朱冰清 徐 诚 李恩建 赵黎明 李颖楠 闫丽莉 张明东 姜 海 郭 巍

（中国天津300201天津市地震局）

0 引言

地震波通过地震仪记录并输出的往往是位移、速度和加速度等，而震时形变波则主要是倾斜、应变或应力的瞬时波动（牛安福等，2005；张创军等，2012），这种波动携带着震源与地震波传播介质的复杂信息。地震工作者利用形变观测数据，开展了大量研究工作，如：邱永平（2013）、吴利军等（2016）、龚丽文等（2018）基于定点形变观测数据，统计分析最大变形幅度、面波延迟时间、同震持续时间与震级及震中距关系；吕品姬等（2010）、曹喜等（2014）、方燕勋等（2014）、周雯等（2020）、朱冰清等（2021）通过对定点形变仪器观测数据进行分析，发现观测仪器具有较强的映震能力。

天津市蓟县地震台（下文简称蓟县台）地处阴山纬向构造体系东部EW向压性断裂带许家台—蓟县—遵化山前断裂区（赵黎明等，2019），为形变观测台站，形变观测手段置于小辛庄形变观测山洞（距该台址约5 km），配备VP型宽频带倾斜仪（下文简称VP倾斜仪）与DSQ型水管倾斜仪（下文简称DSQ水管仪）进行形变观测，数据质量良好。本文选取蓟县地震台VP型宽频带倾斜仪和DSQ型水管倾斜仪（2套仪器同置于小辛庄观测山洞）记录的典型地震事件，从同震响应参数、同震形变波振幅与震级的关系、快速傅里叶变换方面，详细分析比对2类地倾斜观测仪器记录的同震响应特征。

1 仪器性能及资料选取

DSQ水管仪和VP倾斜仪均由中国地震局地震研究所研制，在蓟县台安装至今运行正常，观测数据质量良好。

DSQ水管仪是一种自动测量地壳倾斜变化的精密仪器，分辨力可达0.0005″，日漂移量小于0.005″，分钟值采样，标定精度优于1%。VP倾斜仪是在VS型垂直摆倾斜仪基础上研发的新型地震前兆观测设备（马武刚等，2015），可清晰记录固体潮及周期数分钟到数秒的较高频地动信号，分辨率0.001″，日飘移稳定，采样率为1 Hz，倾斜固体潮观测精度达2×10-3″。

基于地震前兆台网观测数据跟踪分析平台，回溯分析2019年蓟县台VP倾斜仪和DSQ水管仪形变观测数据的同震响应特征。基于同震波形清晰、振幅显著等特点，筛选得到2019年蓟县台VP倾斜仪和DSQ水管仪记录的全球10个地震作为分析样本，震级范围3.3—7.8，其中2019年12月23日天津蓟州区ML3.3地震震中距最小（Δ=31 km），2019年5月26日秘鲁北部MS7.8地震的震中距最大（Δ=16020 km）。10次地震基本参数见表1。

3 同震响应特征对比分析

选取2019年全球10次典型地震，基于最大响应幅度、响应延迟、持续时间等，对比分析蓟县台VP倾斜仪和DSQ水管仪记录的同震响应特征，并以同震响应参数相近的2019年12月15日菲律宾棉兰老岛MS6.8地震为例，采用傅里叶变换，对比分析2套数据记录的同震响应特征。以2017—2019年日本岛弧地区发生的15次地震为研究对象，进一步分析该台形变记录的震级与最大响应幅度的关系。

3.1 同震响应参数对比

基于同震响应最大响应幅度、响应延迟和持续时间（表1），详细对比分析2套观测仪器记录的10次地震的同震响应参数特点。

（1）同震响应最大幅度对比。2套倾斜仪对10次地震的最大响应幅度对比结果见图2，可见，与DSQ水管仪相比，VP倾斜仪对10个震例同震响应的最大幅度较大。对于河北唐山市丰南区ML4.5、天津蓟州区ML3.3地震2次近震，VP倾斜仪记录到幅度较大的同震突跳或阶跃，而DSQ水管仪几乎无响应。该现象应与2套仪器特性有关，VP倾斜仪（秒采样）较DSQ水管仪（分钟采样）采样率高、观测频段宽、阻尼系数小。

图2 同震响应幅度对比Fig.2 Comparison histogram of coseismic response amplitude

（2）同震响应延迟时间对比。2套倾斜仪对10次地震的同震响应延迟时间对比结果见图3。对于蓟县台周边100 km范围内的中小地震，如唐山市丰南区ML4.5、天津蓟州区ML3.3地震，2套仪器记录的响应延迟时间均为0 min（图3）。对于中强远震，VP倾斜仪比DSQ水管仪普遍较早记录到同震波形，响应延迟时间短（图3）。这与地震波的传播特性相关，因为DSQ水管仪同震形变波集中在面波频段（牛安福等，2006），而VP倾斜仪可清晰记录到P波、S波和面波（方燕勋等，2014）。

图3 同震响应延迟时间对比Fig.3 Comparison histogram of coseismic response delay time

响应延迟时间与震中距一般呈反比关系，即震中距越大，响应延迟时间越长。但是，震级大小对响应延迟同样有影响，较大地震能量更强，体波能量也更强，形变仪器可以记录到大部分P波，因此响应延迟时间短；较小震级的地震，形变仪器可能只会记录到面波，响应时间则较滞后。

