)于震中距500—1 000 km的地震，同震響應(yīng)形態(tài)主要為脈沖震蕩型，即先脈沖后震蕩型；對(duì)于震中距大于1 000 km的地震，同震響應(yīng)形態(tài)主要為震蕩型。以上特征應(yīng)與震中距、震級(jí)密切相關(guān)。在本研究中，500 km 以內(nèi)的地震，震級(jí)較小，距離較近，P、S 波到時(shí)差較小，傾斜儀記錄的同震響應(yīng)曲線難以記錄到P 波特征，主要反映S 波同震形態(tài)，加之S 波持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，因此同震響應(yīng)波形以脈沖特征為主。對(duì)于震中距500—1 000 km 范圍內(nèi)的地震，P、S波到時(shí)差有所增大，傾斜儀記錄的同震響應(yīng)曲線先以短時(shí)間P 波為主，隨后S 波抵達(dá)，振幅突然加大，出現(xiàn)脈沖，峰值過后以震蕩形態(tài)出現(xiàn)，直至消失。對(duì)于震中距大于1 000 km 的地震，傾斜儀同震響應(yīng)曲線與地震計(jì)波形具有較大相似性，符合遠(yuǎn)震波形特征。

5 結(jié)論

根據(jù)以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）五指山臺(tái)傾斜儀對(duì)海南及周邊中強(qiáng)以上地震同震響應(yīng)明顯，記錄地震能力隨著震中距的增大而減弱。具體而言，對(duì)于臺(tái)站周邊5 000 km 以內(nèi)的6 級(jí)以上地震，五指山臺(tái)傾斜儀均可記錄，對(duì)于震中距大于300 km 的MS3.9 以下地震，五指山臺(tái)傾斜儀幾乎無記錄能力。根據(jù)五指山臺(tái)傾斜儀記錄地震震級(jí)與震中距的擬合關(guān)系，認(rèn)為該儀器可記錄MS≥5.7 地震。

（2）傾斜儀記錄的地震同震響應(yīng)形態(tài)主要有脈沖型、脈沖震蕩型和震蕩型，僅出現(xiàn)一例階躍型，且同震響應(yīng)類型與震中距密切相關(guān)。對(duì)于震中距500 km 以內(nèi)的地震，同震響應(yīng)形態(tài)均為脈沖型；對(duì)于震中距500—1 000 km 的地震，同震響應(yīng)形態(tài)主要表現(xiàn)為脈沖震蕩型；對(duì)于震中距大于1 000 km 的地震，同震響應(yīng)形態(tài)主要為震蕩型。

（3）由2016 年5 月12 日中國(guó)臺(tái)灣宜蘭海域6.2、5.8 級(jí)，2019 年7 月27 日巴坦群島海域5.3、5.9 和5.5 級(jí)，2019 年11 月21 日老撾5.8、6.0 級(jí)等地震的一系列同震響應(yīng)特征的分析結(jié)果可知，發(fā)生于同一區(qū)域的淺源地震，震中距相近，傾斜儀記錄的地震響應(yīng)幅度、響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與震級(jí)呈正相關(guān)性。

本研究中選取的地震樣本數(shù)量有限，地震分布不均勻，結(jié)論或不完善，今后將積累震例，進(jìn)一步完善分析。