胡 玮

（乌加河地震台，内蒙古 巴彦淖尔 015323）

乌加河地震台PET重力仪同震响应特征研究

胡 玮

（乌加河地震台，内蒙古 巴彦淖尔 015323）

基于乌加河地震台重力仪观测条件，从面波延迟时间、面波传播速率、最大变形幅度、同震持续时间、响应形态和初动方向6个方面研究了乌加河地震台PET重力仪对国内外6次地震的同震响应特征。研究结果显示：同震响应的面波延迟时间与地震震中距离具有较好的正相关性；同震响应的波幅与地震震级大小及震中距有关；同震波的持续时间与震级有关；远距离地震的同震波一般表现为脉冲形式；初动方向没有规律。此研究有助于对PET重力仪的深入了解，同时也为地震相关参数的提取提供了参考依据。

重力仪；面波；波幅；同震响应；乌加河地震台

0 引言

受地震波激发，借助数字化形变前兆台网可观测到地震时倾斜、应变和重力的波动现象，称为同震形变波或震时形变波，以区分于地震波[1]。地震引起的同震形变波往往持续几个小时甚至十几个小时，从波形中可以得到包括地震破裂及传播过程在内的大量信息，这对于地震研究工作者认识地震短临前兆的动力特性和估算震源的相关参数有一定帮助。有研究显示，同震响应研究由于具有加载区域广、响应特征更易识别等优势，是揭示地壳介质对应力—应变过程响应最直接和最有效的手段之一[2-3]。

乌加河地震台使用的PET重力仪是用于测量地球各点重力时间变化的高精度仪器。该重力仪可以检测周期从秒到若干年的地球物理、地球动力学效应所导致的微小的重力场变化。它通过网络连接方式实行统一监控，将测量的各项数据传播到监控中心网络平台，完成数据传输汇集与处理[4]。杨婕等[5]曾指出，PET重力仪相比于其他仪器（如：水管仪、垂直摆、伸缩仪）同震持续时间明显更长，同震响应波幅也要更大；张凯等[6]也认为PET重力仪有较好的映震能力，对强远震能够较好的记录到产生的显著同震应变阶跃，信息量更丰富。本文拟通过对乌加河地震台PET重力仪对国内外6次强震的同震响应的变化特征分析，来获得本台重力仪对远震的同震变化的相关特征。

1 乌加河台重力仪观测条件概况

乌加河地震台（以下简称乌加河台）位于内蒙古自治区巴彦淖尔市乌拉特中旗乌加河镇北，距离巴彦淖尔市区100km。台站海拔1052 m，台基位于花岗岩体上。构造方面本台地处狼山前东西向大断裂带和河套断陷盆地北缘，阴山纬向构造带的中西段与狼山弧型构造带的复合部位, 临河坳陷的北端与阴山东西向构造带的接壤地段[7]。从深部地壳结构上看，本区处于重力异常梯级带，并有莫氏“上隆”现象。区内主要发育有包括色尔腾山山前断裂在内的多个断裂带（图1）。色尔腾山是由前震旦纪古老变质岩系组成的复式褶皱带，并有多期条状火成岩体侵入。重力仪观测山洞洞体为花岗岩，同时洞内观测测项还有水管倾斜、伸缩和水平摆倾斜等（图2）。

图1 乌加河地震台所处区域地质构造图Fig.1 The regional geological structure map of Wujiahe Seismic Station

色尔腾山山前断裂带及狼山山前断裂带区域自有地震记录以来地震发生频率较高，从1970年至2015年12月这一地区先后发生ML≥4.5地震58次，其中包括4次6级以上地震。距离乌加河地震台10km的五原县，曾在1934年和1979年发生过两次6级以上地震。乌加河地震台于2007年7月17日安装了PET重力仪，近几年该仪器运行率分别为：2014年99.98%，2015年98.13%，2016年1—7月99.99%，主要停记原因是仪器停摆。

图2 乌加河地震台洞体内部观测仪器位置示意图Fig.2 The location sketch map of observation instrument inside hole at Wujiahe Seismic Station

2 同震响应特征分析

本文根据发震时的震荡曲线，通过选取近些年来国内外发生的6次6.0级以上地震，研究乌加河台重力仪对于不同震中距和震级的地震的同震响应特征。6次地震的基本参数具体如表1所示。

2.1 国外远震

北京时间2015年9月17日6时54分，智利中部海岸发生8.2级地震，震中距离乌加河地震台18957 km。主震发生20分钟后，乌加河台重力仪出现初动，方向为负（初动方向，“正”表示曲线向上跳动，数值增加；“负”表示曲线向下跳动，数值下降），幅度为11.8×10-8ms-2，随后重力仪曲线呈现上下震荡变化形态，幅度为±286.1×10-8ms-2。到8时34分，主震发生100分钟后，重力仪观测曲线开始出现巨幅震荡，并于8分钟后达到最大值5602.8×10-8ms-2，后又大幅下降至4550.5×10-8ms-2，震荡最大幅度达1052.3×10-8ms-2，之后，震荡幅度逐渐减小，幅度较大的同震响应持续了约2.5小时（图 3）。

