江苏常熟台VS与VP型倾斜仪观测数据对比分析

刘冬冬，陆德明，狄 樑，钱文杰，丁建国

（江苏省地震局常熟地震台，江苏 常熟215500）

地震的孕育及发生伴随着地壳的形变。在地震预报中，只研究地震前的变化还不够，还必须了解地震本身，地震同震响应是研究地震最直接的资料（牛安福等，2005；付虹等，2007）。近年来许多地震学者通过大量的研究工作得出形变观测仪器具有较强的同震响应能力（吕品姬等，2010；于庆民等，2015；关华等，2010）。江苏常熟台VS型垂直摆倾斜仪于2007年完成安装，并数次成功响应如东附近海域M3.0以上地震；VP型宽频带垂直摆倾斜仪于2014年12月完成安装，属于“十一五”项目的高精度垂直摆倾斜仪；这两套倾斜仪器均位于常熟虞山辛峰亭军用山洞内。通过对这两套摆式倾斜仪器记录的2015～2016年观测资料进行分析，检验两套仪器的同震响应能力，可以为地震预测提供准确的参考资料。

1 台站观测条件

常熟台VS与VP两种类型垂直摆倾斜仪都安装于常熟虞山辛峰亭军用山洞内，靠近无锡—崇明断裂（鲁宗良等，2003），洞体岩石岩性为五通组石英砂岩，岩体完整、致密、坚硬（丁建国等，2008）。山洞进深170 m，洞高2.35 m，宽2.50 m，混凝土全被覆，覆盖厚度20～30 m，常年温度在17.3℃，日温差小于0.01℃，年温差小于0.1℃。VS型垂直摆南北测项方位角均为0°，东西测项方位角均为90°（见图1a）。

1.1 仪器原理及结构

垂直摆倾斜仪运用摆的铅垂原理。垂直摆由柔丝、摆杆和重块三部分组成。垂直摆在没有振动的条件下处于铅垂状态，当发生倾斜变化时，摆平衡位置发生变化，摆和支架之间的相对位置发生变化，电容式位移传感器的动片和定片之间的间距也相应的发生变化，这种变化通过传感器转换成电信号并加以放大，就可将摆的微小位移转换成电信号，由于地倾斜的相对变化量很小，摆的相对偏移量也很小，因此必须有一个高精度的测微系统，测量摆的位置的变化（胡国庆，2008）。

VS型垂直摆倾斜仪与VP型宽频带倾斜仪机械构造基本相同，仪器的机械结构主要由以下六个部分组成：摆系、主体支架、电容位移传感器探头、底座、调平机械和锁摆机构（如图1b）。VS型垂直摆倾斜仪基礅为1.30×1.00×0.35 m3，外加工花岗岩块安装镶锲于磨平完整的石英砂岩基底平面上，用水泥砂浆充填粘接，四周有80×80 mm2减振槽。仪器墩面要求平整，墩面高差在3 mm内，且在墩面的左上方标出正EW，正NS方位线，布设方位角与正北方向。VP型宽频带倾斜仪基礅为1.20×0.60×0.56 m3，镶锲于磨平的完整的石英砂岩基底平面上，用水泥砂浆充填粘接，四周有80×80 mm2减振槽。上覆花岗岩块（1.20×1.00×0.12 m3），连接处用水泥砂浆充填粘接。仪器墩面要求平整，墩面高差在3 mm内，且在墩面的左上方标出正EW，正NS方位线，仪器布设方位角为正北方向。

图1 常熟地震台仪器布设及结构

1.2 常熟台VS型和VP型倾斜仪区别

VP型宽频带倾斜仪是在VS型垂直摆倾斜仪的基础上改进而成的，频带宽度比其它形变仪器的宽度提高20倍以上。VS型垂直摆倾斜仪与VP型宽频带倾斜仪具体参数见表1。从表1中可以看出，VS型垂直摆倾斜仪与VP型宽频带倾斜仪技术指标基本相同，VP型宽频带倾斜仪的秒采样率能记录到VS型垂直摆倾斜仪记录不到的一些高频信号，故受到环境因素的影响也更为明显些。

