鹤岗地震台水管、垂直摆倾斜仪同震响应对比

胡宝慧 常金龙 姜 博 李大伟 张 浩

（中国哈尔滨150090黑龙江省地震局）

鹤岗地震台水管、垂直摆倾斜仪同震响应对比

胡宝慧 常金龙 姜 博 李大伟 张 浩

（中国哈尔滨150090黑龙江省地震局）

对鹤岗地震台水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪记录到的同震响应资料进行分析，认为：水管仪和垂直摆对不同震中距的地震记录存在较大差异；水管仪稳定性较好，而垂直摆实际灵敏度更高；两种仪器记录的同震响应与震级、震中距及震源深度具有相关性。

水管仪；垂直摆；同震响应；相关性；时频分析

0 引言

连续形变仪器记录能够反映地球岩石性质变化和地壳应力、应变引起的倾斜及其潮汐动态变化，其中水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪作为观测地壳形变垂直方向运动的仪器对监测地壳年变规律演变、倾斜速率及动态变化提供了优秀数据（陈德福，1993）。在同震响应研究方面，水管仪和垂直摆的采样率均为1 min/次，所以记录的不是真实的同震波形，而是倾斜波动态的变异形态（刘成龙等，2009）。但同震响应作为一种随时间变化的高频干扰，能够反映仪器的响应特性，仍然存在一定可比性和相关性（张凌空等，2008；杨成元等，2008；邱永平，2011）。黑龙江省鹤岗地震台形变仪器安装在山洞内，洞室年温差小于0.3℃，日温差小于0.05℃，观测数据质量较好，固体潮清晰、潮汐因子稳定，观测数据满足研究使用条件。牛安福等（2006）、崔庆谷等（2014）对同震响应和仪器对比分析做了较深入研究，本文在此基础上，着重分析两种仪器记录同震响应的区别，并分析同震响应随震级、震中距及深度变化的特性和相关性。

1 同震响应对比

1.1 仪器工作原理

稳定和干扰小的数据是保障观测质量的重要因素，通过对2012—2014年全球发生的典型地震和黑龙江及周边地震（表1）为例分析认为，两种仪器均能记录到清晰的固体潮和同震响应（图1），具有较好的观测效果，但仪器工作原理不同导致观测结果差异较大。

（1）水管倾斜仪记录两端液面差值作为观测数据，由于基线较长，测量值为较大范围内倾斜运动的平均效应，依靠自由液体表面的趋平作用，抗干扰能力强；而垂直摆倾斜仪摆体为单摆，当单摆的平衡位置发生变化时会形成倾斜微位移，通过传感器将微小位移转化成电信号进行测量（肖峻等，2004）。

图1　水管仪与垂直摆EW分量同震响应对比（a）2013年11月20日；（b）2013年4月2日；（c）2013年10月31日；（d）2014年11月2日Fig.1 EW comparison on co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

（2）水管仪摆体在水平面上，钵体的对称性和稳定性更好，适合跟踪长趋势倾斜信号；垂直摆摆长较短、摆动周期小于1 s，具有较高的灵敏度和动态响应性能，适合跟踪短临倾斜信号和监测本地区地壳形变变化。

（3）当地震波传播到观测仪器时，垂直摆开始震荡且在地震后持续震荡，受同震干扰影响大；水管仪因结构和频带宽度与垂直摆不同，震荡衰减较快，地震震级和震中距较小时，采用分钟值采样的水管仪不容易记录到地震。

（4）水管仪和垂直摆仅测量地表形变，同震响应“干扰”作为地震期间应变场的一种准静态调整现象，反映的地表形变并不完全和深部形变一致。从倾斜观测量（位移型换能器）的特性公式可以看出，倾斜仪器观测的同震响应与S波速度关系密切。特性公式为

1.2 观测结果

选取（表1）水管仪和垂直摆EW分量同震响应数据，分析震级、震中距、震源深度与同震响应的关系，发现：①震中距较小时，水管仪无同震响应，垂直摆同震记录清晰；②震中距相近，震级越大响应越清晰，持续时间越长；③震中距增大，水管仪记录波形逐渐清晰；④震中距＞30°，两种仪器记录能力相当；⑤随震中距和震源深度的增加，波形振幅减小，且水管仪对深震记录更清晰。

表1　水管仪和垂直摆同震响应比较Table 1 Comparison on co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

