gPhone重力仪和VP宽频带倾斜仪同震响应对比

洪旭瑜，刘坚刚，胡淑芳，秦双龙

（福建省地震局, 福州 350003）

0 引言

重力仪和宽频带倾斜仪是众多地形变观测手段中的两种，广泛应用于地形变台站监测，其观测内容是地震监测预报重要研究目标。gPhone重力仪和VP宽频带倾斜仪都是秒采样仪器，gPhone重力仪采用的是美国Micro-g＆Lacoste公司生产的零长弹簧系统相对重力仪，分辨率0.1×10−8ms−2，该仪器具有分辨率高、信噪比好、稳定性强等特点[1]。VP宽频带倾斜仪是由胡国庆教授2010年带领团队研制出的新型仪器[2]，是由柔丝、摆杆和重块3部分组成，利用摆的铅垂原理，将微小位移记录下来，其噪声幅度小于gPhone重力仪[3]。

地震产生的体波（P波和S波）和面波（R波）等高频信息能够被较宽频带（0.1～10 Hz）地震仪器记录到[4]，秒采样gPhone重力仪和VP宽频带倾斜同样能够记录到地震的同震响应信息。周江林等[5]通过gPhone重力仪与STS-2宽频带地震计同震响应波形进行对比分析发现，重力仪同样能够记录到由地震引起的地面运动信息；吕品姬等[3]通过同JCZ-1型超宽频带测震仪记录到的同震信号对比发现，VP宽频带倾斜也能够清晰记录S波及后续面波信息。

本文通过对莆田台gPhone重力仪和VP宽频带倾斜仪记录到地震波的波形特征进行对比，统计并分析两套仪器2018—2020年记录到的所有地震，从震级与震中距关系、同震响应持续时间与响应形态、同震响应最大波幅变化方面进行研究，得出秒采样宽频带倾斜仪与重力仪的映震能力及二者的映震能力差异，可为秒采样地形变仪器在场地监测效能与监测预报的扩展应用提供科学参考。

1 台站及仪器简介

莆田台位于莆田市东岩山南侧，地处福建沿海中部、台湾海峡西岸。台站位于长乐-诏安断裂带中北部，区内地层出露部分有前奥陶系、上侏罗统的长林组、南园组、坂头组以及下白垩的石帽山群火山岩，台站基岩为花岗岩。两套仪器安装在同一个山洞内的不同观测室内，直线距离10 m左右。gPhone重力仪于2017年12月19日起正式运行，VP宽频带倾斜仪于2014年1月20日起正式观测，两套仪器自观测以来数据资料稳定、可靠。秒采样重力仪和宽频带倾斜仪的记震能力，主要反映震级与震中距的关系。为研究方便，本文选取了2018—2020年的地震事件进行统计分析，主要考虑震级和震中距2个影响因素，综合分析对比两套套仪器的观测效能和记震能力。

2 同震响应特征

2.1 同震响应情况

基于中国地震前兆台网数据处理系统地震事件记录，对莆田台VP宽频带倾斜仪和gPhone重力仪2018—2020年两套仪器记录到的地震同震响应事件进行统计分析。宽频带倾斜仪记录到558次地震，少于重力仪记录到599次地震，说明重力仪的映震能力较强，两套仪器记录到地震及其对应的震中距分布特征图（图1）。