（3）同震响应持续时间对比。2套倾斜仪对10次地震的同震响应持续时间对比结果见图4。对于同一地震，VP倾斜仪同震响应持续时间比DSQ型水管仪长（图4）。2套仪器同震响应持续时间与震级成正比。VP倾斜仪与DSQ水管仪记录远场大震持续时间相差不大，如厄瓜多尔MS7.5地震（Δ=15570 km）、秘鲁北部MS7.8地震（Δ=16020 km）。

图4 同震响应持续时间对比Fig.4 Comparison histogram of coseismic response duration

3.2 利用快速傅里叶变换进行频谱分析

同震响应参数对比（表1）发现，VP倾斜仪和DSQ水管仪对2019年12月15日菲律宾棉兰老岛MS6.8地震的同震响应特征基本相同，差异较小，且观测系统频带特性是其固有特征，数据变化特征是相同的，因此以该地震为例，采用傅里叶谱变换（FFT），对比分析2套同震响应数据的频谱特征，结果见图5。

图5 2019年12月15日菲律宾棉兰老岛MS 6.8地震VP倾斜仪和DSQ水管仪EW分量数据对比(a)VP倾斜仪EW向秒值原始数据；(b)VP倾斜仪EW向去固体潮数据；(c)VP倾斜仪EW分量振幅谱；(d)DSQ水管仪EW向分钟值原始数据；(e)DSQ水管仪EW向去固体潮数据；(f)DSQ水管仪EW分量振幅谱Fig.5 Comparison of EW component data of VP broadband tiltmeter and DSQ water-tube tiltmeter for the MS 6.8 earthquake in Mindanao,Philippines,on December 15,2019

VP倾斜仪秒采样数据采用db4小波分解到第6层（吕品姬等，2011），去除固体潮长周期趋势项，清晰可见P波、S波、面波记录[图5(b)]，对波形数据进行FFT谱变换，可见地震波集中分布在0—0.2 Hz频段，优势频率为0.03 Hz[图5(c)]。

将DSQ水管仪分钟值数据采用db4小波分解到第4层（2—32 min周期信号），去固体潮后细节曲线与原始曲线基本一致，经频谱变换，可见其震时波形周期集中在 2—32 min。而从观测数据角度认识仪器的观测频带，VP倾斜仪可观测到周期2—60 s的信号变化（吕品姬等，2020），将定点形变仪器向高频端进行了有效拓宽。

3.3 同震形变波最大响应幅度与震级的关系

地震观测仪器记录的同震波形信号是震源信息、传播路径信息、仪器响应三者综合作用的结果。在统计对比2种仪器同震形变波形振幅与震级的关系时，以某一地区的典型地震为研究对象，其构造环境相似，震中距、传播路径及传播介质参数相近，从而可简化研究对象的复杂性（龚丽文等，2018）。为此，以2017—2019年日本岛弧地区发生的15次地震为研究对象，进一步分析蓟县台形变观测记录的地震震级与最大响应幅度的关系。统计结果见表2。

表2 2017—2019年日本岛弧地区地震同震响应幅度统计Table 2 Statistics on coseismic response amplitude of earthquakes in the Japanese Island Arc from 2017 to 2019

由表2可知，与DSQ水管仪相比，VP倾斜仪对震中距约2000 km的日本岛弧地震映震能力更优，其中VP倾斜仪的同震响应幅度较大，而DSQ水管仪对该地区5级地震响应能力较弱，仅对7级左右地震的同震响应振幅较大。

以VP倾斜仪记录数据为例，将所选日本岛弧15次地震同震响应最大振幅和震级的关系进行拟合，结果见图6，并得到振幅A与震级M的指数关系，公式如下

图6 日本岛弧地震振幅与震级关系Fig.6 Relationship between amplitude and magnitude of earthquakes in the Japanese Island Arc

由图6可见，振幅随着震级增加指数上升，A—M曲线的拟合程度较高，验证了同震形变波的能量衰减规律。

4 结论

通过对2019年全球10个震例及2017—2019年日本岛弧15个5—7级地震的同震响应特征进行分析，得出以下结论：①VP倾斜仪与DSQ水管仪均可记录到地震的同震响应，其中VP倾斜仪记录的最大响应幅度较大，且能够记录近场中小地震的同震突跳或阶跃，而DSQ水管仪几乎无响应；②对于中强远震，VP倾斜仪比DSQ水管仪普遍较早记录到同震波形；③与DSQ水管仪相比，VP倾斜仪同震响应持续时间较长，远场大震持续时间则相差不大；④VP倾斜仪记录波谱信息丰富，可识别P波、S波、面波，适合研究波形的时频特征，而DSQ水管仪震时波形周期信号集中分布在2—32 min；⑤对于日本岛弧5—7级地震，VP倾斜仪同震响应能力较强，可得到振幅A与震级M的指数关系，而DSQ水管仪对该地区5级地震响应较弱。

本文撰写过程中得到中国地震局地震研究所吕品姬副研究员的悉心指导，在此表示由衷的感谢。