乾陵地震台DSQ型水管仪与VP型垂直摆仪同震响应对比分析

史春伟 罗词建 路小建 陈嘉选

（1.乾陵地震台 陕西咸阳 713300；2.陕西省地震局 陕西西安 710068）

地壳形变的产生与地震有着千丝万缕的联系。地震的孕育以及发生过程是岩石圈内的一种地球动力学事件［1］。地震引起的同震形变包含了地震破裂及传播过程的大部分信息，利用地倾斜仪观测资料的同震响应特征，可以对地震震源机制解的一些参数进行估算［2］。牛安福等研究了强地震引起的同震形变响应特征［3］；胡玮等就同一地震台站不同仪器的同震响应进行了较为深入的探究［4］；袁曲等指出在地倾斜实际观测应用时，不同台站会因其在构造、介质、电性等方面的条件不同而导致其对应的力扰动响应存在一定差异，同时，不同类型地倾斜仪会因信号存在差异导致数据认识上的不同［5-6］。在此基础上，选取乾陵地震台DSQ型水管倾斜仪和VP型垂直摆倾斜仪记录的10个震例，从响应延迟、最大响应幅度、持续时间等，来分析总结两套仪器的同震响应特征。

1 台站概况

乾陵地震台坐落于我国陕西省中部地区、渭河断陷盆地中段和陕北黄土高原的过渡地区。从其地貌形态上来看，这里属于丘陵沟壑区；从地质构造结构而言，这里属于渭河断陷盆地中段和鄂尔多斯地台南缘的接触带。该台站在关山—口镇断裂带以南，乾县—富平断裂带北侧。基岩为奥陶纪灰岩，水平产状，裂隙。地形变观测山洞处在乾县北乾陵东乳峰之上，自1977年开始开工，至1981年完成，历史4年之久，其进深60m，覆盖20m，山洞总长度120m，呈“T”字型分布，自洞口到仪器室之间配置了4 道船舱密封门，其中，1道为铝合金推拉门，仪器室日温差≤0.03℃，年温差≤0.3℃，相对湿度为91%。从水文气候上来看，乾陵地区年气温在-6～38℃之间，年降雨量为300mm，地下水位线为400m。该台站位于乾陵国家重点文物旅游保护区之内，附近不存在河流、铁路、工矿、企业等明显外力干扰，观测条件比较好。

2 倾斜仪工作原理及性能

水管倾斜仪的工作原理是：根据U 型连通管内液面保持自然水平原理，用连通管将两个盛有一定水量的钵体连接并安装在台基上，借助测微系统，精确地记录两端钵体内水面出现相对高差获取位移量，乘以仪器格值，即为地面的倾斜值［5］。

垂直摆倾斜仪的工作原理是：将一质量块通过吊丝悬挂在支架上组成单摆，在因振动而发生倾斜变化时，分别固定在摆与支架的动片和定片间的间距也会发生相应变化，通过传感器，将微位移转化成电信号进行测量［7］。乾陵台水管倾斜仪基墩为花岗岩石，EW基线长30.74m，NS 基线长30.36m，分辨率为0.0005″，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10cm，分辨率为0.0001″，日漂移0.005″，采样率1次/s。

3 同震响应分析

3.1 资料选取

选取2019—2021年两套仪器记录震真相清晰的10 次地震（见表1），震级范围5.6≤M≤7.4。其中，震级最大、震中最远的为墨西哥的7.4 级地震，震中距为13 848km；震级最小、震中最近的为四川甘孜州石渠县的5.6级地震，震中距为878km。

表1 乾陵地震台水管仪与垂直摆响应参数统计

3.2 响应延迟

响应延迟时间指在观测仪器记录到的响应与地震发生时刻之间的时间差，该时间与地震面波的传播速度及震中距有关［1］。从表1可知，在同一震源下，垂直摆的响应延时时间比水管仪略短，这是因为垂直摆的灵敏度比水管仪高［6］。从图1可知，水管仪、垂直摆响应延迟时间与震中距呈一定的正相关性，震中距越大，地震响应延时时间越长［7］。

图1 水管仪（a）、垂直摆（b）响应延时时间与震中距关系曲线

3.3 最大响应幅度

许多因素都会影响同震幅度，如震级、震中距、发震构造、震源机制、台址环境以及仪器的灵敏度等。其中，最主要的因素是震级，两者呈现正相关，震级越大，释放的能量越多，同震幅度就越大［1］。由表1可知，垂直摆仪记录最大响应幅度远大于水管仪；在同一地震中，垂直摆的响应幅度也比水管仪大。这是由于垂直摆捕捉前兆信息的能力要远强于水管仪，也与水管仪的阻尼小有关［8］。

由图2可知，垂直摆、水管仪的最大响应幅度随震级增大而增大，如5.6级地震，垂直摆、水管仪记录到的最大响应幅度分别为11×10-3″、0.6×10-3″；7.4 级地震，垂直摆、水管仪记录到的最大响应幅度为148×10-3″、60.0×10-3″。相同震级的地震，二者则无规律性。

图2 水管仪、垂直摆最大响应幅度对比

3.4 响应持续

地震响应持续时间长短主要跟断层体受地震影响的程度、地震自身能量以及震中距相关。与水管仪相比，垂直摆仪响应持续时间会更长一点；而两套仪器的地震响应持续时间都会由于震中距增大而变大、会由于震级增大而变大［9-11］。如图3和图4，离乾陵台最近的四川甘孜州石渠县5.6 级地震，震中距为878km，垂直摆、水管仪的地震响应持续时间分别为31min 和5min，最远的墨西哥7.4 级地震，地震持续时间分别为132min和96min。

图3 震中距与地震响应持续时间关系

图4 震级与地震响应持续时间关系

4 结语

（1）在同一个地震下，垂直摆响应延迟时间比水管仪要略短，垂直摆与水管仪的响应延时与震级、震中距成正相关；震级越大，震中距越大，响应延时越长。

（2）水管仪与垂直摆仪均能记录到同震响应，且垂直摆记录到的地震最大响应幅度比水管仪大，这与仪器的灵敏度有关。

（3）地震响应持续时间跟多个因素有关，其中，最主要因素有断层体受地震影响的程度、地震自身能量、震中距等。水管仪与垂直摆仪的地震激响应持续时间与震级成正比关系，震级越大，响应持续时间越长。