图1 莆田台gPhone重力仪与VP宽频带倾斜仪震级-震中距分布特征

从图1两套仪器的震级与震中距分布特征可以发现：①两套仪器记录到的最小地震不一样，但最大地震一样，宽频带倾斜仪记录到最小地震为2018年7月12日1时41分福建三明市明溪县（26.32°N， 117.21°E）发生的3.1级地震，震源深度8 km，震中距205 km；重力仪记录到最小地震为2019年3月13日04时19分台湾台北市（25.02°N，121.70°E）发生的3.8级地震，震源深度141 km，震中距275 km；两套仪器记录到最大地震都是2018年8月19日8时19分在斐济群岛地区(18.08°S，178.06°W)发生8.1级地震，震源深度570 km，震中距8 359 km。②4.0级以下地震，宽频带倾斜仪记录到的地震个数远多于重力仪，从震中距上看，这些地震都属于地方震。这不代表重力仪的记震能力小于宽频带倾斜仪，以地脉动为主的噪声幅度重力仪远大于宽频带倾斜仪，导致宽频带倾斜仪的原始观测曲线显得尤为“光滑”(图2)，一些震级较小的地方震重力仪映震振幅较小，同仪器本身噪声互相叠加导致不够清晰，而宽频带的噪声水平低，其映震振幅能够有较明显的反映。③两套仪器对500 km以内4级地震、2 000 km以内5级地震、8 000 km以内6级地震及全球7、8级地震有反应，对全球6级以上地震，重力仪记录到地震个数多于宽频带倾斜仪，重力仪远震的映震能力大于宽频带倾斜仪，这与前人的研究结果基本一致[6]。④对全球6级以上地震，重力仪记录到地震个数（尤其是远震）远多于宽频带倾斜仪，这可能是由于对于震级较大的远震，地震波信号主要以长周期面波为主，重力仪具有较宽频带，能够记录到这些地震波信号，而宽频带倾斜仪虽然也有较宽频带，但由于“强烈”的地脉动信号几乎完全淹没了地震同震响应面波信号而导致其无法记录到震中距较远的地震[3]，说明重力仪远震的映震能力优于宽频带倾斜仪。

图2 gPhone重力仪和VP宽频带倾斜仪原始观测曲线

2.2 同震响应特征

为了比较重力仪和宽频带倾斜仪的同震响应特征，本文选取8个地震进行分析。分别是2018年6月11日台湾花莲海域和2019年10月8日台湾宜兰海域4.3级地震、2018年12月16日台湾花莲海域和2019年12月18日四川资中县5.2级地震、2020年12月25日菲律宾和2020年12月21日日本本州近海6.3级地震、2020年3月25日千岛群岛和2020年10月20日美国阿拉斯加以南海域7.5级地震。8个地震震级最小4.3，最大7.5，震中距最小323 km，最大7 182 km。莆田台重力仪和宽频带倾斜仪都记录到这8个地震的地震波信号，具体的同震响应参数见表1。分别从波幅、同震响应延迟时间、同震响应持续时间以及响应形态4方面分析重力仪和宽频带倾斜仪对相同震中距不同震级或相同震级不同震中距的同震响应差异。

表1 重力仪和宽频带倾斜仪记录到8个地震的同震响应参数

1）同震响应延迟时间：重力仪和宽频带倾斜仪在同洞室相距10 m左右，对震中距在100 km以上的地震二者都可以视为同址观测点。而8个地震的震中距都在100 km以上，故可视为同址观测点。表1可以看出，两套仪器接收到地震波信号的延迟响应时间都一样，说明P波初动时刻一致，两套设备在1时28分33秒观测曲线出现小幅跳动，即P波到达，在1时32分56秒和1时37分31秒横波S和面波R几乎同时到达，波形一致较好，面波频散现象清晰（图3）；同震响应延迟时间同震中距成正比，相同震级不同震中距，震中距越大，响应延迟时间越长，反之则越短。 这同地震波在地下介质中传播的时间与其传播距离成正比有关，说明延迟响应时间的长短也反映震中距的远近。

