周衛(wèi)東，閆勛，牛延平，田野，王娟，蘇小蕓

(蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

洞體傾斜觀測是地殼形變觀測的重要組成部分，現(xiàn)有的洞體傾斜觀測手段主要有DSQ型水管傾斜儀、VP型垂直擺傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀及SSQ-Ⅱ型水平擺傾斜儀等。水管傾斜儀發(fā)展時間長，應用范圍廣，單個分量一般基線長度大于5 m，大部分長度在15～30 m，屬于長基線觀測儀器；擺式傾斜儀占用長度小于1 m，大部分儀器單分量長度小于0.75 m，屬于短基線觀測儀器。

安西地震臺形變觀測山洞有DSQ型水管傾斜儀、VP型垂直擺傾斜儀、SS-Y型伸縮儀和RZB型分量式鉆孔應變儀等多套形變觀測設備，觀測質(zhì)量較好。DSQ型水管傾斜儀于2013年11月安裝，VP型垂直擺傾斜儀于2014年5月安裝，兩套儀器目前運行穩(wěn)定。本文通過分析研究DSQ型水管傾斜儀和VP型垂直擺傾斜儀對不同震中距、震級地震事件的最大響應幅度、響應延遲時間和響應持續(xù)時間，進而對比長短基線儀器在同震響應方面的異同點。

1 臺站概況

安西地震臺(40.51°N，95.80°E)形變觀測山洞位于縣城正東約2 km的戈壁灘上，處在阿爾金斷裂帶北側100 km處，坐落于三危山斷裂帶上，地質(zhì)構造復雜，地震活動強烈，觀測環(huán)境良好。洞室頂部與側向覆蓋都大于30 m，洞內(nèi)巖石為輝巖，巖石比較堅硬完整，主體山脈基本無植被。洞體附近為丘陵地貌和戈壁灘，山洞總長116.8 m，進深96.8 m。因為安西地震臺所處地理位置的原因，全年干旱少雨，年均降水量小于50 mm。洞內(nèi)干燥溫暖，濕度、溫度基本保持恒定，洞內(nèi)平均氣溫13.7 ℃，全年溫度變化小于0.5 ℃。

2 儀器原理及臺站儀器運行情況

VP型垂直擺傾斜儀運用擺的鉛垂原理，擺系由吊絲和重塊組成。垂直擺在沒有振動的條件下處于鉛垂狀態(tài)，當發(fā)生傾斜變化時，擺偏離平衡位置，擺和支架之間的相對位置發(fā)生變化，即電容式位移傳感器的動片(擺)和定片(支架本體)之間的間距也相應的發(fā)生變化,該變化通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號并加以放大,數(shù)據(jù)采集器就可記錄地面傾斜變化情況[1-2]。

DSQ型水管傾斜儀運用連通管內(nèi)水面保持自然水平的原理。當連通管兩端地基出現(xiàn)相對垂直位移時，兩端液面便會相對于儀器缽體發(fā)生變化，液面的變化使固定在浮子上的差動變壓器的鐵芯相對于固定在蓋板上的線圈作垂直移動，這個相對移動借助于位移傳感器輸出一個模擬電壓信號，電壓信號由電纜傳輸?shù)揭欢ň嚯x的測微儀器中，然后按需要分別進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或模擬記錄系統(tǒng)。這樣將東、西、南、北四端的液面變化和“東—西”、“北—南”兩分量的高差變化以數(shù)據(jù)采集器記錄出來。表1給出了兩種觀測儀器的主要技術指標。

表1 觀測儀器主要技術指標

DSQ型水管傾斜儀北南分量方位角338.7°，東西分量方位角67.2°，兩分量基線長度均為16 m。VP型垂直擺傾斜儀北南分量方位角0°，東西分量方位角90°。DSQ型水管傾斜儀和VP型垂直擺傾斜儀分別安裝在進深約76.8 m、72 m的兩個觀測室內(nèi)。VP型垂直擺傾斜儀于2019年8月出現(xiàn)故障，2020年1月維修后恢復觀測，目前儀器運行良好。

