烏加河地震臺(tái)PET重力儀同震響應(yīng)特征研究

胡 瑋

（烏加河地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015323）

烏加河地震臺(tái)PET重力儀同震響應(yīng)特征研究

胡 瑋

（烏加河地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015323）

基于烏加河地震臺(tái)重力儀觀測(cè)條件，從面波延遲時(shí)間、面波傳播速率、最大變形幅度、同震持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)形態(tài)和初動(dòng)方向6個(gè)方面研究了烏加河地震臺(tái)PET重力儀對(duì)國(guó)內(nèi)外6次地震的同震響應(yīng)特征。研究結(jié)果顯示：同震響應(yīng)的面波延遲時(shí)間與地震震中距離具有較好的正相關(guān)性；同震響應(yīng)的波幅與地震震級(jí)大小及震中距有關(guān)；同震波的持續(xù)時(shí)間與震級(jí)有關(guān)；遠(yuǎn)距離地震的同震波一般表現(xiàn)為脈沖形式；初動(dòng)方向沒(méi)有規(guī)律。此研究有助于對(duì)PET重力儀的深入了解，同時(shí)也為地震相關(guān)參數(shù)的提取提供了參考依據(jù)。

重力儀；面波；波幅；同震響應(yīng)；烏加河地震臺(tái)

0 引言

受地震波激發(fā)，借助數(shù)字化形變前兆臺(tái)網(wǎng)可觀測(cè)到地震時(shí)傾斜、應(yīng)變和重力的波動(dòng)現(xiàn)象，稱為同震形變波或震時(shí)形變波，以區(qū)分于地震波[1]。地震引起的同震形變波往往持續(xù)幾個(gè)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)，從波形中可以得到包括地震破裂及傳播過(guò)程在內(nèi)的大量信息，這對(duì)于地震研究工作者認(rèn)識(shí)地震短臨前兆的動(dòng)力特性和估算震源的相關(guān)參數(shù)有一定幫助。有研究顯示，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(shí)別等優(yōu)勢(shì)，是揭示地殼介質(zhì)對(duì)應(yīng)力—應(yīng)變過(guò)程響應(yīng)最直接和最有效的手段之一[2-3]。

烏加河地震臺(tái)使用的PET重力儀是用于測(cè)量地球各點(diǎn)重力時(shí)間變化的高精度儀器。該重力儀可以檢測(cè)周期從秒到若干年的地球物理、地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)所導(dǎo)致的微小的重力場(chǎng)變化。它通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接方式實(shí)行統(tǒng)一監(jiān)控，將測(cè)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳播到監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)傳輸匯集與處理[4]。楊婕等[5]曾指出，PET重力儀相比于其他儀器（如：水管儀、垂直擺、伸縮儀）同震持續(xù)時(shí)間明顯更長(zhǎng)，同震響應(yīng)波幅也要更大；張凱等[6]也認(rèn)為PET重力儀有較好的映震能力，對(duì)強(qiáng)遠(yuǎn)震能夠較好的記錄到產(chǎn)生的顯著同震應(yīng)變階躍，信息量更豐富。本文擬通過(guò)對(duì)烏加河地震臺(tái)PET重力儀對(duì)國(guó)內(nèi)外6次強(qiáng)震的同震響應(yīng)的變化特征分析，來(lái)獲得本臺(tái)重力儀對(duì)遠(yuǎn)震的同震變化的相關(guān)特征。

1 烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)條件概況

烏加河地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱烏加河臺(tái)）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特中旗烏加河鎮(zhèn)北，距離巴彥淖爾市區(qū)100km。臺(tái)站海拔1052 m，臺(tái)基位于花崗巖體上。構(gòu)造方面本臺(tái)地處狼山前東西向大斷裂帶和河套斷陷盆地北緣，陰山緯向構(gòu)造帶的中西段與狼山弧型構(gòu)造帶的復(fù)合部位, 臨河坳陷的北端與陰山東西向構(gòu)造帶的接壤地段[7]。從深部地殼結(jié)構(gòu)上看，本區(qū)處于重力異常梯級(jí)帶，并有莫氏“上隆”現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有包括色爾騰山山前斷裂在內(nèi)的多個(gè)斷裂帶（圖1）。色爾騰山是由前震旦紀(jì)古老變質(zhì)巖系組成的復(fù)式褶皺帶，并有多期條狀火成巖體侵入。重力儀觀測(cè)山洞洞體為花崗巖，同時(shí)洞內(nèi)觀測(cè)測(cè)項(xiàng)還有水管傾斜、伸縮和水平擺傾斜等（圖2）。

