地震是孕育和发生在岩石圈内的一种地球动力学过程及事件。应力在某些特定部位积累，使岩层变形，当超过岩石的强度时突然发生破裂，产生位错，释放能量，激发出地震波^[1]。同震响应主要指地震发生后延迟数分钟到数十分钟内在台站观测到的显著波动和阶跃变化^[2]。地震的同震响应包含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对地震震源的一些参数进行估计^[3]。同震响应的研究是揭示地壳介质对应力—应变过程响应最直接、最有效和最重要的技术手段之一^[4]。

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^[5]，前人在同震响应研究方面已取得了很多成果。例如，陈大庆等^[6]通过对北京良乡、赵各庄井的水位、水温的同震响应对比分析，提出气体脱逸模式，解释了当观测井的水位同震响应以振荡形式出现时，水温同步下降的原因。付虹等^[7]通过对云南49口井在2次印尼巨大地震时记录的水位资料总结分析，认为同一井孔对同一断层上破裂方式一致的大地震的响应方式一致，震级大时地震响应幅度大，震级减小时响应幅度亦减小。周磊等^[8]利用gPhone重力仪的记录研究了汶川8.0级地震高频信号，通过与STS-2宽频带地震计记录数据比较，证明gPhone重力仪记录的高频信号可用于震源破裂过程研究。Niebauer等^[9]利用位于科罗拉多的5台gPhone重力仪对2006年11月千岛群岛8.2级地震的观测数据进行分析，结果表明：5台gPhone对地震的响应几乎一致，表现了gPhone重力仪优秀的一致性。gPhone重力仪因其高精度、宽频带、高采样率、强环境适应性和多场景适用性^[10]成为目前连续重力观测台网的主力观测设备。

2025年1月7日09时05分16秒在西藏日喀则市定日县（28.50°N， 87.45°E）发生M_S6.8地震，震源深度10 km（https://news.ceic.ac.cn/CC2025010 7090516.html）该地震的震源机制解显示为拉张型破裂，发震断层的参数分别为：走向349°，倾角46°，滑动角-103°（https://earthquake. usgs. gov/earth quakes/eventpage/us6000pi9w/moment-tensor）。为了分析该地震对云南gPhone相对重力仪的同震响应特征，对多个台站的同种仪器进行对比分析，以获取不同台站的地震波到时、持续时间、振幅、初动方向等特征，旨在揭示gPhone重力仪对定日地震的同震响应特征及其影响因素。

gPhone重力仪是由美国Micro-g公司生产的金属弹簧相对重力仪，其系统采用协调世界时（UTC）作为时间基准^[11]。采用零长弹簧传感系统作为核心传感器，依据弹簧应力和应变之间的线性关系进行测量，根据标定系统测定应变-应力的关系获得重力场的变化。采集数据包括18个通道，主要通道为重力和气压。具有高精度、低漂移、高采样率、测程大等特点^[11]。沈宁等^[12]通过同址的两种重力仪观测资料对比分析，也证明gPhone重力仪相较于GS-15重力仪有更好的抗干扰能力，并且观测精度优于GS-15重力仪。

本文收集整理云南地区5个台站（昆明、迪庆、云龙、燕子岩、孟连）gPhone相对重力仪所记录到的同震响应信息，分析同震响应的基本特征。图1为定日M_S6.8、迪庆M_S3.3震中及本文选取的云南连续重力台站分布图。

图1 定日MS6.8、迪庆MS3.3震中及云南重力观测站分布Fig.1 Distribution of epicenters of DingriMS6.8 and DiqingMS3.3 earthquakes and gravity observation stations in Yunnan

选取2025年1月7日的观测数据进行分析，目的在于最大程度降低重力场长期变化的影响。在强震发生的短时间内，本研究不考虑大地震引起的地球自由震荡。

数据处理采用国际地球潮汐研究中心推荐的Tsoft预处理软件^[8，13]。首先进行对原始数据中的异常信号进行预处理，包括由仪器突跳、电脉冲等因素引起的尖峰信号，以及地震扰动等导致的错误信号。对于原始观测数据中的间断部分，采用线性内插方法恢复数据的连续性。

