北京地震台gPhone重力仪同震响应特征分析

周江林 沈萍 田鑫

1）中国地震局地球物理研究所，北京市海淀区民族大学南路5号 100081

2）北京白家疃地球科学国家野外科学观测研究站，北京市海淀区白家疃 100095

0 引言

利用固体潮汐观测数据可以很好地反映地球固体潮汐的日波、半日波特征及地震孕育过程的中期特征（陈德福等，1995），近年来数字化观测采样率的大幅度提高，丰富了潮汐观测的震前变化信息（张晶等，2003），如地震前短周期的脉动、突跳及前驱波等短临信息及全球大地震的同震形变等（刘洪斌等，2012；蒋骏等，2012）。借助于形变观测有可能建立形变异常与远震的关系或研究远震对形变观测的影响（荆燕等，2007；孙毅等，2005）。相对于其它重力仪，gPhone重力仪的采样周期由以前的小时、分钟提升至秒，因此秒值观测资料给我们提供了更丰富的地震信息（王林松等，2012）。

地震引起的同震形变波包括了地震破裂及传播过程中的大部分信息，因此可用这些同震信息估计地震震源的一些参数（万永革，2007），通过对同震形变波物理性质的研究，有益于认识短临前兆的动力学特性（牛安福等，2005），因此，同震响应已经逐渐成为地震前兆研究的热点之一（陈大庆等，2007；付虹等，2007）。国外对同震响应研究已取得明显进展，特别是在利用重力仪对地震的观测方面（Benioff et al，1961；Neumeyer et al，2002；Riccardi et al，2011；Roult et al，1986；Van Camp，1999）。例如，Niebauer等（http：//www.microglacoste.com）利用位于科罗拉多的5台gPhone重力仪对发生在2006年11月的日本千岛群岛8.2级地震进行观测的结果表明，5台gPhone对地震的响应几乎一致，表现了gPhone重力仪观测质量优秀的一致性。在国内，牛安福等（2005）研究了强地震引起的同震形变响应，还分析了印度尼西亚强地震引起的同震形变波（牛安福等，2006）。张雁滨等（2008）进行了宽频地震计及倾斜仪、重力仪对长周期波动信号的综合观测，周磊等（2013）利用gPhone重力仪的记录研究了汶川8.0级地震高频信号。但尚未见到过往有关采用gPhone重力仪对发生在同一震源位置地震（重复地震）的同震响应研究的报道，也未见对gPhone重力仪与宽频带地震计记录波形的深入分析。因此，笔者采用分辨率高、信噪比好、稳定性强的gPhone重力仪与地震仪记录波形对比来研究同震响应。

本文选取2014年在马鲁古海发生的5次MS＞6.0地震，利用北京地震台gPhone重力仪的观测数据从首波初至、地震频带响应、地震长周期面波、同震变形幅度、同震持续时间等方面分析了重力仪的同震响应特征，并与STS-2宽频带地震计进行了波形对比分析。结果表明，相对宽频带地震计，gPhone重力仪亦能提供丰富的由地震引起的地面运动信息，且独具特性。

1 北京地震台重力观测概况

北京地震台隶属中国地震局地球物理研究所，是国家Ⅰ类台。观测山洞处于京郊燕山地震带上，南倚香峪大梁，北临海淀平原，出露的地层为侏罗系砂岩层，为绿色宁质粗砂或中砂岩，胶结致密、坚硬，成厚层状，地貌上形成陡坎。地势南陡北缓，沟谷发育，排泄条件良好，台站附近没有大的水体（刘端法等，2004）。该观测山洞1978年设计、施工，1982年底竣工投入使用。观测室上覆盖层约为25m，进深约为110m，采用双层被覆，至仪器安装处有5道密封门，洞温约为12.7℃，日变＜0.05℃，年变＜0.5℃，湿度约为70%。2007年5月在洞室内安装了gPhone重力仪，观测资料稳定、可靠、连续。

gPhone重力仪是由美国Micro-g公司生产的金属弹簧相对重力仪，可调测程为7000×10-5m·s-2，直接测程为 100×10-5m·s-2，分辨率为 0.1×10-8m·s-2，仪器每月零漂小于 1×10-5m·s-2，可保证仪器的长期观测而不用调整量程。该仪器核心传感器是Micro-g＆Lacoste公司生产的零长弹簧系统（zero-length spring suspension system）。仪器对 Micro-g＆Lacoste公司传统的G型重力仪进行了升级，增加双层恒温结构，保证仪器不受外界温度变化的影响，同时对内层空间进行真空处理，减少了外部气压变化对仪器的影响。由于gPhone引入了新技术以降低漂移，因此可对非常长周期的信号进行积分（比如以年为单位的固体潮）（韦进等，2012），又由于gPhone对高频信号的响应绝佳，它又可以用来观察非周期性的振动如地震活动（韦进等，2011）。