圖1 烏加河地震臺(tái)所處區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 The regional geological structure map of Wujiahe Seismic Station

色爾騰山山前斷裂帶及狼山山前斷裂帶區(qū)域自有地震記錄以來(lái)地震發(fā)生頻率較高，從1970年至2015年12月這一地區(qū)先后發(fā)生ML≥4.5地震58次，其中包括4次6級(jí)以上地震。距離烏加河地震臺(tái)10km的五原縣，曾在1934年和1979年發(fā)生過(guò)兩次6級(jí)以上地震。烏加河地震臺(tái)于2007年7月17日安裝了PET重力儀，近幾年該儀器運(yùn)行率分別為：2014年99.98%，2015年98.13%，2016年1—7月99.99%，主要停記原因是儀器停擺。

圖2 烏加河地震臺(tái)洞體內(nèi)部觀測(cè)儀器位置示意圖Fig.2 The location sketch map of observation instrument inside hole at Wujiahe Seismic Station

2 同震響應(yīng)特征分析

本文根據(jù)發(fā)震時(shí)的震蕩曲線，通過(guò)選取近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)生的6次6.0級(jí)以上地震，研究烏加河臺(tái)重力儀對(duì)于不同震中距和震級(jí)的地震的同震響應(yīng)特征。6次地震的基本參數(shù)具體如表1所示。

2.1 國(guó)外遠(yuǎn)震

北京時(shí)間2015年9月17日6時(shí)54分，智利中部海岸發(fā)生8.2級(jí)地震，震中距離烏加河地震臺(tái)18957 km。主震發(fā)生20分鐘后，烏加河臺(tái)重力儀出現(xiàn)初動(dòng)，方向?yàn)樨?fù)（初動(dòng)方向，“正”表示曲線向上跳動(dòng)，數(shù)值增加；“負(fù)”表示曲線向下跳動(dòng)，數(shù)值下降），幅度為11.8×10-8ms-2，隨后重力儀曲線呈現(xiàn)上下震蕩變化形態(tài)，幅度為±286.1×10-8ms-2。到8時(shí)34分，主震發(fā)生100分鐘后，重力儀觀測(cè)曲線開始出現(xiàn)巨幅震蕩，并于8分鐘后達(dá)到最大值5602.8×10-8ms-2，后又大幅下降至4550.5×10-8ms-2，震蕩最大幅度達(dá)1052.3×10-8ms-2，之后，震蕩幅度逐漸減小，幅度較大的同震響應(yīng)持續(xù)了約2.5小時(shí)（圖 3）。

表1 6次地震的基本參數(shù)

此外，17日當(dāng)天于10時(shí)49分、13時(shí)38分和16時(shí)52分重力儀再次記錄到同一地區(qū)的幾次震級(jí)較小的余震，其在重力儀記錄的曲線上的變化是地震波動(dòng)疊加在8.2級(jí)主震的曲線上，并快速衰減，重力觀測(cè)值如圖3所示。

圖3 2015年9月17日烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線Fig.3 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Sep. 17, 2015

2016年7月30日5時(shí)18分 馬 利 亞 納群島地區(qū)發(fā)生7.8級(jí)地震, 震中距離烏加河臺(tái)6374 km。主震發(fā)生7分鐘后，烏加河臺(tái)重力儀出現(xiàn)初動(dòng)，初動(dòng)方向?yàn)檎昼娭底兓葹?20.1×10-8ms-2，波形呈震蕩形式變化。5時(shí)36分后，震蕩幅度明顯增大，快速上升到188.5×10-8ms-2，最高值達(dá)6175.7×10-8ms-2，后大幅下降227.0×10-8ms-2，最低值降至5760.2×10-8ms-2。連續(xù)大幅震蕩13分鐘后，5時(shí)49分開始，震蕩開始變緩，幅度在±100×10-8ms-2內(nèi)，于8時(shí)02分，震蕩幅度下降至±10×10-8ms-2內(nèi)。直至12時(shí)，曲線才趨于平滑，重力觀測(cè)曲線如圖4所示。