本文采用多项式拟合的方法去除漂移，先进行一阶多项式拟合消除日变趋势；然后进行五阶多项式补偿非线性漂移分量。对于台站重力观测的气压改正，通常采用气压变化值ΔP乘以气压响应系数A（Barometric Response Coefficient， BRC），并从观测数据中扣除。气压响应系数A一般在-0.3×10^-8 m·s^-2/hPa到-0.41×10^-8 m·s^-2/hPa之间。由于由气压引起的重力变化幅度通常在（2~3）×10^-8m范围内，气压改正的效果相对有限。本研究采用-0.3×10^-8 m/hPa作为气压响应系数进行校正。在观测数据中，地震高频信号覆盖在长周期的重力潮汐数据上，因此本文采用高通数字滤波的方法剥离潮汐信号（M2波振幅衰减99.2%）和仪器低频噪声。根据长期观测的潮汐数据频率分布特征，以365 cpd（约为0.42×10^-2 Hz）为截止频率进行Butter‐worth高通滤波，去除潮汐信号和其他噪声信号。图2（a）为燕子岩观测站预处理前后的时间序列，2 （b）为5个台站处理后的同震响应波形时间序列。

图2 数据预处理前后时间序列Fig.2 Time series before and after data preprocessing

云南地区连续相对重力观测主要是gPhone相对重力仪，其采样周期从过往的小时、分钟、提升至秒采样，这使得观测资料蕴含了更为丰富的信息，特别是在高频部分^[14]。表1详细罗列了此次地震的同震响应特征以及具体的响应参数，下文从到时、波形形态、振幅、持续时间等进行同震响应特征分析。

表1 云南地区gPhone相对重力仪对定日MS6.8地震同震响应Table1 Response of gPhone relative gravimeterin Yunnan province to the Dingri MS6.8 earthquake

2.1 同震响应开始时间

如表1及图3所示，云龙、燕子岩、孟连3个台站同震响应延迟时间与震中距间呈正相关，这与地震波在地下介质中的传播速度有关。云龙台、燕子岩台和孟连台高程分别为1710、1340和928 m，但记录同震响应开始时刻和震中距成正比，说明同震响应开始时刻与台站高程关系不大。

图3 定日MS6.8地震云南地区5个台站同震响应延迟时间与震中距定量关系Fig.3 Quantitative relationship between co-seismic response delay times and epicentral distances for the Dingri MS6.8 earthquake across five stations in Yunnan

从表1中可以看出，迪庆台在震中距为1203.1 km时，其同震响应开始时刻反而晚于震中距分别为1213.8、1340、1396 km的云龙、燕子岩、孟连3个站点；昆明台gPhone相对重力仪记录同震响应开始时刻则呈现明显滞后。据此推测，迪庆台、昆明台同震响应时间滞后可能仅与仪器时钟钟差有关。

定日M_S6.8地震当天，14时47分43秒在云南迪庆州香格里拉市（28.04°N，99.61°E）发生M_S3.3地震，震源深度10 km，相关重力台站记录同震响应波形如图4所示。迪庆台距震中仅26 km，但其记录初波到时为14:49:51，同震响应延迟128 s，延迟时间与震中距为394 km的燕子岩台相当；昆明台在震中距448 km的情况下，记录初波到时为14:54:01，明显晚于震中距为634 km的孟连台。这进一步佐证了迪庆台、昆明台仪器时钟存在滞后现象。

2.2 同震响应波形形态

由图5（图5为突显波形时序特征，采用时间轴对齐处理，以初波到时前7 min 48 s作为横坐标零点）可以看出，5套gPhone相对重力仪对定日M_S6.8地震的同震响应均呈现振荡型变化模式，且初动方向一致表现为向下。各台仪器记录的波形形态具有高度相似性，均能清晰识别P波、S波及初至面波等主要震相。5套仪器从记录P波到S波、P波到面波的时间差随震中距逐渐增大。震后固体潮曲线迅速恢复光滑形态并回归震前趋势，未出现阶跃性变化且基线漂移速率保持稳定，通过多台仪器响应的同步性证实了该型号仪器具备良好的系统一致性和观测稳定性。各震相到时差的一致性特征与仪器记录的波形保真度，共同构成了评估观测系统性能的重要技术指标，为后续地震波反演研究提供了高质量的基础数据支撑。

图4 香格里拉MS3.3地震云南地区重力台站记录波形Fig.4 Recorded waveforms of the Shangri-La MS3.3 earthquake at gravimetric stations in Yunnan

图5 定日MS6.8地震云南地区5个台站同震响应（时间轴对齐） Fig.5 Co-seismic responses of five stations in Yunnan during the Dingri MS6.8 earthquake（time-aligned）

