安西地震台洞体长短基线倾斜仪同震响应对比分析

周卫东，闫勋，牛延平，田野，王娟，苏小芸

(兰州地球物理国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

洞体倾斜观测是地壳形变观测的重要组成部分，现有的洞体倾斜观测手段主要有DSQ型水管倾斜仪、VP型垂直摆倾斜仪、VS型垂直摆倾斜仪及SSQ-Ⅱ型水平摆倾斜仪等。水管倾斜仪发展时间长，应用范围广，单个分量一般基线长度大于5 m，大部分长度在15～30 m，属于长基线观测仪器；摆式倾斜仪占用长度小于1 m，大部分仪器单分量长度小于0.75 m，属于短基线观测仪器。

安西地震台形变观测山洞有DSQ型水管倾斜仪、VP型垂直摆倾斜仪、SS-Y型伸缩仪和RZB型分量式钻孔应变仪等多套形变观测设备，观测质量较好。DSQ型水管倾斜仪于2013年11月安装，VP型垂直摆倾斜仪于2014年5月安装，两套仪器目前运行稳定。本文通过分析研究DSQ型水管倾斜仪和VP型垂直摆倾斜仪对不同震中距、震级地震事件的最大响应幅度、响应延迟时间和响应持续时间，进而对比长短基线仪器在同震响应方面的异同点。

1 台站概况

安西地震台(40.51°N，95.80°E)形变观测山洞位于县城正东约2 km的戈壁滩上，处在阿尔金断裂带北侧100 km处，坐落于三危山断裂带上，地质构造复杂，地震活动强烈，观测环境良好。洞室顶部与侧向覆盖都大于30 m，洞内岩石为辉岩，岩石比较坚硬完整，主体山脉基本无植被。洞体附近为丘陵地貌和戈壁滩，山洞总长116.8 m，进深96.8 m。因为安西地震台所处地理位置的原因，全年干旱少雨，年均降水量小于50 mm。洞内干燥温暖，湿度、温度基本保持恒定，洞内平均气温13.7 ℃，全年温度变化小于0.5 ℃。

2 仪器原理及台站仪器运行情况

VP型垂直摆倾斜仪运用摆的铅垂原理，摆系由吊丝和重块组成。垂直摆在没有振动的条件下处于铅垂状态，当发生倾斜变化时，摆偏离平衡位置，摆和支架之间的相对位置发生变化，即电容式位移传感器的动片(摆)和定片(支架本体)之间的间距也相应的发生变化,该变化通过传感器转换成电信号并加以放大,数据采集器就可记录地面倾斜变化情况[1-2]。

DSQ型水管倾斜仪运用连通管内水面保持自然水平的原理。当连通管两端地基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对于仪器钵体发生变化，液面的变化使固定在浮子上的差动变压器的铁芯相对于固定在盖板上的线圈作垂直移动，这个相对移动借助于位移传感器输出一个模拟电压信号，电压信号由电缆传输到一定距离的测微仪器中，然后按需要分别进入数据采集系统或模拟记录系统。这样将东、西、南、北四端的液面变化和“东—西”、“北—南”两分量的高差变化以数据采集器记录出来。表1给出了两种观测仪器的主要技术指标。

表1 观测仪器主要技术指标

DSQ型水管倾斜仪北南分量方位角338.7°，东西分量方位角67.2°，两分量基线长度均为16 m。VP型垂直摆倾斜仪北南分量方位角0°，东西分量方位角90°。DSQ型水管倾斜仪和VP型垂直摆倾斜仪分别安装在进深约76.8 m、72 m的两个观测室内。VP型垂直摆倾斜仪于2019年8月出现故障，2020年1月维修后恢复观测，目前仪器运行良好。

3 同震响应特征分析

挑选不同震中距、震级地震事件分析安西地震台两套地倾斜观测仪器对地震的响应特征。由表2可以看出，对不同地震，水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪记录到的最大响应幅度和响应持续时间是不同的，响应延迟时间大部分也不相同。本研究对表2中9个地震的同震响应特征进行了对比分析。

表2 安西地震台水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪地震响应幅度参数统计

图1给出了水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪最大响应幅度与震级对比曲线。由图可知，对6次7级以下地震，除西藏日喀则5.8级地震外，垂直摆倾斜仪的最大响应幅度大于水管倾斜仪。而其他3次7级以上地震，水管倾斜仪的最大响应幅度又大于垂直摆倾斜仪。

图1 水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪最大响应幅度与震级对比曲线

另外，除西藏日喀则5.8级和伊奥尼亚海7.0级地震外，其它7个地震的水管倾斜仪最大响应幅度随着震级的增大而增大，二者成正比关系。而垂直摆倾斜仪的最大响应幅度却与地震的震级、震中距有关，例如青海玉树5.1级地震比西藏日喀则5.8级地震幅度大，拉特群岛6.4级地震比菲律宾6.6级地震幅度大，印尼6.8级地震比伊奥尼亚海7.0级地震幅度大。

从图2可以看出，水管倾斜仪响应延迟时间与震中距成正比。除伊奥尼亚海7.0级地震外，垂直摆倾斜仪响应延迟时间与也震中距成正比，震中距越大，响应延迟时间越大。最远的阿拉斯加7.2级地震7 329 km，水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪的响应延迟时间均为18 min；最近的青海玉树5.1级地震655 km，水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪的响应延迟时间分别为3 min、2 min。对于同一地震，水管倾斜仪比垂直摆倾斜仪的响应延迟时间长或者相近，如科曼多尔群岛7.4级地震响应延迟时间分别为15 min、9 min。这可能与水管倾斜仪是通过水流响应，垂直摆倾斜仪是通过吊摆响应，摆的响应速度相比长基线水流速度快一些有关，此结果与曾智辉等人的研究结果一致[3]。

图2 水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪响应延迟时间与震中距对比曲线

从图3可以看出，除四川宜宾6.0级地震外，水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪的响应持续时间与地震的震级成正比，震级越大，响应持续时间越长。对于震级较小的5个地震，垂直摆倾斜仪和水管倾斜仪响应持续时间相当；而对于其它4个震级较大的地震，垂直摆倾斜仪的响应持续时间比水管倾斜仪的长很多。这种现象应该与两种仪器自身阻尼有关(水管倾斜仪的水流动型的阻尼大于垂直摆倾斜仪摆的空气阻尼)，这与狄樑等[4]的研究结果一致。

图3 水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪响应持续时间与震级对比曲线

从表2可以看出，对于震中距相近的地震，如西藏日喀则5.8级和四川宜宾6.0级，印尼6.8级和科曼多尔群岛7.4级，水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪最大响应幅度随着震级的增大而增大，而垂直摆倾斜仪最大响应幅度对拉特群岛6.4级和伊奥尼亚海7.0级则相反；水管倾斜仪响应延迟时间随着震级的增大而增大或相同，垂直摆倾斜仪响应延迟时间随着震级的增大出现一定的反复，这一情况可能与两种仪器自身阻尼及自振周期有关，有待进一步研究。

4 结 论

通过对安西地震台水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪记录的同震响应进行对比分析，结果显示：水管倾斜仪记录地震事件的最大响应幅度与震级成正比，垂直摆倾斜仪记录地震事件的最大响应幅度与震级、震中距有关；水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪记录地震事件的响应延迟时间与震中距成正比，震中距越大，响应延迟时间越大；水管倾斜仪和垂直摆倾斜仪记录地震事件的响应持续时间与震级成正比，震级越大，响应持续时间越长。