图3 gPhone重力仪和VP宽频带倾斜仪记录到日本本州近海6.3地震同震响应特征

2）同震持续时间及响应形态：重力仪和宽频带倾斜仪对不同震级地震的持续响应时间不同，持续时间同震级成正比关系，震级越大同震响应时间越长。2019年10月8日台湾宜兰海域4.3级地震，宽频带倾斜仪约为160 s，重力仪为290 s；2020年3月25日千岛群岛7.5级地震，宽频带倾斜仪约为5 800 s，重力仪为5 900 s。这是因为震级越大，释放出的能量越大，地震波激发时间越长。持续时间同震中距没有必然的联系，同样震级为6.3级，虽然震中距为2 777 km的日本本州近海同震响应持续时间比震中距为1 307 km菲律宾同震响应持续时间短，但是震级为7.5级，震中距为7 182 km美国阿拉斯加近海比同样震级、不同震中距（4 243 km）千岛群岛同震响应持续时间长。对同一地震，重力仪的同震响应持续时间较宽频带倾斜仪长，这是因为重力仪较宽频带倾斜仪具有较宽的频带响应范围[7-8]。无论是小震还是大震，重力仪能够完整地记录到地震波形。从表1可以看出，对于同震响应形态，宽频带倾斜仪6级地震以下的同震响应状态为阶变，6级以上为高频振荡；重力仪5级地震以下的同震响应状态为低频振荡，5级以上全部为高频振荡。这同宽频带倾斜仪主要测量水平方向位移、相对重力仪记录以垂直向为主的地球表面两点间重力差值的仪器特性有关。因此，从同震响应形态看，重力仪同震响应形态高于宽频带倾斜仪。

3）同震响应波幅变化：两套仪器的同震响应波幅同震级成正比关系；波幅同震中距的关系与同震响应持续时间一致，6级以下，震中距越大，振幅越小，6级以上，震中距越远，振幅不一定越小，这是因为较大震级的远震地震波信号通过地球内部不同方向传播的路径不一致引起的。虽然震中距较远，但地震波在地球内部实际传播路径较短，仪器接收到的面波频散衰减速度较慢，振幅较大；而对震中距较近的近震，地震波信号主要是从地表传播，以此引起地表振动而被仪器记录到。由于重力仪同震响应曲线振幅变化的单位量纲同宽频带倾斜仪不同，二者无法进行直接对比。本研究利用表1的同震响应参数计算波幅（F）与响应持续时间（T）之间的相关关系，具体计算公式为：

式中：Cov(T,F)为T与F的协方差；V(T)和V（F）分别为T和F的方差。通过公式计算相关系数r=0.962 5，即波幅（F）与响应持续时间（T）呈高度正相关关系，说明同震响应持续时间越长，波幅越大。前述已知对同一地震，重力仪的同震响应持续时间较宽频带倾斜仪长，根据波幅与同震响应持续时间相关关系，可知重力仪同震响应最大波幅大于宽频带倾斜仪。

3 结论与讨论

通过对2018—2020年莆田台gPhone重力仪和VP宽频带倾斜仪记录到同震响应地震事件进行统计，着重分析了两套仪器对8个地震的同震响应特征，得出以下结论。

1）重力仪记录到地震同震响应事件个数多于宽频带倾斜仪，对4级以下地震映震不明显，但对6级以上地震映震能力较宽频带倾斜仪强, 对全球7、8级以上地震，两套仪器都有明显反应。

2）对不同震中距、震级的地震，重力仪和宽频带倾斜仪记录到P波的初动时刻一致、无差异，但二者对地震的同震响应延迟时间同震中距呈正相关。

3）从同震响应持续时间看，重力仪同震响应持续时间大于宽频带倾斜仪，二者的同震响应持续时间都与震级呈正相关关系，同震中距没有必然联系。

4）从同震响应形态看，对于震级较小地震，宽频带倾斜仪一般表现为阶变，重力仪则为低频振荡，对于震级较大地震二者都表现为高频振荡。

5）从同震响应波幅变化看，相同震中距不同震级时，震级越大，波幅变化越大；相同震级不同震中距时，震中距越大，波幅变化不一定越小。

通过对地震同震响应次数、响应持续时间、波幅变化分析，可知重力仪的同震响应能力优于宽频带倾斜仪。但结论还可进一步强化，这也是本文的不足之处，一是由于重力仪频带噪声幅度大于宽频带倾斜仪，导致对震级较小的地震映震不明显，对其进行降噪处理后，方能清晰看到同震响应特征；二是两套仪器的波幅变化量纲不一致，重力仪测量的是加速度信号，需将其进行二次积分为位移后，同宽频带倾斜仪记录倾斜位移变化量纲相统一，便于比较。