山西离石中心地震台水管仪与水平摆倾斜仪同震响应对比分析

薛生瑞，高翠珍，王晓霞，徐 博

(1.山西省地震局离石中心地震台，山西 离石 033000；2.山西省地震局，山西 太原 030021；

3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

1 台站概况

离石中心地震台(以下简称离石台)位于山西吕梁市方山县北武当名胜风景区，该景区最高海拔2 254 m，总面积约80 km2，系我国北方道教圣地之一。北武当观测站位于北武当山山脚下，台基属花岗岩，海拔高程1 420 m。新建观测洞室岩石平均厚度大于50 m，观测项目有区域测震、水管倾斜仪、伸缩仪、水平摆倾斜仪、钻孔应变仪、气象三要素等。观测站有太古界吕梁期花岗岩、本区花岗岩岩性，台址的地貌属花岗岩典型地貌形态构造，属吕梁山断块隆起区，距仪器山洞最近的断裂为刘家岔断裂，位于仪器山洞东1.6 km处，断裂长6 km。

DSQ水管倾斜仪(以下简称水管仪)与SSQ-2I水平摆倾斜仪(以下简称水平摆)均安装在离石台北武当观测站新建的一个山洞内。水平摆与水管倾斜仪的间距不足5 m。两台仪器方位角均成正北、正南基线，均互相平行，相对来说，测的是同一个物理量(见第18页图1)。

山洞的洞体全长201 m，其中引洞50 m，从洞口向北东38°方向计要求，高2 m，宽1.8 m；仪器洞长134 m，其中，仪器支洞过渡洞长14 m，水管和应变的3个分量仪器室各长40 m，高2.0 m，宽1.8 m；6个支洞，高2.6 m，宽2.8 m[1]。

2 水管仪与水平摆的性能及安装情况

水平摆的工作原理是:利用水平摆的高放大性能，对微小的地倾斜变化进行连续记录；水管仪的工作原理是：相同的2个容器中，同一液体在相同的气压、温度等条件下，其液面在静止时位于统一水平面上，当地面产生倾斜时，2个容器也随之倾斜，从而相对于保持水平的液面产生垂直位移，借助于测微系统精确地测定此位移量，即可换算成地面的倾斜值[2]。

水管倾斜仪与水平摆倾斜仪的观测对象都是地平面与水平面之间的夹角(即地平面法线与铅垂线的夹角)及其随时间的变化[3]。观测值单位是角秒，具有大小和方向。观测精度为0.003″，零漂≤0.005″/d，采样率为1次/分钟[3]。

3 水管仪与水平摆的地倾斜同震响应特征分析[4-5]

选取17个地震，作为2种地倾斜观测仪器的同震响应分析样本(见第18页表1)，震级范围从5.1级到9.0级。最近的甘肃岷县6.6级地震的震中距是738.1 km，最远的斯科舍海7.8级地震，震中距达12 743 km，除发生在陆地的地震外，也有发生在海底的地震。

从表1可以看出，2套仪器对同一地震的响应不同；相同仪器对同一地区不同震级地震的响应也不相同；不同的地倾斜仪器对同一地震的响应幅度、延迟时间、震荡时间的响应也不相同；随着震级的增大，不同仪器或同一仪器，在幅度、延迟时间、震荡时间的响应也不同[6]。

表1 选取地震样本及水管仪、水平摆响应幅度参数统计表

(1) 最大变形幅度。

从水管仪和水平摆对17个震例的响应幅度对比曲线看出，16次地震的水平摆响应幅度大于水管仪响应幅度，有1次地震的水管仪响应幅度大于水平摆(见图2)。

水管仪的变形幅度与震级、震中距有关。如，日本9.0级地震比巴基斯坦7.9级地震响应幅度大；四川芦山7.0级地震比甘肃岷县6.6级地震响应幅度大；四川芦山与千岛群岛地震震级相同，震中距与响应幅度成反比；吉林松原5.8级地震比5.5级地震响应幅度大。在地方震震中距相同的情况下，震级大则响应幅度大。