2015年12月7日15時(shí)50分塔吉克斯坦發(fā)生7.7級(jí)地震，震中距離烏加河臺(tái)3053km。15時(shí)56分，主震發(fā)生6分鐘后，烏加河臺(tái)重力儀開始出現(xiàn)初動(dòng)，重力值變化曲線出現(xiàn)上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度達(dá)587.2×10-8ms-2。16時(shí)02分，震蕩幅度突然急劇增大，分鐘值變化幅度超過(guò)±500×10-8ms-2，16時(shí)08分 主震發(fā)生18分鐘后，重力值下降1133×10-8ms-2，達(dá)到最低峰值4050.9×10-8ms-2，震蕩幅度開始漸漸減小。到19時(shí)30分，分鐘值變化趨于正常狀態(tài)，觀測(cè)曲線也基本恢復(fù)平滑。重力觀測(cè)曲線如圖5所示。

圖4 2016年7月30日烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線Fig.4 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Jul. 30, 2016

圖5 2015年12月7日烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線Fig.5 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Dec. 7, 2015

2015年2月20日12時(shí)25分，日本本州東海岸遠(yuǎn)海發(fā)生6.7級(jí)地震，臺(tái)站距震中2997km。重力觀測(cè)曲線如圖6所示。12時(shí)30分，主震發(fā)生5分鐘后，烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線首先向上波動(dòng)4.1×10-8ms-2，后突然下降8.1×10-8ms-2，隨之上下波動(dòng)，分鐘值變化幅度約為±13×10-8ms-2。12時(shí)40分開始，分鐘值變幅超過(guò)20×10-8ms-2，震蕩幅度明顯增大，12時(shí)45分，距離主震發(fā)生20分鐘后，達(dá)到最高值4777.4×10-8ms-2,上升幅度達(dá)52.1×10-8ms-2,緊接著下降78.5×10-8ms-2，于12點(diǎn)44分達(dá)到最小值4698.9×10-8ms-2，之后波動(dòng)漸漸減小，觀測(cè)值變化為±17×10-8ms-2，這種波動(dòng)持續(xù)約136分鐘，直到15時(shí)，分鐘值變化恢復(fù)正常狀態(tài)。

在2014年11月22日，本臺(tái)檢測(cè)到同樣發(fā)生在日本本州東海岸遠(yuǎn)海的一次地震，震級(jí)為6.4級(jí)，觀測(cè)曲線如圖7，烏加河臺(tái)重力儀對(duì)這2次地震的同震響應(yīng)的延遲時(shí)間相同，都是5分鐘。但是，由于數(shù)字化采集設(shè)備按通道對(duì)不同觀測(cè)分量的信號(hào)進(jìn)行采集,采集時(shí)間存在異步，而且數(shù)字化觀測(cè)的采樣時(shí)間間隔為1分鐘, 受到采樣頻率的限制，觀測(cè)曲線的初動(dòng)時(shí)間存在或多或少的誤差,所以盡管同一地點(diǎn)發(fā)生的多次地震,重力儀同震響應(yīng)延遲時(shí)間相同，但并不能認(rèn)為延遲時(shí)間相同的地震，震源地點(diǎn)就相同。

2.2 國(guó)內(nèi)強(qiáng)震

2.2.1 2016年2月6日臺(tái)灣高雄6.7級(jí)地震

2016年2月6日3 時(shí)57分臺(tái)灣高雄發(fā)生6.7級(jí)地震，臺(tái)站距震中2328km。烏加河臺(tái)重力儀4時(shí)01分出現(xiàn)初動(dòng)，響應(yīng)延遲為4分鐘，初動(dòng)方向?yàn)樨?fù)。同震響應(yīng)形態(tài)為脈沖式。4時(shí)12分至4時(shí)14分，數(shù)據(jù)變化幅度突然急劇增大，為向上116.5×10-8ms-2，向下176.9×10-8

ms-2，隨后又向上42.6×10-8ms-2，最高值達(dá)到5514.3×10-8ms-2，最低值為5337.4×10-8ms-2。從圖8中可以看出,之后觀測(cè)曲線波動(dòng)幅度明顯減小，持續(xù)近105分鐘，于6時(shí)，曲線變?yōu)楣饣?/p>

