强震发生时，同一台站不同测项或不同台站相同测项会记录到同震波形。近年来，部分学者应用频谱分析、时频分析方法对形变同震变化幅度、持续时间、数据曲线形态进行分析，研究发现，VP宽频带倾斜仪比同类倾斜观测仪器更加灵敏，同震曲线信号更加丰富^[1-6]。部分学者对具有同址观测条件的宽频带地震计以及VP宽频带倾斜仪的同震记录进行包括地震学震相识别在内的融合分析^[7-8]，结果表明，VP宽频带倾斜仪与宽频带地震计同震记录具有可靠性与一致性。但以往研究主要是对仪器观测数据特征进行分析，对2套仪器记录差异成因的分析较少。基于前人成果，结合2021-05-22青海省玛多县(98.34°E, 34.59°N)M_S7.4地震的同震波形，对2套仪器进行关于此次地震的数据变化特征、地震学震相形态、频谱特征对比分析，并结合仪器观测参数及仪器结构进行探讨。同时结合区域构造运动的时间进程，判断VP宽频带倾斜仪在大震前能否用于地震异常信息的预测。

1 台站基本情况

安西地震监测站位于甘肃省酒泉市瓜州县，测区位于阿尔金断裂北侧100 km处三危山断裂南侧的NE向挤压破碎带上，多期活动以剪切变形为主，岩层受到应力挤压发育成多种形态的皱曲构造，区域地震活动较为活跃。山洞洞室顶部与侧向覆盖层厚度均大于30 m，岩性为辉岩，岩体坚硬完整，地表以砾石及细砂为主，厚33 m，洞体附近为丘陵地貌和戈壁滩。洞内年平均温度为13.7 ℃，洞室温度变化小于0.5 ℃/a。观测环境均符合《地震及前兆数字观测技术规范》相关要求。

2014-06 VP宽频带倾斜仪安装完成并开始试运行，采样率为1 s，记录频段为(2~3)×10⁷ s。CTS-1地震计安装时间较早，记录频段为0.02~120 s。2种仪器的观测频段部分重叠，VP宽频带倾斜仪更侧重于低频测量，仪器的固有频率决定了其融合分析的科学性和可行性^[8]。青海玛多M_S7.4地震距离安西地震监测站685 km(图 1)，安西台站的测震、形变测项均记录到此次地震的同震波形。

2 数据分析

安西地震监测站VP宽频带倾斜仪在玛多M_S7.4地震(发震时刻02:04)发生后的02:05(7 549 s)记录到同震波形，06:18(22 680 s)左右同震波形结束。该过程中NS分量数据变化幅度为101.01 ms(VP宽频带倾斜仪观测的数据物理量为倾角，单位ms)，EW分量数据变化幅度为129.72 ms(图 2)。NS分量同震效应起始于南倾阶跃变化，EW分量同震效应起始于东倾阶跃变化，随后同震效应转变为连续突跳波动，在不断的振荡过程中由东南方向倾斜逐渐恢复为向西北方向倾斜。倾斜变化大体为西北-东南方向，与震中偏向台站的方位接近。

2.1 资料处理与对比分析

选取05-22 02:00~04:00 VP宽频带倾斜仪数据以及NS向、EW向测震记录数据进行对比分析。考虑到VP宽频带倾斜仪为秒采样，为统一分析，对原有100 Hz采样率的CTS-1地震计数据重采样后进行对比分析，如图 3所示(文中所有地震波形数据速度单位均为10⁶ μm/s，加速度单位均为10⁶ μm/s²)。计算02:00~04:00 VP宽频带倾斜仪秒数据及地震波秒采样数据一阶差分项并取绝对值，分析其变化速率和加速度特征(图 4)。

由图 3、4可见，2套仪器的秒值数据均能记录到清晰的同震曲线，VP宽频带倾斜仪同震曲线及CTS-1地震计地震波曲线的变化幅度均呈现出小-大-小的变化特征。VP宽频带倾斜仪的波形数据呈现出具有一定趋势的“纺锤状”形态特征，同震速率曲线幅度差异较小；CST-1地震计记录的波形数据则呈现“包络状”的形态特征，同震加速度曲线幅度差异明显。2套仪器的变化速率、加速度达到峰值后的衰减时间存在差异，衰减速度也不相同。