水平摆对17次地震的响应幅度与震级成正比，震级越大，响应幅度越大。吉林松原震中距相同而震级不相等的2次地震的响应幅度不一样，说明与震中距无关；震级大的远震反而比震级小的近震响应幅度小，如，千岛群岛7.0级地震比四川芦山7.0级地震、新疆于田6.2级地震的响应幅度小。水平摆的变形幅度与震级、震中距有一定关联。

同震响应幅度上，水平摆对5级以下地震的响应幅度能记录到，但有时水管仪记录不到5.0级以下地震的同震响应。

图2 水平摆、水管仪震级与响应幅度对比曲线

(2) 地震响应延迟时间。

由图3可以看出，水管仪与水平摆的地震响应延迟时间与地震震中距成正比，震中距越大，延迟时间越长。最远的斯科舍海7.8级、温哥华以西地区7.9级地震延迟时间分别为23分、21分和20分、15分，最近的甘肃岷县6.6级地震震中距738.1 km，水管仪与水平摆的响应延迟时间分别为6分、1分钟。所以，水平摆的响应延迟时间均比水管仪的短。

图3 水管仪、水平摆响应延迟时间与震中距关系曲线

(3) 同震持续时间。

由图4看出，水管仪与水平摆的同震响应时间均与震级成正比，震级越大，同震持续时间越长。强地震引起的响应持续时间比中等地震长，水平摆的同震持续时间比水管仪的长。

图4 地震震级与地震响应持续时间关系曲线

(4) 震中距相近、震级不同的响应比。

对于地震震中距相近的地震，如，吉林松原5.8级、5.5级地震，水平摆的响应幅度分别为47.4 ×10-3″ 、1.68×10-3″，水管仪的幅度分别为38.5×10-3″、1.0×10-3″；甘肃岷县6.6级地震、甘肃张掖5.1级地震，水平摆的响应幅度为26.2×10-3″、2.4×10-3″，水管仪的响应幅度分别为1.4×10-3″、0.12×10-3″，响应幅度均随震级的下降而逐步下降，地震振荡时间随震级增大而延长。对同一地震，水管仪的延迟时间比水平摆的要短。对于震中距相同或相近、震级不同的地震，同一观测系统的地震响应幅度、振荡时间与地震震级成正比关系，延迟时间相同。

4 结论

(1) 离石台水管仪和水平摆2种地倾斜观测系统都能记录到同震响应，这种响应都以高频振荡衰减的形式叠加在所记录到的倾斜固体潮上。

(2) 2种地倾斜观测系统的地震响应持续时间与震级成正比，震级越大，同震持续时间越长，强地震引起的响应时间比中强地震时间要长。

(3) 在震中距相近的情况下，同一观测系统的同震变形波幅度、振荡时间与震级成正比，延迟时间相同。

(4) 水管仪的形变波响应幅度与震级成正比，与震中距成反比；水平摆的形变波幅度主要与震级有关，但与震中距也有一定的关系。

参考文献：

[1] 薛生瑞，徐 博，高翠珍，等.山西离石中心地震台数字倾斜仪资料质量跟踪分析[J].山西地震,2013(4):14-17.

[2] 国家地震局.地倾斜台站观测规范[M].北京：地震出版社，1986：5-10.

[3] 中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范[M].北京：地震出版社，2001.

[4] 牛安福，张 晶，吉 平，等.强地震引起的同震形变响应[J].内陆地震,2005,19(1):1-7.

[5] 牛安福，吉 平，高福旺，等.印尼强地震引起的同震形变波[J].地震,2006,26(1):133-136.

[6] 杨玲英，崔庆谷，毛先进，等.云龙地震台水管仪与水平摆同震响应对比分析[J].地震研究,2012,35(1):48-52.