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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (5): 90-95  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.013
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引用本文  

周雯, 李志雄, 徐芳芳, 等. 海南五指山形变台DSQ型水管倾斜仪与VP型垂直摆倾斜仪同震响应对比分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(5): 90-95. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.013.
ZHOU Wen, LI Zhixiong, XU Fangfang, et al. Comparative analysis of the co-seismic response between water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter at Wuzhishan Deformation Station in Hainan[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(5): 90-95. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.013.

基金项目

海南省地震局课题（项目编号：HDKJ202008）

作者简介

周雯(1984-), 女, 海南省海口市人, 学士, 工程师, 主要从事地震前兆观测工作。E-mail:283328457@qq.com

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本文收到日期：2019-11-10
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海南五指山形变台DSQ型水管倾斜仪与VP型垂直摆倾斜仪同震响应对比分析
周雯 1, 李志雄 1, 徐芳芳 2, 李盛 1, 张宁 1     
1. 中国海口 570203 海南省地震局;
2. 中国山东 272400 嘉祥地震监测中心台
本文收到日期：2019-11-10
基金项目：海南省地震局课题（项目编号：HDKJ202008）
作者简介：周雯(1984-), 女, 海南省海口市人, 学士, 工程师, 主要从事地震前兆观测工作。E-mail:283328457@qq.com.
摘要：选取2014-2018年海南五指山形变台DSQ型水管倾斜仪和VP型垂直摆倾斜仪记录的20个地震的同震响应资料，对比分析2套仪器的同震响应特征。结果表明：在震中距相近时，二者响应幅度、同震响应持续时间与震级呈正相关；除少数地震外，在震级相近或相同时，二者地震响应幅度与震中距呈负相关；地震响应延迟时间与震中距有关，二者均呈正相关；对于同一地震，一般VP型垂直摆倾斜仪的最大响应幅度较大，且同震持续时间较长。
关键词：水管仪    垂直摆    同震响应    
Comparative analysis of the co-seismic response between water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter at Wuzhishan Deformation Station in Hainan
ZHOU Wen 1, LI Zhixiong 1, XU Fangfang 2, LI Sheng 1, ZHANG Ning 1     
1. Hainan Earthquake Agency, Haikou 570203, China;
2. Jiaxiang Seismic Monitoring Central Station, Shandong Province 272400, China
Abstract: Co-seismic response data of 20 earthquakes recorded by the DSQ water-tube tiltmeter and the VP vertical pendulum tiltmeter at Wuzhishan Deformation Station in Hainan from 2014 to 2018 are selected to carry out a comparative analysis of co-seismic response characteristics by the two sets of instruments. The results show that when the epicentral distances are close, the response amplitude and duration of the two instruments are positively correlated to the magnitude. Except for a few earthquakes, when the magnitudes are close or the same, response amplitude of water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter is negatively correlated to the epicentral distance. Earthquake response delay time is related to the epicentral distance, they're positively correlated. Usually, the response amplitude of the VP vertical pendulum tiltmeter is larger than that of the water-tube tiltmeter for the same earthquake, and the co-seismic duration is longer.
Key words: water-tube tiltmeter    vertical pendulum    co-seismic response    
0 引言

地倾斜监测以获取地壳形变的几何及物理信息为目的，为地震监测预报研究提供大量有力的依据。近年来，一些专家学者对倾斜仪的同震响应及映震能力开展了相关研究，如：牛安福等（2006）对比分析了不同地震台站同类仪器对强震的同震响应；于庆民等（2015）研究了台站倾斜仪的映震能力并为形变台站场地监测效能及形变仪器布设密度提供依据；张肖等（2016）和胡玮等（2017）对同一地震台站不同仪器的同震响应做了较深入研究；胡宝慧等（2016）分析了不同仪器记录的同震响应随震级、震中距及震源深度变化的特性，认为其同震响应具有较大差异性，可能受仪器参数、当地应力状态及震源区性质的影响。本文选取海南五指山形变台DSQ型水管倾斜仪与VP型垂直摆倾斜仪2014—2018年记录的部分同震响应资料，对比分析2种仪器的同震响应特征。