3 同震響應特征分析

挑選不同震中距、震級地震事件分析安西地震臺兩套地傾斜觀測儀器對地震的響應特征。由表2可以看出，對不同地震，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄到的最大響應幅度和響應持續(xù)時間是不同的，響應延遲時間大部分也不相同。本研究對表2中9個地震的同震響應特征進行了對比分析。

表2 安西地震臺水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀地震響應幅度參數(shù)統(tǒng)計

圖1給出了水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀最大響應幅度與震級對比曲線。由圖可知，對6次7級以下地震，除西藏日喀則5.8級地震外，垂直擺傾斜儀的最大響應幅度大于水管傾斜儀。而其他3次7級以上地震，水管傾斜儀的最大響應幅度又大于垂直擺傾斜儀。

圖1 水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀最大響應幅度與震級對比曲線

另外，除西藏日喀則5.8級和伊奧尼亞海7.0級地震外，其它7個地震的水管傾斜儀最大響應幅度隨著震級的增大而增大，二者成正比關系。而垂直擺傾斜儀的最大響應幅度卻與地震的震級、震中距有關，例如青海玉樹5.1級地震比西藏日喀則5.8級地震幅度大，拉特群島6.4級地震比菲律賓6.6級地震幅度大，印尼6.8級地震比伊奧尼亞海7.0級地震幅度大。

從圖2可以看出，水管傾斜儀響應延遲時間與震中距成正比。除伊奧尼亞海7.0級地震外，垂直擺傾斜儀響應延遲時間與也震中距成正比，震中距越大，響應延遲時間越大。最遠的阿拉斯加7.2級地震7 329 km，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀的響應延遲時間均為18 min；最近的青海玉樹5.1級地震655 km，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀的響應延遲時間分別為3 min、2 min。對于同一地震，水管傾斜儀比垂直擺傾斜儀的響應延遲時間長或者相近，如科曼多爾群島7.4級地震響應延遲時間分別為15 min、9 min。這可能與水管傾斜儀是通過水流響應，垂直擺傾斜儀是通過吊擺響應，擺的響應速度相比長基線水流速度快一些有關，此結果與曾智輝等人的研究結果一致[3]。

圖2 水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀響應延遲時間與震中距對比曲線

從圖3可以看出，除四川宜賓6.0級地震外，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀的響應持續(xù)時間與地震的震級成正比，震級越大，響應持續(xù)時間越長。對于震級較小的5個地震，垂直擺傾斜儀和水管傾斜儀響應持續(xù)時間相當；而對于其它4個震級較大的地震，垂直擺傾斜儀的響應持續(xù)時間比水管傾斜儀的長很多。這種現(xiàn)象應該與兩種儀器自身阻尼有關(水管傾斜儀的水流動型的阻尼大于垂直擺傾斜儀擺的空氣阻尼)，這與狄樑等[4]的研究結果一致。

圖3 水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀響應持續(xù)時間與震級對比曲線

從表2可以看出，對于震中距相近的地震，如西藏日喀則5.8級和四川宜賓6.0級，印尼6.8級和科曼多爾群島7.4級，水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀最大響應幅度隨著震級的增大而增大，而垂直擺傾斜儀最大響應幅度對拉特群島6.4級和伊奧尼亞海7.0級則相反；水管傾斜儀響應延遲時間隨著震級的增大而增大或相同，垂直擺傾斜儀響應延遲時間隨著震級的增大出現(xiàn)一定的反復，這一情況可能與兩種儀器自身阻尼及自振周期有關，有待進一步研究。

4 結 論

通過對安西地震臺水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄的同震響應進行對比分析，結果顯示：水管傾斜儀記錄地震事件的最大響應幅度與震級成正比，垂直擺傾斜儀記錄地震事件的最大響應幅度與震級、震中距有關；水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄地震事件的響應延遲時間與震中距成正比，震中距越大，響應延遲時間越大；水管傾斜儀和垂直擺傾斜儀記錄地震事件的響應持續(xù)時間與震級成正比，震級越大，響應持續(xù)時間越長。