2.3 同震位移最大振幅、同震响应持续时间

从表1中可以看出，5套gPhone重力仪对定日M_S6.8级地震的同震响应表现出显著的振幅差异性特征，最大振幅从66 596.6×10^-8 m·s^-2到33 742.5× 10^-8 m·s^-2不等。同震响应持续时间除孟连台（157 min）外，其余均在108~122 min范围内。振幅大小、同震持续时间与震中距、高程间均无明显线性关系。这可能一是由于五个台站之间震中距相差并不大，衰减不明显，二是云南地区构造复杂，断裂系统发育导致各个台站的地震波传播路径上地质结构状态不同，三是仪器参数设置差异（各台站重力仪灵敏度微调引入的系统响应偏差）。

但正如上文分析中提到：5套仪器从记录P波到S波、P波到面波的时间差随震中距逐渐增大，其到时差异在系统误差允许范围内。这种震相到时的高度一致性证实了不同台站仪器的动态响应特性和时标精度具有良好等效性，其波形记录的相位特征能够客观反映地震波场的传播过程。

表2 典型地震基本参数Table 2 Typical earthquake parameters

表3 云南地区gPhone相对重力仪对典型地震的初动响应Table 3 The initial motion response of gPhone relative gravimeter to typical earthquakes in Yunnan region

流体观测研究结果显示，受井孔所在地区应力应变环境影响，同一井孔对所有地震的初动响应几乎一致^[7，15-16]；而其他有关研究成果显示，或受制于采样率等原因，存在丢失初动信息的可能^[17-18]；而有关连续重力观测的研究显示，当采样率和观测对象不同时也存在初动信息丢失的情况^[19-20]。前人研究中提及gPhone重力观测所记录的P波初动方向与地震仪记录一致^[22-23]。在测震学科中，观测仪器垂直向初动向下表示地震波到达时，地面颗粒运动方向与P波传播方向相反，即首波为拉张波或台站位于震源断层的拉张区^[24-27]。根据USGS和中国地震局地震预测研究所的研究（TEF）（https://www.ief.ac.cn/kydts/info/2025/92317. htm），定日M_S6.8地震为正断层滑动导致，且兼有一定的走滑分量，传至云南地区的首波为拉张波，对于陆基重力观测来说，重力变化实际上就是地下物质密度的变化。本论文所选的云南5个台站gPhone重力仪对定日M_S6.8地震响应波形初动方向均表现为向下，与USGS的震源机制结果及IEF的同震库仑应力分布较为吻合。

由此推测：拉张波导致地面及地下质点被拉张，地下物质密度减小，影响重力测值减小，表现在观测波形内就是初动向下。为验证猜想，笔者整理近期影响较大的地震，表2为整理的典型地震基本参数及其破裂方式，表3云南地区gPhone重力仪所记录的同震响应波形的初动表现。

图6 菲律宾棉兰老岛MS7.6地震、台湾台南市MS6.2地震震中及云南重力观测站分布Fig.6 The epicenter of the MS7.6 earthquake in Mindanao，Philippines and the MS6.2 earthquake in Tainan，Taiwan， and the distribution of gravity observation stations in Yunnan

3.2 走滑断层同一区域的初动表现

结合表2及表3，2025年3月28日缅甸M_S7.9地震的发震断层为实皆断裂带，此次地震的发震断层走向为1°，断层倾角82°，接近垂直，滑动角接近0°，表现为右旋走滑型破裂。研究站点与地震相对位置如图7，5个站点和发震断层走向夹角为28.6°~80.7°，处于拉张区，初动全部为负。

图7 缅甸MS7.9地震地震震中及云南重力观测站分布Fig.7 The epicenter of the Myanmar MS7.9 earthquake and the distribution of gravity observation stations in Yunnan

3.3 斜滑断层不同区域的初动表现

如表2、表3所列，2023年12月2日01:36云南芒市M_S5.0地震，发震断层走向183.57°，倾角64.71°，滑动角-160.50°，属左旋走滑破裂，相对位置见图8。根据河北省地震动力学重点实验室的研究（https://ses-kled. cidp. edu. cn/info/1084/1486. htm），此次地震震中近处西北侧和东南侧的物质向外涌出，而小部分东北侧和西南侧的物质涌入震中。

图8 芒市MS5.0地震震中及云南重力观测站分布Fig.8 The epicenter of the Mangshi MS5.0 earthquake and the distribution of gravity observation stations in Yunnan

孟连站处于震中144.3°方位，震中距为263 km，在震中东南侧，受涌出物质所挤压，台站接收到的初至波为压缩波，初动为正。燕子岩观测站处于震中81.4°方位，震中距为197 km；云龙站处于震中35.8°方位，震中距为223 km；迪庆台处于震中22°方位，震中距为428 km，3个站点均震中东北侧，震时地下物质涌入震中，导致初波为拉张波，初动为负。