1 台站概况

五指山形变台位于海南省五指山市冲山镇太平山麓脚下，台站周围基岩裸露，均为花岗岩类，且10 km范围内无大断裂通过，地壳稳定性较好。山洞形状为卧U型，洞顶垂直覆盖层厚度大于60 m，两出口方向一致向西，呈南北并排；洞体长度：北口至U型拐弯处长81 m，U型底长90 m，U型底到南口长102 m，洞内宽度10.5 m，洞高6 m，整个U型洞体总长度273 m；年平均气温22.4℃，相对湿度84%。

2 倾斜仪工作原理及性能

水管倾斜仪的工作原理是：相同的2个容器中，同一液体在相同的气压、温度等条件下，其液面在静止时位于同一水平面上，当地面产生倾斜时，2个容器随之倾斜，从而相对于保持水平的液面产生垂直位移，借助于测微系统精确地测定此位移量，即可换算成地面的倾斜值（国家地震局，1986）。垂直摆倾斜仪的工作原理是：垂直摆倾斜仪摆体为单摆，当地面发生形变时，单摆的平衡位置发生变化形成倾斜微位移，通过传感器将微位移转化成电信号进行测量（肖峻等，2004）。

五指山形变台DSQ型水管倾斜仪和VP型垂直摆安装位置直线距离17.8 m。水管倾斜仪基墩为花岗岩石，EW基线长36.68 m，NS基线长11.43 m，分辨率为0.000 5″，日漂移量＜0.005″，采样率1次/min。垂直摆倾斜仪基墩为花岗岩石，折合摆长10 cm，分辨率为0.000 1″，日漂移0.005″，采样率1次/s。

3 2种倾斜仪同震响应分析

采用五指山形变台2014—2018年DSQ型水管倾斜仪（下文简称水管仪）和VP型垂直摆倾斜仪（下文简称垂直摆）记录的20个地震作为研究样本，震级范围5.6≤M≤7.8，2套仪器响应幅度参数统计见表 1。

表 1 五指山形变台水管仪和垂直摆响应幅度参数统计 Table 1 Statistics of response amplitude of water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter at Wuzhishan Deformation Station

为了对比分析2套仪器对不同震级、震中距相近地震的同震响应特征，选取3次日本地震、2次俄罗斯堪察加半岛地震、2次新不列颠岛地震进行分析。由表 1可见，2套仪器对同一地震的响应不同；相同仪器对于同一地区不同震级地震的响应也不同；不同的地倾斜仪器对同一地震在幅度、延迟时间、震荡时间的响应不同；随着震级的增大，不同仪器或同一仪器，在幅度、延迟时间、震荡时间的响应也不同（杨玲英等，2012）。

（1）最大响应幅度。对比水管仪和垂直摆对20个地震的响应幅度曲线，可知18次地震（占90%）的水管仪响应幅度小于垂直摆，仅有2次地震（占10%）水管仪的响应幅度大于垂直摆（图 1）。

图 1 水管仪、垂直摆震级与响应幅度对比曲线 Fig.1 Comparison of response amplitudes along with earthquake magnitudefor water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter

水管仪和垂直摆的地倾斜响应幅度与震级和震中距有关。当地震震中距相近时，最大响应幅度随着震级的增大而增大，如：3次日本本州地震，震中位置相近，7.1级地震的最大响应幅度最大，6.4级地震次之，6.0级地震则最小；当地震震级相近，且震源深度基本一致时，最大响应幅度随着震中距的增大而减小，如：2017年8月8日四川九塞沟7.0级地震比2016年12月10日所罗门群岛6.9级地震响应幅度大（图 2）。2种倾斜仪最大响应幅度与震级和震中距一般存在以上规律，但也存在震中距大而仪器最大响应幅度也大的震例，这种个例可能与发震构造、震源机制、地震波传播路径的介质有关。

图 2 五指山形变台水管仪东西分量时序曲线 Fig.2 East-west component observation of water-tube tiltmeter at Wuzhishan deformation station

（2）地震响应延迟时间。统计所选水管仪、垂直摆响应延迟时间与震中距关系，结果见图 3，可见：①水管仪和垂直摆的地震响应延迟时间与震中距有较大相关性，随着震中距的增大，延迟时间增长，如：震中距最远的秘鲁沿岸近海7.2级地震（19 470 km），水管仪和垂直摆的响应延迟时间分别为25 min、23 min；震中距最近的云南普洱市墨江县5.9级地震（968 km），水管仪和垂直摆的响应延迟时间分别为4 min、3 min；②水管仪一般比垂直摆对地震的响应延迟时间长。