2 同震响应基本特征

据中国地震台网测定，2014年在马鲁古海共发生5次MS＞6.0地震（表1）。北京地震台的gPhone重力仪都记录到了这5次地震的同震形变波，图1为这5次地震的同震曲线（分钟值残差微伽），同震响应参数见表2。

2014年9月10日10时46分马鲁古海发生MS6.1地震（图1（a）），地震发生前重力仪的观测曲线是光滑的，固体潮汐清晰。在分钟值残差数据序列（图2）中看出，10点53分，即主震发生后8min，重力仪分钟值曲线出现了跳动；随后开始振荡，于11时07分达到最大波峰值459.58×10-8m·s-2；随即大幅度振荡下降，于 11时 09分达到最小波谷值 443.43×10-8m·s-2；11时37分，曲线振荡幅度明显减小，于11时52分基本恢复光滑，回到震前的趋势线上，没有阶跃。同震响应持续时间约57min，振幅大小为16.15×10-8m·s-2。

表1 2014年马鲁古海5次MS 6.0以上强震基本参数

2014年11月15日10时32分马鲁古海发生MS7.1地震（图1（b）），地震发生前重力仪的观测曲线是光滑的，固体潮汐清晰。在分钟值残差数据序列（图3）中可看出，10时39分，即主震发生后7min，重力仪分钟值观测曲线出现突跳；随后开始振荡加剧，于10时52分达到最小波谷值2885.15×10-8m·s-2；之后便大幅度振荡上升，于10时54分达到最大波峰值2991.68×10-8m·s-2；11时46分，曲线振荡幅度明显减小，于14时01分基本恢复光滑，回到震前的趋势线上。同震响应持续时间约201min，振幅为106.53×10-8m·s-2。

2014年11月21、26日和12月21日，该地区又发生3次MS＞6.0地震，北京台重力仪的响应特征均为同震波动振荡（图1（c）～（e））。响应特征见表2。

3 同震波形特征分析

形变前兆观测的数字化使得记录同震形变成为可能，但由于采样的局限性，震时形变波反映的主要是远场面波。同震响应主要集中在面波频段，其主要特征包括面波衰减特征、最大变形幅度及同震持续时间等。

3.1 长周期地震面波

本文以 2014年 11月 15日的MS7.1强震为例，计算了瑞雷面波的理论到时，并与gPhone重力仪记录的面波到时进行对比分析（图4）。随着面波环绕地球的传播，在观测点与震中的全球正向和反向弧途径上会再次出现地震波响应信号。由于震后余震的干扰，致使震后瑞雷波的记录辨别有些困难，但能够比较清晰地看到震后有7个独立的瑞雷面波到达观测点，并且长周期瑞雷波幅值逐渐衰减（图4）。

与STS-2地震计的地震图中记录一致，gPhone重力仪也记录到了一长串近似谐波的波列，即面波（面波一般在震中距超过10°以后出现在地震图中）。面波的振幅和周期在时域上是变化的，到达愈早的波列其周期愈大，表现出正常面波的正频散现象（图5）。

以血钙浓度、血镁浓度、PTH水平为指标绘制倒漏斗图，发现有部分研究散点不在倒漏斗图范围内，分布不对称，提示可能存在发表偏倚；以血磷浓度为指标绘制倒漏斗图，发现各研究散点均在倒漏斗图范围内，分布对称，提示存在发表偏倚的可能性较小（见图11～图14）。进一步行Egger’s检验发现，上述4项指标均未发现存在发表偏倚。逐个剔除纳入研究后进行敏感性分析，发现各项指标剔除前后分析结果均无明显变化，提示结论稳定、可靠。

3.2 最大变形幅度

最大变形幅度是指在仪器本身采样间隔状态下观测到的同震波形幅度最大值（杨婕等，2011）。据牛安福等（2005）研究成果，最大响应幅度与地震震级之间的关系为

图1 北京台gPhone重力仪对马鲁古海5次地震的响应曲线

表2 北京台重力仪对2014年马鲁古海5次强震的同震响应参数

图2 2014年9月10日北京台gPhone重力仪同震响应曲线（分钟值残差数据）

图3 2014年11月15日北京台重力仪同震响应曲线（分钟值残差数据）

其中MS为震级；Amax为测得的最大幅度；Ai为单个的响应幅度。

图4 gPhone重力仪的瑞雷面波记录

从数字观测资料的异常形态（表2）看，北京台重力仪对马鲁古海这5次地震的同震响应均呈脉冲波动式，震级与同震幅度有一定关联。表2给出的6.1级地震的响应幅度明显较小，波幅仅有 16.15×10-8m·s-2；7.1级地震的波幅则最大，达 107.17×10-8m·s-2，基本上反映了震时响应幅度与地震震级之间的正比关系，即震级越大，其响应幅度越高。