表1 VS型垂直摆倾斜仪与VP型宽频带倾斜仪具体参数表

2 同震响应能力分析

VS型垂直摆倾斜仪与VP型宽频带垂直摆倾斜仪均是通过传感器将位移变化转化为电信号，由数据采集器实时采集数据并储存，记录观测点地表在地震发生时的倾斜。

2.1 同震响应能力分析

在2015～2016年，VS型倾斜仪共记录到244个地震，其中最大的为2015年4月25日尼泊尔MS8.1级地震，最小的为2015年3月21日黄海MS2.4级地震；VP型倾斜仪共记录到324个地震，其中最大的为2015年4月25日尼泊尔MS8.1级地震，最小的为2015年12月24日黄海MS3.0级地震。从表2、表3和图2可以看出VS型与VP型倾斜仪均可以记录到明显的地震波形，最大响应幅度受震级及震中距的影响，因VP型倾斜仪频带较宽，又是秒采样率，记录的地震波曲线频率明显高于VS型垂直摆倾斜仪；两者响应时间与震中距有关，震中距越大响应时间越长；持续时间与震级成正比关系，与震中距成反比关系，震级越大持续时间越长。据统计，对于VP型倾斜仪，在震级小于5.0的地震中，可以记录到地震的最大震中距为3 218 km；5.0～5.9级地震中，可以记录到的最大震中距为14 110 km；全球6级以上的地震均可以记录到。由于VS型倾斜仪受频带带宽限制，在震级小于5.0的地震中，可以记录到的最大震中距仅为2 037 km；5.0～5.9级地震中，可以记录到的最大震中距为8 210 km；6.0～6.9级地震中，可以记录到的最大震中距为17 366 km；全球要7级以上地震才能记录到。以安徽阜阳4.3级地震和黄海4.0级地震发生为例，VS型倾斜仪的响应幅度明显大于VP倾斜仪的响应幅度，VS型倾斜仪在记录近震时会引起同震阶跃，曲线整体变化比VP型摆倾斜仪明显的多（见图3）。

2.2 VS型与VP型倾斜仪震前异常记录

2016年10月20日射阳发生M4.4地震，9月16日常熟台VS型垂直摆出现急剧往北倾斜的现象，自9月16日03时开始至17日09时，24小时累计倾斜量达到4倍日变幅度，固体潮形态出现突变，地面急剧往北倾斜，9月18日VS型倾斜仪数据恢复到正常固体潮变化形态。经过多方面排查及落实，推测此次变化可能是M4.4地震前的短临前兆异常。

表2 VS型倾斜仪记录典型地震的同震响应参数

表3 VP型倾斜仪记录典型地震的同震响应参数

图2 2016年3月2日印尼苏门答腊M S7.8地震波形

图3 2016年8月6日黄海M S4.0地震波形

受常熟台形变山洞西南方向尚湖降雨蓄水影响，正常状态下降雨，倾斜仪器向西南方向倾斜（丁建国等，2011）。射阳M4.4地震前，VS型倾斜仪突破降雨干扰出现了北倾（见图4a），VP型倾斜仪并未出现北倾，仅表现为以往干扰的西南方向倾斜（见图4b）。根据以往降雨量与倾斜数据统计发现，仪器倾斜幅度与降雨量的比值通常为0.34～0.4，而9月16日VP型倾斜仪的倾斜幅度与降雨量的比值为0.249，说明此次记录信息中可能包含了地震前兆（见图5）。

图4 2016年9月13～19日常熟台VS型垂直摆倾斜仪与VP型宽频带垂直摆倾斜仪对比

图5 2015～2016年VS型与VP型倾斜仪降雨干扰对比

3 结论

通过对同一形变山洞内VS与VP两种型号倾斜仪记录的地震数据进行对比分析，得知：二者均能清楚记录到大于6.0级以上远震和地方震，仪器同震响应能力有较高的一致性。在记录远震时，VP型倾斜仪记录的同震变化振幅明显大于VS型倾斜仪记录的振幅；在记录近震时，VS型倾斜仪会产生同震阶跃，其记录幅度大于VP型倾斜仪的记录幅度。VS型垂直摆倾斜仪的地震前兆表现优于VP型宽频带垂直摆倾斜仪，我们可以直接从形态法中找到异常信号，而VP型宽频带垂直摆倾斜仪应用降雨量定量分析法也可以发现异常信号。