表1 6次地震的基本参数

此外，17日当天于10时49分、13时38分和16时52分重力仪再次记录到同一地区的几次震级较小的余震，其在重力仪记录的曲线上的变化是地震波动叠加在8.2级主震的曲线上，并快速衰减，重力观测值如图3所示。

图3 2015年9月17日乌加河台重力仪观测曲线Fig.3 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Sep. 17, 2015

2016年7月30日5时18分 马 利 亚 纳群岛地区发生7.8级地震, 震中距离乌加河台6374 km。主震发生7分钟后，乌加河台重力仪出现初动，初动方向为正，分钟值变化幅度为120.1×10-8ms-2，波形呈震荡形式变化。5时36分后，震荡幅度明显增大，快速上升到188.5×10-8ms-2，最高值达6175.7×10-8ms-2，后大幅下降227.0×10-8ms-2，最低值降至5760.2×10-8ms-2。连续大幅震荡13分钟后，5时49分开始，震荡开始变缓，幅度在±100×10-8ms-2内，于8时02分，震荡幅度下降至±10×10-8ms-2内。直至12时，曲线才趋于平滑，重力观测曲线如图4所示。

2015年12月7日15时50分塔吉克斯坦发生7.7级地震，震中距离乌加河台3053km。15时56分，主震发生6分钟后，乌加河台重力仪开始出现初动，重力值变化曲线出现上下波动，波动幅度达587.2×10-8ms-2。16时02分，震荡幅度突然急剧增大，分钟值变化幅度超过±500×10-8ms-2，16时08分 主震发生18分钟后，重力值下降1133×10-8ms-2，达到最低峰值4050.9×10-8ms-2，震荡幅度开始渐渐减小。到19时30分，分钟值变化趋于正常状态，观测曲线也基本恢复平滑。重力观测曲线如图5所示。

图4 2016年7月30日乌加河台重力仪观测曲线Fig.4 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Jul. 30, 2016

图5 2015年12月7日乌加河台重力仪观测曲线Fig.5 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Dec. 7, 2015

2015年2月20日12时25分，日本本州东海岸远海发生6.7级地震，台站距震中2997km。重力观测曲线如图6所示。12时30分，主震发生5分钟后，乌加河台重力仪观测曲线首先向上波动4.1×10-8ms-2，后突然下降8.1×10-8ms-2，随之上下波动，分钟值变化幅度约为±13×10-8ms-2。12时40分开始，分钟值变幅超过20×10-8ms-2，震荡幅度明显增大，12时45分，距离主震发生20分钟后，达到最高值4777.4×10-8ms-2,上升幅度达52.1×10-8ms-2,紧接着下降78.5×10-8ms-2，于12点44分达到最小值4698.9×10-8ms-2，之后波动渐渐减小，观测值变化为±17×10-8ms-2，这种波动持续约136分钟，直到15时，分钟值变化恢复正常状态。

在2014年11月22日，本台检测到同样发生在日本本州东海岸远海的一次地震，震级为6.4级，观测曲线如图7，乌加河台重力仪对这2次地震的同震响应的延迟时间相同，都是5分钟。但是，由于数字化采集设备按通道对不同观测分量的信号进行采集,采集时间存在异步，而且数字化观测的采样时间间隔为1分钟, 受到采样频率的限制，观测曲线的初动时间存在或多或少的误差,所以尽管同一地点发生的多次地震,重力仪同震响应延迟时间相同，但并不能认为延迟时间相同的地震，震源地点就相同。

2.2 国内强震

2.2.1 2016年2月6日台湾高雄6.7级地震

2016年2月6日3 时57分台湾高雄发生6.7级地震，台站距震中2328km。乌加河台重力仪4时01分出现初动，响应延迟为4分钟，初动方向为负。同震响应形态为脉冲式。4时12分至4时14分，数据变化幅度突然急剧增大，为向上116.5×10-8ms-2，向下176.9×10-8

ms-2，随后又向上42.6×10-8ms-2，最高值达到5514.3×10-8ms-2，最低值为5337.4×10-8ms-2。从图8中可以看出,之后观测曲线波动幅度明显减小，持续近105分钟，于6时，曲线变为光滑。

2.2.2 2014年11月22日四川康定6.4级地震

2014年11月22日16时55分四川康定发生6.4级地震,台站距震中1375km。16时57分，主震发生2分钟后，乌加河台重力仪出现分钟值变化幅度为8.8×10-8ms-2的初动，方向为向下，17时02分，重力仪观测值大幅上升49×10-8ms-2，后又大幅下降111.2×10-8ms-2，变化幅度明显增大，3分钟后达到最小 值4036.9×10-8ms-2。17点13分 又 上 升 至4131.3×10-8ms-2， 与 震 前 的4131.2×10-8ms-2基本持平（图7）。之后，震荡逐渐变小，直到19时，重力曲线恢复光滑。

图6 2015年2月20日乌加河台重力仪观测曲线Fig.6 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Feb. 20, 2015

图7 2014年11月22日乌加河台重力仪观测曲线Fig.7 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Nov. 22, 2014

