金寨地震台地形变观测仪器映震能力对比分析

刘莉 王飞 陆栋梁 郑海刚 陶方宇

摘  要：通过对2017年以来金寨台4套地形变观测仪器记录到的所有地震进行统计分析，得出各仪器对于不同的地震存在不同的同震反应和形式;4套地形变观测仪器对远震和近震的记录能力有差异：垂直摆映震能力最强，能涵盖其他3套仪器所能记录到的所有地震，其次是水平摆、水管仪，映震能力最弱的是伸缩仪，对6级以上地震才有响应。

关键词：地形变观测   映震能力   对比分析   同震响应

中图分类号：P315                            文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）07（c）-0056-04

Abstract： Through statistical analysis of all earthquakes recorded by four sets of topographic deformation observation instruments at Jinzhai Station since 2017， it is concluded that each instrument has different coseismic response and forms for different earthquakes; the recording ability of the four sets of topographic deformation observation instruments for distant and near earthquakes is different： the vertical pendulum has the strongest seismic reflection ability， which can cover all earthquakes recorded by the other three sets of instruments， followed by the horizontal pendulum and water pipe instrument， and the extensometer has the weakest seismic reflection ability， which can respond to earthquakes above M≥6.

Key Words： Terrain variation observation; Seismic reflection ability; Comparative analysis; Coseismic response

地形变观测是地震前兆监测的重要手段之一，借助数字化地形变观测仪器可观测到地震时的同震响应，通过分析研究其包含的信息，对于实现地震短临预报和年度震情跟踪具有重要意义。

1  台站及地形变观测仪器简介

金寨地震台（以下简称金寨台）始建于1971年，位于华北地块、下扬子地块和秦岭—大别断褶带的交汇处，梅山—龙河口断裂带近侧，台站台基岩性为变质岩，离梅山水库2 km，是安徽省近视水库地震和大别山地区地震活动的重要台站之一。金寨台新建的形变观测山洞自2016年正式投入使用，现有VP垂直摆倾斜仪、SSQ-2I石英水平摆倾斜仪、DSQ水管倾斜仪和SS-Y伸缩仪共4套地形变观测仪器。

2  地形变观测仪器映震能力对比分析

2.1 地形变观测仪器同震的反应和形式

观察4套地形变观测仪器2017—2019年记录到的所有地震，可以发现，对于每一个地震，并不是4套地形变观测仪器全都有同震反应。例如：4套仪器可以全部记录到2017年09月08日发生在墨西哥沿岸近海的M8.2地震（见图1），而在2017年08月09日发生在新疆精河的M6.6地震只有垂直摆、水平摆和水管仪记录到（见图2），更有2017年04月29日发生在安徽金寨的两次地震仅有VP垂直摆产生同震反应（见图3）。

此外，各地形变观测仪器对于不同地震所产生的同震反应的表现形式也不同。例如，观察垂直摆2017年04月29日的观测曲线（见图3），可以发现：该套仪器记录00：53：24发生在安徽金寨（震中距8 km）的M3.1地震，其表现形式为震时突跳（NS分量）和震时阶跃或掉格（EW分量），而记录04：23：18发生在棉兰老岛（震中距3 063 km）的M7.0地震，其表现形式为同震形变波。也可以看出，地形变观测仪器对于较近地震和远震的同震反应是不同的。

2.2 地形变观测仪器记录最小地震和最远地震

笔者统计了金寨台各地形变观测仪器记录同一震级地震所对应的最大震中距，见表1。

根据表1可以看出，垂直摆记录的地震范围较其他仪器都广，对很远的地震和较小的地震都能记录，且两个分量映震能力基本相同，二分量记录最远地震均为中智利海岸近海M7.0地震（震中距为19 203 km），二分量记录最小地震均为安徽金寨M1.5地震（震中距为10 km）。垂直摆二分量对近距离小震反应尤其敏感，较近距离的小震均能使之产生突跳甚至阶跃，还可能与仪器自身结构及其安装点的地理位置、地质构造有关，比如由于近距离震动使得仪器机械机构部分受到震动或错位[1]。

水平摆二分量的映震能力基本相当，二分量记录最远地震均为中智利海岸近海M7.0地震（震中距为19 203 km）。二分量记录最小地震均為湖北巴东M4.3地震（震中距为521 km）。当然，该仪器也存在二分量映震能力不同的情况，如NS分量记录最小的5级地震为震中距2 620 km本州东海岸近海的M5.0地震，而EW分量记录最小的5级地震为震中距2 895 km的棉兰老岛M5.0地震。

水管仪主要是以记录远震为主。NS分量记录到最小地震为菲律宾群岛地区M5.0地震（震中距为1 330 km），EW分量记录到最小地震为棉兰老岛M5.0地震（震中距为2 895 km）。NS分量记录到最小6级地震为安德烈亚诺夫群岛M6.0地震（震中距为5 772 km），EW分量记录到最小6级地震为巴勒尼群岛地区M6.0地震（震中距为10 951 km）。EW分量映震能力优于NS分量[2]。

伸缩仪只对较远较大的地震有记录，NS分量记录最小地震为印度支那半岛M6.0地震（震中距为1 992 km），而EW分量记录最小地震为瓦努阿图M6.0地震（震中距为7 435 km），也是EW分量映震能力优于NS分量。

