江蘇常熟臺VS與VP型傾斜儀觀測數(shù)據(jù)對比分析

劉冬冬，陸德明，狄 樑，錢文杰，丁建國

（江蘇省地震局常熟地震臺，江蘇 常熟215500）

地震的孕育及發(fā)生伴隨著地殼的形變。在地震預(yù)報中，只研究地震前的變化還不夠，還必須了解地震本身，地震同震響應(yīng)是研究地震最直接的資料（牛安福等，2005；付虹等，2007）。近年來許多地震學(xué)者通過大量的研究工作得出形變觀測儀器具有較強的同震響應(yīng)能力（呂品姬等，2010；于慶民等，2015；關(guān)華等，2010）。江蘇常熟臺VS型垂直擺傾斜儀于2007年完成安裝，并數(shù)次成功響應(yīng)如東附近海域M3.0以上地震；VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀于2014年12月完成安裝，屬于“十一五”項目的高精度垂直擺傾斜儀；這兩套傾斜儀器均位于常熟虞山辛峰亭軍用山洞內(nèi)。通過對這兩套擺式傾斜儀器記錄的2015～2016年觀測資料進行分析，檢驗兩套儀器的同震響應(yīng)能力，可以為地震預(yù)測提供準(zhǔn)確的參考資料。

1 臺站觀測條件

常熟臺VS與VP兩種類型垂直擺傾斜儀都安裝于常熟虞山辛峰亭軍用山洞內(nèi)，靠近無錫—崇明斷裂（魯宗良等，2003），洞體巖石巖性為五通組石英砂巖，巖體完整、致密、堅硬（丁建國等，2008）。山洞進深170 m，洞高2.35 m，寬2.50 m，混凝土全被覆，覆蓋厚度20～30 m，常年溫度在17.3℃，日溫差小于0.01℃，年溫差小于0.1℃。VS型垂直擺南北測項方位角均為0°，東西測項方位角均為90°（見圖1a）。

1.1 儀器原理及結(jié)構(gòu)

垂直擺傾斜儀運用擺的鉛垂原理。垂直擺由柔絲、擺桿和重塊三部分組成。垂直擺在沒有振動的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)發(fā)生傾斜變化時，擺平衡位置發(fā)生變化，擺和支架之間的相對位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動片和定片之間的間距也相應(yīng)的發(fā)生變化，這種變化通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并加以放大，就可將擺的微小位移轉(zhuǎn)換成電信號，由于地傾斜的相對變化量很小，擺的相對偏移量也很小，因此必須有一個高精度的測微系統(tǒng)，測量擺的位置的變化（胡國慶，2008）。

VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀機械構(gòu)造基本相同，儀器的機械結(jié)構(gòu)主要由以下六個部分組成：擺系、主體支架、電容位移傳感器探頭、底座、調(diào)平機械和鎖擺機構(gòu)（如圖1b）。VS型垂直擺傾斜儀基礅為1.30×1.00×0.35 m3，外加工花崗巖塊安裝鑲鍥于磨平完整的石英砂巖基底平面上，用水泥砂漿充填粘接，四周有80×80 mm2減振槽。儀器墩面要求平整，墩面高差在3 mm內(nèi)，且在墩面的左上方標(biāo)出正EW，正NS方位線，布設(shè)方位角與正北方向。VP型寬頻帶傾斜儀基礅為1.20×0.60×0.56 m3，鑲鍥于磨平的完整的石英砂巖基底平面上，用水泥砂漿充填粘接，四周有80×80 mm2減振槽。上覆花崗巖塊（1.20×1.00×0.12 m3），連接處用水泥砂漿充填粘接。儀器墩面要求平整，墩面高差在3 mm內(nèi)，且在墩面的左上方標(biāo)出正EW，正NS方位線，儀器布設(shè)方位角為正北方向。

圖1 常熟地震臺儀器布設(shè)及結(jié)構(gòu)

1.2 常熟臺VS型和VP型傾斜儀區(qū)別

VP型寬頻帶傾斜儀是在VS型垂直擺傾斜儀的基礎(chǔ)上改進而成的，頻帶寬度比其它形變儀器的寬度提高20倍以上。VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀具體參數(shù)見表1。從表1中可以看出，VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀技術(shù)指標(biāo)基本相同，VP型寬頻帶傾斜儀的秒采樣率能記錄到VS型垂直擺傾斜儀記錄不到的一些高頻信號，故受到環(huán)境因素的影響也更為明顯些。

表1 VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶傾斜儀具體參數(shù)表

2 同震響應(yīng)能力分析

VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀均是通過傳感器將位移變化轉(zhuǎn)化為電信號，由數(shù)據(jù)采集器實時采集數(shù)據(jù)并儲存，記錄觀測點地表在地震發(fā)生時的傾斜。