图8 2016年2月6日乌加河台重力仪观测曲线Fig.8 The observational curves of gravimeter at Wujiahe Seismic Station on Feb. 6, 2016

3 讨论与分析

关于文中分析的6次地震的同震响应参数如表2所示。

观察图3中智利中部海岸8.2级地震主震及几次余震的形态变化可以清楚的看出，同一地区发生的地震，震级越大，曲线震荡幅度也越大，说明观测曲线震荡幅度与震级成正比关系；对比塔吉克斯坦7.7级地震，震中距离乌加河地震台分别为18957 km和3053km,而后者的最大变形幅度（1801.2×10-8ms-2）比前者（1052.3×10-8ms-2）要大的多。这是因为前者震级虽大，但是震中距比后者要远的多，地震波的能量在远距离传播过程中有衰减,说明震荡波幅不仅与震级大小有关，还与震中距离有关，距离越远，地震波能量衰减程度越大。

对比表2中6次地震距离乌加河台的震中距与重力仪出现同震响应的延迟时间可以明显看出，面波的延迟时间随着震中距的减小而变短。比如：智利中部海岸发生地震的地点距离乌加河地震台18957km，地震发生20min后本台重力仪才出现初动，而国内距离近得多的四川康定，震中距仅为1375km，面波延迟时间仅为2min。所以，地震台重力仪初动时间相对于发震时间的延迟与震中距具有一定的正相关性。

根据面波延迟时间与震中距计算出地震波的传播速率，可以看到，数值相差很大。这是由于数字化观测的采样时间间隔为1 min，限于采样率会出现误差；同时，特殊的地质结构会削弱地震波的传播能量，也是影响面波传播速率的重要原因之一[8-9]。

此外，从表2中还可以看出，重力仪的初动方向有正有负，没有规律。薛生瑞等人[10]曾指出：不光是重力仪，其他类型的观测仪器（如水管仪与垂直摆），对同一地震同震响应的初动方向也出现不一致现象[10]。考虑其原因可能是，数字采样是多通道依次进行，各分量的采样时间难免存在异步现象，而且受采样频率的制约，同震响应的全部信息在这种数字化观测中不能完全反映，会有所丢失，从观测曲线中提取的初动信息极有可能存在误差。这也是广大的地震研究工作者在以后的工作中需要进一步探究的问题。

表2 乌加河地震台PET重力仪记录的6次地震的同震响应参数

4 结论

根据以上6次地震的同震响应观测数据分析，得到以下6点结论：

（1）面波延迟时间尽管会受到地质结构的影响，但总体来说，面波延迟时间与地震发生地点到地震台的距离呈正相关，距离越远，面波延迟时间越长。

（2）面波延迟时间只能用于分析面波延迟时间与震中距的相关性，不能用于精确计算地震波的传播速度。

（3）震中距离相同的地震，震荡波幅与震级呈正相关。但是对于震中距离不同的地震，尤其是巨大远震，由于地震波能量在长距离的传播中会有更多的衰减，同震波波动幅度反而有可能小于震级小的近震。所以，同震波的波幅并不只与地震震级有关，还与震中距有关。

（4）综合表1、表2数据，同震响应持续时间与地震震级强度有关,震级越大，响应持续时间也越长，地震强度越小，相应的响应持续时间也就越短。巨大远震，观测曲线往往是震荡数小时后恢复光滑，如果在此期间出现余震，则余震的脉冲震荡会与原主震波形上叠加。

（5）本文所研究的所有地震,乌加河地震台重力仪测量的同震响应波形态都是脉冲形式，没有出现阶跃信号。由远场地震波经过长距离传播形成面波，当面波的频率与形变观测仪器自振频率接近时会产生共振现象，在观测曲线上的表现就是脉冲信号。

（6）重力观测是没有方向性的，表现在重力曲线上，初动方向有正有负，没有规律。

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Abstract:Based on the gravimeter observation conditions of Wujiahe Seismic Station, the coseismic response Characteristics of PET gravimeter at Wujiahe Seismic Station is studied from 6 aspects of surface wave delay time, surface wave velocity, maximum deformation amplitude, coseismic duration,the response form and first motion direction. The results indicate that: there is a significant positive correlation between the surface wavedelay time of the coseismic response and epicentral distance; the amplitude of coseismic response is not only related to magnitude of earthquake but also to the epicentral distance of the earthquake; associated with shock wave duration and magnitude; the coseismic wave of distant earthquake are mostly pulse form; the first motion direction has no distribution law. This helps to deepen the understanding of the PET gravimeter, also for the extraction of seismic parameters provides a reference basis.

Key words:gravimeter; surface wave; amplitude; coseimic response; Wujiahe Seismic Station

Coseismic Response Characteristics of PET Gravimeter at Wujiahe Seismic Station

HU Wei
（Wujiahe Seismic Station, Inner Mongolia Bayannur 015323, China）

P315.726

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.009

1674-8565（2017）03-0049-06

2016-12-05

2017-04-16

胡玮（1986-），男，内蒙古巴彦淖尔人，毕业于中国矿业大学，本科，助理工程师，现主要从事地震前兆观测方面的工作。E-mail：329710529@qq.com