2.2.2 2014年11月22日四川康定6.4級(jí)地震

2014年11月22日16時(shí)55分四川康定發(fā)生6.4級(jí)地震,臺(tái)站距震中1375km。16時(shí)57分，主震發(fā)生2分鐘后，烏加河臺(tái)重力儀出現(xiàn)分鐘值變化幅度為8.8×10-8ms-2的初動(dòng)，方向?yàn)橄蛳拢?7時(shí)02分，重力儀觀測(cè)值大幅上升49×10-8ms-2，后又大幅下降111.2×10-8ms-2，變化幅度明顯增大，3分鐘后達(dá)到最小 值4036.9×10-8ms-2。17點(diǎn)13分 又 上 升 至4131.3×10-8ms-2， 與 震 前 的4131.2×10-8ms-2基本持平（圖7）。之后，震蕩逐漸變小，直到19時(shí)，重力曲線恢復(fù)光滑。

圖6 2015年2月20日烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線Fig.6 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Feb. 20, 2015

圖7 2014年11月22日烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線Fig.7 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Nov. 22, 2014

圖8 2016年2月6日烏加河臺(tái)重力儀觀測(cè)曲線Fig.8 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Feb. 6, 2016

3 討論與分析

關(guān)于文中分析的6次地震的同震響應(yīng)參數(shù)如表2所示。

觀察圖3中智利中部海岸8.2級(jí)地震主震及幾次余震的形態(tài)變化可以清楚的看出，同一地區(qū)發(fā)生的地震，震級(jí)越大，曲線震蕩幅度也越大，說(shuō)明觀測(cè)曲線震蕩幅度與震級(jí)成正比關(guān)系；對(duì)比塔吉克斯坦7.7級(jí)地震，震中距離烏加河地震臺(tái)分別為18957 km和3053km,而后者的最大變形幅度（1801.2×10-8ms-2）比前者（1052.3×10-8ms-2）要大的多。這是因?yàn)榍罢哒鸺?jí)雖大，但是震中距比后者要遠(yuǎn)的多，地震波的能量在遠(yuǎn)距離傳播過(guò)程中有衰減,說(shuō)明震蕩波幅不僅與震級(jí)大小有關(guān)，還與震中距離有關(guān)，距離越遠(yuǎn)，地震波能量衰減程度越大。

對(duì)比表2中6次地震距離烏加河臺(tái)的震中距與重力儀出現(xiàn)同震響應(yīng)的延遲時(shí)間可以明顯看出，面波的延遲時(shí)間隨著震中距的減小而變短。比如：智利中部海岸發(fā)生地震的地點(diǎn)距離烏加河地震臺(tái)18957km，地震發(fā)生20min后本臺(tái)重力儀才出現(xiàn)初動(dòng)，而國(guó)內(nèi)距離近得多的四川康定，震中距僅為1375km，面波延遲時(shí)間僅為2min。所以，地震臺(tái)重力儀初動(dòng)時(shí)間相對(duì)于發(fā)震時(shí)間的延遲與震中距具有一定的正相關(guān)性。

根據(jù)面波延遲時(shí)間與震中距計(jì)算出地震波的傳播速率，可以看到，數(shù)值相差很大。這是由于數(shù)字化觀測(cè)的采樣時(shí)間間隔為1 min，限于采樣率會(huì)出現(xiàn)誤差；同時(shí)，特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)削弱地震波的傳播能量，也是影響面波傳播速率的重要原因之一[8-9]。