2.2 震相记录特征对比

对地震计震相到时进行标注后发现，VP宽频带倾斜仪记录的Pn(02:05:46, 346 s)、Sg(02:07:30, 450 s)及面波(02:07:51, 471 s)均存在突升突降变化(图 5)。由于仪器采样率、响应频带存在差异，因此CST-1地震计的震相同步变化主要以一定周期内的密集波动为主(Pn在地震波NS上较为发育)；VP宽频带倾斜仪同震曲线震相同步变化主要以渐变台阶、突跳为主。该变化特点与朱冰清等^[8]的研究结果一致。从同震震动(倾斜)变化持续时间来看，CTS-1地震计数据在02:06:20(500 s)附近面波达到峰值后迅速进入衰减状态，而VP宽频带倾斜仪的倾斜变化仍然持续。对仪器结构、设计原理、仪器采样率及响应频带的差别进行分析发现，CTS-1地震计设计中包含阻尼模块^[9-10]，而VP宽频带倾斜仪无阻尼模块^[11-12]，因此VP宽频带倾斜仪衰减(振荡)时间较长。

2.3 时频曲线特征

本文基于MATLAB的傅里叶变换和连续小波变换对玛多7.4级地震进行频谱分析及时频分析，得到本次地震的优势频率和时频变化特征。

设φ(t)为一个基本小波，φ_{a, b}(t)为连续小波函数，对于f(t)∈L²(R)，其连续小波变换可表示为：

$ \begin{gathered} \mathrm{WT}_{f}(a, b)= \\ \frac{1}{\sqrt{a}} \int_{-\infty}^{+\infty} f(t) \varphi^{*}\left(\frac{t-b}{a}\right) \mathrm{d} t=\left\langle f, \varphi_{a, b}\right\rangle \end{gathered} $

(1)

式中，a≠0、b、t均为连续变量，φ^*(t)为φ(t)的共轭。

图 6为小波变换得到的2套仪器记录数据的傅里叶变换频谱，由图可见，VP宽频带倾斜仪同震曲线的频率主要分布在0~0.1 Hz，其中VP NS分量优势频率主要在0.06 Hz左右(图 6(a))，EW分量优势频率主要在0.07 Hz左右(图 6(b))；CTS-1地震计数据优势频率主要分布在0.03~0.2 Hz，其中北南道出现3处优势频率，分别在0.03 Hz、0.08 Hz、0.12 Hz附近(图 6(c))，东西道出现4处优势频率，分别在0.047 Hz、0.089 Hz、0.12 Hz、0.16 Hz附近(图 6(d))。VP宽频带倾斜仪与CTS-1地震计频率的EW振幅均大于NS振幅，在各自主要频率分布范围内，VP宽频带倾斜仪频率振幅差异较小，在0.07 Hz附近达到峰值；CTS-1地震计数据主要频率分别在0.03 Hz、0.08 Hz、0.012 Hz、0.17 Hz处达到峰值，振幅差异明显。

为对比2种观测数据频率成分的时间特性，使用连续小波函数进行时频分析。VP宽频带倾斜仪数据时频谱(图 7)中同震效应开始后出现0~0.2 Hz的频率信号，低频信号出现时间早、振幅较小，0.2 Hz左右信号出现延迟，随后信号频率趋于集中。02:33~02:50(2 000~3 000 s)出现最强振幅频率信号，主要集中在0.68 Hz左右，03:06(4 000 s)以后0.02~0.7 Hz的频率信号逐渐减弱。从CTS-1地震计数据时频谱中(图 8)可以看出，地震波开始后频率分布在0~0.5 Hz，北南道在02:07~02:10(450~550 s)出现0.039 Hz、0.08 Hz、0.12 Hz、0.14 Hz四组优势频率，随后优势频率振幅迅速衰减，02:58(3 500 s)左右基本恢复到震前水平。东西道在02:07~02:10(450~550 s)出现0.051 Hz、0.088 Hz、0.12 Hz三组优势频率，随后优势频率振幅迅速衰减，02:58(3 500 s)左右基本恢复到震前水平。

结合震相到时可知，CTS-1地震计优势频率信号(红色强振幅信号)主要集中在地震学震相出现的时段附近，而VP宽频带倾斜仪最强振幅出现在主要震相结束后0.5~1 h内。对比2套仪器结构及频带宽度后发现，VP宽频带倾斜仪位移传感器动块为金属块状摆体，仪器频带宽度为(2~3)×10⁷ s，仪器分辨率为0.001 ms，无阻尼模块^[11-12]，反映在同震曲线频谱图、时频图上为仪器对0.2 Hz以下(周期大于5 s)的信号记录较好，不同震相引起的同震变化振幅集中、衰减慢、变化幅度差异不明显；CTS-1地震计位移传感器动块则为叶簧及质量块，频带宽度为50 Hz~120 s，仪器灵敏度为2 000 count·s·m^-1[9-10]，仪器包含阻尼模块，反映在同震曲线频谱图、时频图上为高频部分信号更加丰富，不同震相引起的同震曲线变化幅度差异明显，时间-频率分布特征与震相变化联系更紧密。