3.3 同震持续时间

同震持续时间与观测仪器的分辨率有关，分辨率高的仪器，其记录到的同震变化可能会更长一些。对于同样的观测仪器，震级大的地震释放出的能量更多，同震持续时间则更长，如马鲁古海M6.2地震的同震响应时间约为33min，而M7.1地震的同震持续时间最长，约为201min。这反映出同震响应持续时间与地震震级间有较密切的关系，强地震引起的响应持续时间比中等地震要长。

4 gPhone重力仪与STS-2地震计记录波形的对比分析

在北京台gPhone重力仪观测山洞内，还安装有STS-2宽频带地震计。为更深入分析gPhone重力仪对地震引起的地面运动信息响应，我们将两者的波形数据进行对比分析。因gPhone重力仪原始数据为秒值采样，同样也用STS-2地震计的秒采样频段数据（取垂直向）。2014年11、12月马鲁古海的4次地震，具有几乎相同的发震位置，震中距几乎相等（表1），故可看作是同一地点、同一断层的重复地震，这为验证重力仪的同震响应提供了更好的机会。图5（a）～（d）分别为gPhone重力仪与STS-2地震计记录的这4次地震的波形曲线。

4.1 首波初至

由图5（a）～（d）、图6可以看出，gPhone重力仪记录的这4次地震均能清晰显示初动时刻和方向。初动到时分别为7分21秒、7分20秒、7分21秒、7分20秒（表2）；由于发震位置相同、震中距相等，考虑仪器采样间隔为1s，可以认为初动到时是相同的。这4次地震的震中距约为4350km，地震首波为地幔折射波P，由gPhone重力仪与STS-2地震计垂直向的对比曲线可见，两者的P波初动高度一致（初至到时、初动方向），并且4次（重复）地震的P波到时、初动方向均相同。这表明gPhone重力仪对地震形变波的响应高度灵敏，而且正确。

图5 gPhone重力仪与STS-2地震计同震波形对比曲线

图6 gPhone重力仪与STS-2地震计速度值

4.2 地震频带响应

马鲁古海2014年11、12月4次地震的震中距在40°左右，属远震。远震初至震相为地幔折射波P，一般远震记录到的波包括地幔折射波、地表反射波及转换波、核面反射波及转换波、地核穿透波和面波等。由图5（a）～（d）可以看出，gPhone重力仪对地震频带响应灵敏、丰富，具有较宽的频带。因gPhone的高灵敏特性可以清晰地观察到其记录的同震波形与STS-2记录的地震波在垂直方向上基本一致。在gPhone重力仪时间序列的同震曲线中，P波、PP波、S波与瑞雷面波（通常被标记为R）均能比较清晰地辨别出来，而且能探测到瑞雷波的衰减，并可明显地反映面波频散现象。

5 认识与讨论

2014年9～12月马鲁古海发生5次6.0级以上强震。通过对北京台重力仪记录到的同震形变波资料进行分析，得到以下结论：

（1）2014年9～12月马鲁古海5次M＞6.0地震在北京台gPhone重力仪记录到了每次地震的同震形变波，说明北京台的重力仪对震级较大的远震映震能力很强。

（2）北京台重力仪在马鲁古海这5次强震之后均出现同震脉冲波动，震后曲线快速恢复光滑，回到震前趋势，没有阶跃，漂移速率也未改变。表明该仪器稳定性较好。

（3）对gPhone重力仪与STS-2地震计在地震频带响应、首波初至及面波频散等方面进行比较后发现，gPhone重力仪对地震引起的地面运动信息的反应高灵敏度。记录的地震事件与震源破裂时地震矩释放过程大致吻合，表明具有超大动态量程和高灵敏度的gPhone重力仪记录的高频数据对地震破裂过程研究具有重要意义。

（4）这5次远震都发生在马鲁古海中，震中距几乎相同，同震形变波的初动明显，首波到时也相同。

（5）同震响应的波幅与震级有较强的依赖关系，即震级越大，响应幅度越高；同震持续时间与震级亦有一定关系，巨大远震，脉冲的延续时间较长，观测曲线一般是振荡数小时后恢复光滑，如果还有多个余震，则出现多组脉冲振荡。但两者间无严格的线性关系。

（6）本文的研究还有很多不足之处。由于震例较少，因此对不同震中距地震的响应特征以及对同震持续时间与震级间的关系未作深入研究，这都有待于进一步的工作。