图 3 水管仪、垂直摆响应延迟时间与震中距关系曲线 (a)水管仪；(b)垂直摆 Fig.3 Relationship between response delay time of water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter and epicentral distance

（3）地震响应持续时间。水管仪和垂直摆的地震响应持续时间与断层体受地震影响程度、地震自身能量和震中距有关。由表 1中3次日本本州地震响应持续时间的对比可知，震级越大，同震响应持续时间越长，且水管仪和垂直摆的地震响应持续时间与震级呈正相关。统计所选水管仪、垂直摆响应持续时间与震级的关系，结果见图 4，可知：强地震引起的震荡时间比中等地震时间长，且垂直摆的地震响应持续时间比水管仪长。

图 4 地震震级与地震响应持续时间关系曲线 Fig.4 Relationship of magnitude with the duration of earthquake response

地震响应持续时间可能与震源深度也有一定关系，如：2次不同震源深度的墨西哥7.1级地震，其中2017年地震的震源深度为50 km，2018年地震的震源深度为10 km，由五指山形变台垂直摆北南分量记录的2次地震变化时序曲线（图 5）可知，震源深度10 km的地震，响应持续时间较长。

图 5 五指山形变台垂直摆北南分量变化时序曲线 Fig.5 The timing diagram of the variation of the north-south component of the vertical pendulum at Wuzhishan deformation station

（4）震中距相近、震级不同的地震同震响应特征。震中距相近，如新不列颠岛6.6级、6.8级地震，五指山形变台水管仪的响应幅度分别为26.71×10-3″、57.61×10-3″，垂直摆的响应幅度分别为47.468×10-3″、70.106×10-3″，可见响应幅度随震级的增大而增大，且由表 1可知，2次地震的响应持续时间随震级增大而延长，而水管仪和垂直摆的同震响应延迟时间接近或者相同。震中距相近的俄罗斯堪察加半岛6.5级和6.7级地震的同震响应特征类似（表 1）。这说明，对于震中距相近的地震，同一观测系统的最大响应幅度、响应持续时间与震级呈正相关。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论。

（1）五指山形变台的DSQ型水管倾斜仪和VP型垂直摆倾斜仪均能记录到同震响应，因为仪器设计和观测原理不同，导致记录的同震形变波信号存在差异。对于同一地震，VP型垂直摆记录的地震最大响应幅度一般较大，可能与仪器的灵敏度和放大倍数有关。

（2）2种地倾斜仪器观测的同震响应持续时间与震级有关，震中距相近，震级越大，同震响应持续时间越长；地震响应延迟时间与震中距有关，震中距越大，同震响应延迟时间越长；与垂直摆相比，水管仪的延迟时间较长。

（3）在震中距相近时，2套仪器的响应幅度、同震响应持续时间与震级呈正相关。除少数地震外，在震级相近或相同时，水管仪、垂直摆的地震响应幅度与震中距呈负相关。

参考文献
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表 1 五指山形变台水管仪和垂直摆响应幅度参数统计 Table 1 Statistics of response amplitude of water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter at Wuzhishan Deformation Station
图 1 水管仪、垂直摆震级与响应幅度对比曲线 Fig.1 Comparison of response amplitudes along with earthquake magnitudefor water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter
图 2 五指山形变台水管仪东西分量时序曲线 Fig.2 East-west component observation of water-tube tiltmeter at Wuzhishan deformation station
图 3 水管仪、垂直摆响应延迟时间与震中距关系曲线 (a)水管仪；(b)垂直摆 Fig.3 Relationship between response delay time of water-tube tiltmeter and vertical pendulum tiltmeter and epicentral distance
图 4 地震震级与地震响应持续时间关系曲线 Fig.4 Relationship of magnitude with the duration of earthquake response
图 5 五指山形变台垂直摆北南分量变化时序曲线 Fig.5 The timing diagram of the variation of the north-south component of the vertical pendulum at Wuzhishan deformation station
海南五指山形变台DSQ型水管倾斜仪与VP型垂直摆倾斜仪同震响应对比分析
周雯 , 李志雄 , 徐芳芳 , 李盛 , 张宁