通过以上统计分析可以得出：金寨台这4套地形变观测仪器中，垂直摆映震能力最强，能涵盖其他3套仪器所能记录到的所有地震，甚至记录到近距离地方震;其次是水平摆、水管仪，因其固有周期高，对于短周期的地震波无法响应，只能较好地记录大地震激发出的周期较长的地震波;映震能力最弱的是伸缩仪，对6级以上地震才有响应[3]。

2.3 地形变观测仪器对于安徽省内及其周边小震的记录情况

2017—2019年在安徽省内及台站周边共发生95次M2.0级以上地震，其中最大地震为2019年12月26日发生在湖北应城的M4.9地震。经统计，金寨台各地形变观测仪器共记录到其中41次地震。

各仪器对这41个地震的记录情况是：垂直摆记录到了所有地震;水平摆仅记录到了震级较大的两个地震（2019年12月26日湖北应城M4.9地震和2017年6月16日湖北巴东的M4.3地震）;水管仪和伸缩仪对这些小地震均没有记录。

以上记录情况的原因，应与各仪器自身设计及原理有关。垂直摆拥有较高的采样率（秒采样），但针对这些周期太小的地震，仍无法完全记录到一个小地震的全部波形，有时甚至以短时突跳、瞬时阶跃的形式来呈现同震响应。而水平摆只有在稍远的、能在水平方向上产生勒夫波时，才能记录到，因此水平摆对稍远地震记录较为明显。水管仪因其具有较长基线，只能较好地记录大地震激发出的较长周期的波[4]。伸缩仪是测量水平位移的仪器，在结构原理设计上避免对地面的垂直变化有反应，只能相对清晰地记录到能产生水平方向地震波的地震，对于近距离的、仅能产生体波的地方小震，均无法记录[5]。

2.4 地形变观测仪器对全球7级以上地震的记录情况

2017—2019年全球共发生了M7.0级以上地震43次。金寨台垂直摆和水管仪在统计范围内记录到了所有M7.0级以上地震，记录能力为100%。水平摆观测资料因2017年06月才纳入前兆数据库，故对2017年前5个月里发生的6个M7.0级以上地震未有记录，剩下37个均有记录，达到了很高的记录能力。

分析伸缩仪未记录到的几个地震，大部分是因为震中距较大，如2017年04月25日中智利海岸远海M7.2地震，震中距达19 269 km;有的是因为震源深度较深，如2018年08月24日秘鲁M7.0地震，震源深度630 km;还有的是因为仪器自身原因，如2017年01月04日斐济以南地区M7.0地震，因伸缩仪NS分量背景噪声较大，导致地震造成的应变幅度湮没在背景噪声内，但EW分量却记录到了此次地震[6-7]。

3  结语

该文对金寨台4套地形变观测仪器的映震能力做了统计分析对比，结果表明，金寨台各地形变观测仪器映震能力明显不同。

（1）金寨台各地形变观测仪器对于不同的地震存在不同的同震反应和形式，近距离小震、远震的同震反应各有不同。

（2）金寨台各地形变观测仪器对远震和近震的记录能力有差异。

垂直摆映震能力最强，能涵盖其他3套仪器所能记录到的所有地震，甚至记录到近距离地方震，这既是因为垂直摆较高的采样率，也是因其较低的自振周期（0.6 s）、较宽的频带范围，使得垂直摆不仅可以记录到缓慢地震和长周期远震，还能记录到频率高于固体潮信号的近震地震波、甚至是地方震。

其次是水平摆，水平摆工作频带较宽，其频响范围为0～5 kHz，相较于垂直摆，水平摆的分钟采样使其缺少对短周期的近震记录，对远震记录较为明显。

然后是水管仪，目前现有水管仪的固有周期在70 s左右，它对短周期地震波无法响应，相对于摆式倾斜仪器，水管仪频带范围较窄，高频端截止频率低于摆式倾斜仪器，无法记录更多的高频信息，映震能力稍弱。

映震能力最弱的是伸缩仪，对6级以上地震才有响应。因为伸缩仪是测量水平位移的仪器，在结构原理设计上避免对地面的垂直变化有反应，只能相对清晰地记录到能产生水平方向地震波的地震，对于近距离的、仅能产生体波的地方小震，均无法记录，且其頻响范围还受到差动变压器和滤波电路的频带的影响。

参考文献

[1] 侯晓真，陈建国，马栋，等.基于潮汐因子的河北省形变台站映震效能评估[J].地震工程学报，2018，40（5）：1068-1072，1104.

[2] 谢卓娟.中国海域及邻区地震区划中的地震活动性研究[D].廊坊：中国地震局工程力学研究所，2020.

[3] 郜怀龙，王发胜，禹小军，等.韶关台VS型垂直摆映震效能分析[J].华南地震，2020，40（2）：84-91.

[4] 全建军，赖见深，陈珊桦，等.小陶地震台钻孔体应变仪观测质量与映震能力分析[J].华南地震，2021，41（1）：26-33.

[5] 李自芮，马翀之，朱鹏涛，等.银川台地形变观测资料映震效能研究及动力源探讨[J].防灾减灾学报，2018，34（3）：34-37.

[6] 李自芮，马翀之，罗恒之.银川地震台数字石英水平摆倾斜仪观测资料映震分析[J].地震地磁观测与研究，2018，39（4）：169-175.

[7] 于庆民，卢双苓，郝军丽，等.泰安地震台形变仪器映震能力统计分析[J].地震研究，2015，38（3）：408-415.