此外，從表2中還可以看出，重力儀的初動(dòng)方向有正有負(fù)，沒(méi)有規(guī)律。薛生瑞等人[10]曾指出：不光是重力儀，其他類型的觀測(cè)儀器（如水管儀與垂直擺），對(duì)同一地震同震響應(yīng)的初動(dòng)方向也出現(xiàn)不一致現(xiàn)象[10]。考慮其原因可能是，數(shù)字采樣是多通道依次進(jìn)行，各分量的采樣時(shí)間難免存在異步現(xiàn)象，而且受采樣頻率的制約，同震響應(yīng)的全部信息在這種數(shù)字化觀測(cè)中不能完全反映，會(huì)有所丟失，從觀測(cè)曲線中提取的初動(dòng)信息極有可能存在誤差。這也是廣大的地震研究工作者在以后的工作中需要進(jìn)一步探究的問(wèn)題。

表2 烏加河地震臺(tái)PET重力儀記錄的6次地震的同震響應(yīng)參數(shù)

4 結(jié)論

根據(jù)以上6次地震的同震響應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到以下6點(diǎn)結(jié)論：

（1）面波延遲時(shí)間盡管會(huì)受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，但總體來(lái)說(shuō)，面波延遲時(shí)間與地震發(fā)生地點(diǎn)到地震臺(tái)的距離呈正相關(guān)，距離越遠(yuǎn)，面波延遲時(shí)間越長(zhǎng)。

（2）面波延遲時(shí)間只能用于分析面波延遲時(shí)間與震中距的相關(guān)性，不能用于精確計(jì)算地震波的傳播速度。

（3）震中距離相同的地震，震蕩波幅與震級(jí)呈正相關(guān)。但是對(duì)于震中距離不同的地震，尤其是巨大遠(yuǎn)震，由于地震波能量在長(zhǎng)距離的傳播中會(huì)有更多的衰減，同震波波動(dòng)幅度反而有可能小于震級(jí)小的近震。所以，同震波的波幅并不只與地震震級(jí)有關(guān)，還與震中距有關(guān)。

（4）綜合表1、表2數(shù)據(jù)，同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與地震震級(jí)強(qiáng)度有關(guān),震級(jí)越大，響應(yīng)持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，地震強(qiáng)度越小，相應(yīng)的響應(yīng)持續(xù)時(shí)間也就越短。巨大遠(yuǎn)震，觀測(cè)曲線往往是震蕩數(shù)小時(shí)后恢復(fù)光滑，如果在此期間出現(xiàn)余震，則余震的脈沖震蕩會(huì)與原主震波形上疊加。

（5）本文所研究的所有地震,烏加河地震臺(tái)重力儀測(cè)量的同震響應(yīng)波形態(tài)都是脈沖形式，沒(méi)有出現(xiàn)階躍信號(hào)。由遠(yuǎn)場(chǎng)地震波經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳播形成面波，當(dāng)面波的頻率與形變觀測(cè)儀器自振頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，在觀測(cè)曲線上的表現(xiàn)就是脈沖信號(hào)。

（6）重力觀測(cè)是沒(méi)有方向性的，表現(xiàn)在重力曲線上，初動(dòng)方向有正有負(fù)，沒(méi)有規(guī)律。

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Abstract:Based on the gravimeter observation conditions of Wujiahe Seismic Station, the coseismic response Characteristics of PET gravimeter at Wujiahe Seismic Station is studied from 6 aspects of surface wave delay time, surface wave velocity, maximum deformation amplitude, coseismic duration,the response form and first motion direction. The results indicate that: there is a significant positive correlation between the surface wavedelay time of the coseismic response and epicentral distance; the amplitude of coseismic response is not only related to magnitude of earthquake but also to the epicentral distance of the earthquake; associated with shock wave duration and magnitude; the coseismic wave of distant earthquake are mostly pulse form; the first motion direction has no distribution law. This helps to deepen the understanding of the PET gravimeter, also for the extraction of seismic parameters provides a reference basis.

Key words:gravimeter; surface wave; amplitude; coseimic response; Wujiahe Seismic Station

Coseismic Response Characteristics of PET Gravimeter at Wujiahe Seismic Station

HU Wei
（Wujiahe Seismic Station, Inner Mongolia Bayannur 015323, China）

P315.726

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.009

1674-8565（2017）03-0049-06

2016-12-05

2017-04-16

胡瑋（1986-），男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震前兆觀測(cè)方面的工作。E-mail：329710529@qq.com