2.4 VP宽频带倾斜仪震前异常信号分析

研究表明，强震前VP宽频带倾斜仪可记录到异常信号^[13-14]。安西地震监测站VP宽频带倾斜仪在2020-01检修EW分量后运行稳定，除标定、调零外无其他明显干扰。选取VP宽频带倾斜仪2020-02~2021-08时均值数据(图 9)进行分析发现，NS分量在2021-04-17~07-31出现倒“V”形变化，EW分量在2021-04-17~05-21出现加速下降变化。在该变化过程中，2021-04-17~05-13 EW分量加速上升，随后转为加速下降；EW分量加速下降结束后趋势减缓，随后05-22发生青海玛多M_S7.4地震(图 9(a)、9(b))。对该时段数据进行时频分析(图 9(c)、9(d))可知，VP宽频带倾斜仪固体潮信号明显，NS、EW分量均具有2.17×10^-5 Hz(周期为12 h)的频率信号(半日潮)，NS分量具有1.194×10^-5 Hz(周期为23 h)的频率信号(日潮)，振幅变化不稳定，EW分量振幅明显。除固体潮这类基础频率信号外，上述分量的异常变化数据反映在时频谱上为同时段出现明显的(1.085~4.340)×10^-6 Hz(周期为64~128 h)低频信号，说明此次异常过程中VP宽频带倾斜仪数据曲线具有正常的固体潮汐背景，在此基础上叠加地质构造变化或区域应力调整引起的长周期应力场变化。由于目前记录的震例较少，后续需要更多震例进行验证。通过上述分析能有效记录到固体潮和区域应力场变化，对未来的地震监测预报具有实际意义。

选取历年仪器正常工作时段日均值数据进行同期对比(图 10)发现，安西地震监测站VP宽频带倾斜仪数据具有一定的年变规律。2月至8月的NS分量呈下降(南倾)趋势，9月至次年2月呈上升(北倾)趋势，EW分量呈长期下降(西倾)趋势。青海玛多M_S7.4地震前打破原有2月至8月向西南方向倾斜的变化趋势，转为快速向西北方向倾斜，05-13恢复为加速向西南方向倾斜，在恢复过程中发生青海玛多M_S7.4地震。依据VP宽频带倾斜仪观测量的倾角角度，建立相应的数学模型反演倾斜平面并进行空间投影，进而研究倾斜面的空间变化特征。

分析2021-04-01~08-31倾斜面相对于2021-01-01的变化情况。由图 11可见，04-17~05-13倾斜面出现由西南方向倾斜转变为西北方向倾斜的逆时针偏转，西北-东南方位的倾角急剧增大，倾角急剧增大的方位与地震震中到台站的方位接近，同时也与同震期间倾斜变化方位接近。地质构造研究表明，甘肃地区构造应力主要来源于青藏高原板块NE向运动，西段最大主压应力轴为NS向^[15]，此次安西地震监测站VP宽频带倾斜仪在震前记录到的倾角急剧增大的方位与震中至台站的方位一致，倾斜旋转变化方向与区域构造应力方向一致。由于安西地震监测站与玛多M_S7.4地震震中跨越了包括东昆仑断裂、柴达木盆地断裂、阿尔金北缘断裂等在内的多条断裂带(图 1)，因此孕震过程中跨断层、跨地块的应力传递规律及仪器响应特征有待进一步验证。

3 结语

1) 2套仪器均记录到青海玛多M_S7.4地震的同震曲线以及测震学定义的Pn、Sg、面波等震相，表明安西地震监测站VP宽频带倾斜仪及CTS-1地震计具有可靠性和一致性。

2) 2套仪器同震记录曲线的频谱图、时频图在频率分布、时频特征方面差异明显，这可能与2套仪器不同的摆体结构、频带宽度、仪器观测灵敏度、阻尼模块等有关。

3) VP宽频带倾斜仪记录到震前异常，该异常倾斜变化特征与区域地质构造具有一致性。

4) 通过同震曲线频谱和震前数据曲线时频分析发现，VP宽频带倾斜仪对中长周期信号的反应较为灵敏，能记录到震前异常信号，可以通过在地震危险区安装VP仪器来捕捉震前地块的预滑、微破裂或慢地震现象，对临震预报具有实际意义。

2套仪器同震记录的一致性表明，可以利用VP宽频带倾斜仪同震记录构建三维地表模型，进行地表倾斜运动反演分析，为地质构造运动特征与地震计地面同震运动反演结果的跨学科融合提供依据。在仪器架设方面，VP宽频带倾斜仪及宽频带地震计同址观测，可进一步排除地倾斜观测数据短临异常中由地震引起的振动干扰。在危险区同址安装VP宽频带倾斜仪及宽频带地震计，可同时满足地震活动性监测和地倾斜异常跟踪的需求，为地震预测、预报提供有价值的参考。

致谢: 感谢嘉峪关地震监测中心站同事在工作中给予的帮助。