2.1 同震響應(yīng)能力分析

在2015～2016年，VS型傾斜儀共記錄到244個地震，其中最大的為2015年4月25日尼泊爾MS8.1級地震，最小的為2015年3月21日黃海MS2.4級地震；VP型傾斜儀共記錄到324個地震，其中最大的為2015年4月25日尼泊爾MS8.1級地震，最小的為2015年12月24日黃海MS3.0級地震。從表2、表3和圖2可以看出VS型與VP型傾斜儀均可以記錄到明顯的地震波形，最大響應(yīng)幅度受震級及震中距的影響，因VP型傾斜儀頻帶較寬，又是秒采樣率，記錄的地震波曲線頻率明顯高于VS型垂直擺傾斜儀；兩者響應(yīng)時間與震中距有關(guān)，震中距越大響應(yīng)時間越長；持續(xù)時間與震級成正比關(guān)系，與震中距成反比關(guān)系，震級越大持續(xù)時間越長。據(jù)統(tǒng)計，對于VP型傾斜儀，在震級小于5.0的地震中，可以記錄到地震的最大震中距為3 218 km；5.0～5.9級地震中，可以記錄到的最大震中距為14 110 km；全球6級以上的地震均可以記錄到。由于VS型傾斜儀受頻帶帶寬限制，在震級小于5.0的地震中，可以記錄到的最大震中距僅為2 037 km；5.0～5.9級地震中，可以記錄到的最大震中距為8 210 km；6.0～6.9級地震中，可以記錄到的最大震中距為17 366 km；全球要7級以上地震才能記錄到。以安徽阜陽4.3級地震和黃海4.0級地震發(fā)生為例，VS型傾斜儀的響應(yīng)幅度明顯大于VP傾斜儀的響應(yīng)幅度，VS型傾斜儀在記錄近震時會引起同震階躍，曲線整體變化比VP型擺傾斜儀明顯的多（見圖3）。

2.2 VS型與VP型傾斜儀震前異常記錄

2016年10月20日射陽發(fā)生M4.4地震，9月16日常熟臺VS型垂直擺出現(xiàn)急劇往北傾斜的現(xiàn)象，自9月16日03時開始至17日09時，24小時累計傾斜量達(dá)到4倍日變幅度，固體潮形態(tài)出現(xiàn)突變，地面急劇往北傾斜，9月18日VS型傾斜儀數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常固體潮變化形態(tài)。經(jīng)過多方面排查及落實，推測此次變化可能是M4.4地震前的短臨前兆異常。

表2 VS型傾斜儀記錄典型地震的同震響應(yīng)參數(shù)

表3 VP型傾斜儀記錄典型地震的同震響應(yīng)參數(shù)

圖2 2016年3月2日印尼蘇門答臘M S7.8地震波形

圖3 2016年8月6日黃海M S4.0地震波形

受常熟臺形變山洞西南方向尚湖降雨蓄水影響，正常狀態(tài)下降雨，傾斜儀器向西南方向傾斜（丁建國等，2011）。射陽M4.4地震前，VS型傾斜儀突破降雨干擾出現(xiàn)了北傾（見圖4a），VP型傾斜儀并未出現(xiàn)北傾，僅表現(xiàn)為以往干擾的西南方向傾斜（見圖4b）。根據(jù)以往降雨量與傾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，儀器傾斜幅度與降雨量的比值通常為0.34～0.4，而9月16日VP型傾斜儀的傾斜幅度與降雨量的比值為0.249，說明此次記錄信息中可能包含了地震前兆（見圖5）。

圖4 2016年9月13～19日常熟臺VS型垂直擺傾斜儀與VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀對比

圖5 2015～2016年VS型與VP型傾斜儀降雨干擾對比

3 結(jié)論

通過對同一形變山洞內(nèi)VS與VP兩種型號傾斜儀記錄的地震數(shù)據(jù)進行對比分析，得知：二者均能清楚記錄到大于6.0級以上遠(yuǎn)震和地方震，儀器同震響應(yīng)能力有較高的一致性。在記錄遠(yuǎn)震時，VP型傾斜儀記錄的同震變化振幅明顯大于VS型傾斜儀記錄的振幅；在記錄近震時，VS型傾斜儀會產(chǎn)生同震階躍，其記錄幅度大于VP型傾斜儀的記錄幅度。VS型垂直擺傾斜儀的地震前兆表現(xiàn)優(yōu)于VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀，我們可以直接從形態(tài)法中找到異常信號，而VP型寬頻帶垂直擺傾斜儀應(yīng)用降雨量定量分析法也可以發(fā)現(xiàn)異常信號。