3.5 正断层走向两侧区域的初动表现

2019年04月03日09：52：56台湾台东县（北纬 22.95°，东经 120.87°）发生 5.7 级地震，通过USGS查询（https://earthquake. usgs. gov/earthquakes/eventpage/us2000k9g3/moment-tensor）得到，此次地震发震断层走向126°，倾向34°，倾角-93°，属近正断型地震（图 10）。《福建区域重力台网同震响应特征初析》 ^[19]一文中提到：福建地区分别布设在福州、莆田、泉州、厦门、漳州、龙岩、南平等地的7台gPhone型相对重力仪均记录到该地震，在初动方向分析中，该文作者参考形变仪器认为gPhone重力仪也存在数字化采样导致初动信息丢失情况。但根据本文的分析，南平、福州、莆田、泉州均位于发震断层压缩区一侧，初动向上；龙岩、漳州位于发震断层拉张区一侧，初动向下；厦门站处于震中300.4°方位，与发震断层走向相差仅5.6°，造成初动反向。

图9 漾濞MS6.4系列地震震中及云南重力观测站分布Fig.9 The epicenter of the Yangbi MS6.4 series earthquakes and the distribution of gravity observation stations in Yunnan

图 10 台湾MS5.7地震震中及福建重力观测站分布（数据来源于《福建区域重力台网同震响应特征初析》[19]） Fig.10 The epicenter of the Taiwan MS5.7 series earthquakes and the distribution of gravity observation stations in Fujian[19]

3.6 小结

通过多个震例对比分析，gPhone相对重力仪所记录的同震响应波形初动方向与震源机制和台站所处方位、距离等密切相关，多种因素共同影响初至波的类型。初至波为拉张波则造成地下物质密度减小，影响记录重力值减小，表现在观测波形内就是同震响应初动向下，初至波为压缩波则正好相反。

断层运动为正断或逆断的情况下，情况较为简单。如图 11所示，对于逆断层走向的延长线方向：两侧台站的初动方向相反，其中倾向一侧为应力压缩区，初动方向为正；倾向另一侧为应力拉张区，初动方向为负。正断层与逆断层相反。对于走滑断层，以震中为原点，断层的延长线方向及倾向的延长线方向构成四象限，一、三象限所受应力相同，二、四象限所受应力则与一、三象限刚好相反，造成处于一、三象限方位的台站所记录的初动方向与二、四象限方位的台站相反。

实际分析来看，走滑断层往往会叠加部分正断或逆断分量，且因震中区域的地下物质涌入或涌出，往往会造成同一方位近处和远处呈现相反的应力状态，需结合震源机制、应力分布等具体分析。

图 11 发震断层不同方位的台站记录到的初动方向示意图Fig.11 Schematic diagram of the initial movement direction recorded by stations at different orientations of the seismogenic fault

本文通过云南区域5个台站gPhone重力仪对2025年1月7日西藏定日县M_S6.8地震的同震相应特征分析，对分析中发现的初动方向问题进行猜想，并通过部分震例进行验证，可以得出以下结论。

（1）云南省重力观测台网观测仪器对定日M_S6.8地震均出现同震响应，说明台网观测仪器对地壳重力的改变有较好的记录能力。且初波到时与震中距成正比，即震中距越大，初波到时延迟时间越长。

（2）云南地区布设的5套gPhone相对重力仪对定日M_S6.8地震的同震响应均呈现振荡型变化模式，且初动方向一致表现为向下；波形形态几乎一致。震后曲线快速恢复光滑，回到震前趋势，未出现阶跃性变化且基线漂移速率保持稳定。表明gPhone重力仪观测质量优秀的一致性和稳定性。

振幅差别较大、持续时间无明显关系，这可能一是由于五个台站之间震中距相差并不大，衰减不明显，二是云南地区构造复杂，断裂系统发育导致各个台站的地震波传播路径上地质结构状态不同，三是仪器参数设置差异（各台站重力仪灵敏度微调引入的系统响应偏差）。

（3）迪庆台、昆明台可能未及时更改仪器时钟钟差，造成地震发生时不能准确记录到观测仪器响应时间，建议地震台站人员应定时更新仪器时间。

（4）gPhone重力仪观测到的同震响应初动方向与震源机制有关，同时受到方位角、震中距及距离控制。多种因素共同影响地震初波是拉张波还是压缩波，拉张波影响地下物质密度减小，影响重力仪测值减小，表现在观测波形内就是初动向下转折；压缩波则与之相反。