2 相关性

选取鹤岗台2014年以来5.5级以上具有同震响应的地震目录，以震级、震中距和震源深度为序列，设参考数列X=|｛x0（k）|k=1，2，…，n｝，比较数列Xi=｛Xi（k）|k=1，2，…，n ｝，i=1，2，…，m。

其中ζ∈（0，∞），称为分辨系数，本文选取ζ=0.5。按照公式（2）、（3）采用灰色关联分析（胡宝慧，2013），求解3个因素与同震响应的关联度，得到：γ1=0.9004，γ2=0.8821，γ3=0.8718。

通过震级、震源深度、震中距散点图（图2）及与同震响应关联度的计算，发现：产生同震响应的地震大部分出现在震中距Δ＜80°、震源深度h＜300 km范围内。震级与同震响应关联度最大，其次是震中距，震源深度影响最小。说明能量衰减对两种仪器的记录影响最大，传播路径长度影响其次，深度变化产生的构造变化和地震持续时间变化的影响最小，与地震的传播规律类似。

图2　震中距、震级、深度散点Fig.2 Epicenter distance，magnitude and depth scatter diagram

3 时频分析

地倾斜观测的对象是瞬时地平面相对大地水准面之间角度随时间的变化（熊先保等，2013）。作为一种非平稳信号，经典傅里叶分析不能反映地震波的非平稳性，而时频分析方法提供了时间域与频率域的联合函数，清楚描述了地震信号在不同时间和频率的能量密度或强度的关系。在此采用Wigner-Ville动态时频分析方法，避免了傅里叶变换对地震响应类突变信号和非平稳信号的局限性。

对2013年10月26日和2015年2月17日发生在日本的两个MS7.1地震进行时频分析（图3），可见两种仪器的地震记录形态存在差异，其中：垂直摆同震波形持续时间较长，水管仪最大形变振幅较大，二者能量主要集中在面波频段。

图3　水管仪和垂直摆同震响应时频分布（a） 2015年02月17日垂直摆；（b） 2015年02月17日水管仪；（c） 2013年10月26日垂直摆；（d） 2013年10月26日水管仪Fig.3 Time frequency analysis chart of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

在地震信号时频分析过程中，水管仪和垂直摆在低频段表现出较高的频率分辨率，而在高频段表现出较高的时间分辨率（牛安福等，2005；陈友良等，2011）。地震波信号引起两种仪器非潮汐变化的频率范围集中在1×10-3—5×10-3Hz，其中水管仪能量集中，而垂直摆在地震频段内均有能量分布，对地震有较高的动态响应性能。

4 结论

水管仪和垂直摆对同震响应均有良好记录，因仪器设计不同记录状态差异较大。水管仪对高频信息具有抑制和滤除作用，作为长周期系统更稳定，适合观测地壳形变长期变化；而垂直摆灵敏度较高、阻尼较小，容易将地震波和地脉动等叠加到固体潮上，对周边高频干扰和地震前兆信息较为敏感，适用于地震短临跟踪。

水管仪和垂直摆也记录到一些同震阶跃，近距离地震尤为明显。这种阶跃可能与当地应力状态和地震危险性有关，也可能是台基与仪器耦合产生的一种阶跃。另外，对于同一地震的同震响应存在NS和EW分量变化量的不同，可能与地震破裂性质，也就是震源区性质有关，因所选震例的局限性，有待积累资料进一步研究。

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Abstract

Analyzing co-seismic responses recorded by water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter in Heilongjiang Province，we consider that the co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter recorded are different for the earthquakes with different epicentral distance.Numerical stability of the water tube tiltmeter is better than that of vertical pendulum tiltmeter，but responsive sensitivity of vertical pendulum tiltmeter is better than that of water tube tiltmeter.Co-seismic responses of both instruments recorded are accociated with magnitude，focal depth，epicentral distance.

Comparison on co-seismic responses of water tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter at Hegang Seismic Station

Hu Baohui，Chang Jinlong，Jiang Bo，Li Dawei and Zhang Hao
（Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China）

water tube tiltmeter，vertical pendulum tiltmeter，co-seismic response，correlation，time-frequency analysis

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.03.016

胡宝慧（1983—），男，工程师，2009年获得学士学位，主要从事形变观测技术研究工作。E-mail： hubaohui123456@126.com

黑龙江省地震局一般性科研课题（201504）