高臺地震臺PET重力潮汐參數觀測結果及影響因素的初步分析*

李興堅，李建康，馮紅武，劉小明

(1.甘肅省地震局高臺地震臺，甘肅高臺734300;2.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州730000;3.蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，甘肅蘭州730000)

0 引言

高臺地震臺(以下簡稱高臺臺)重力觀測是在“十五”網絡數字化項目中，安裝架設于2006年6月，觀測儀器為PET相對重力儀。該儀器經過武漢地震研究所改造完善，成為集觀測、數據采集、數據存儲、數據實時監控一體的觀測系統，并增加氣象三要素的觀測，和重力觀測數據一并實現了網絡化的傳輸，PET型重力儀能同時輸出12個輔助測項。同時該儀器自備了UPS電源和銣原子鐘，保證了儀器的正常運轉和時間精度(張新林等，2007)。武漢地震研究所在鷲峰地震臺對該儀器觀測對比發現，儀器在出廠時已經對觀測值進行了格值轉換，而武漢地震研究所的對比觀測格值比例系數為1.005 2，對觀測精度不會產生重大影響，但對潮汐分析還是有一定的影響。從重力技術管理部2008年和2009年的運行報告①http://www.gncc.ac.cn/.顯示，高臺臺重力觀測資料質量較高，觀測資料的各項精度指標達到了國內同類儀器最好水平，可以用于地震監測及科學研究工作。為了更好地提高觀測質量、發揮其在地震監測及科學研究意義，有必要對高臺臺觀測資料進行系統、長期地質量監控，分析影響和制約觀測值質量的干擾因素。

1 高臺臺重力觀測環境

高臺地震臺地處祁連山—河西走廊中部，位于高臺縣城以北7 km，距黑河北岸約2 km。地質構造上位于合黎山—龍首山褶皺帶南緣與走廊斷陷的分解處，河西系高臺—榆木山隆起與祁呂西褶皺外緣與古北西向構造斜撞復合部位。區域地質構造以合黎山—龍首山北西西向隆起帶為主。重力觀測儀器安裝在臺站院內的地下室，觀測臺基巖性為花崗巖。地下室深5 m，通道長17 m，通道內有5道塑鋼門，觀測室內玻璃隔斷。地下室的頂部旁側覆蓋層無植被，覆蓋層厚度小于6 m。

2 數據預處理

為了使數據具有連續性和完整性，對缺值基于理論值進行外推或內插來補齊。根據去除固體潮影響的漂移曲線，區分出隨機錯數和掉格，采用平滑方法改正，對大于限定值的掉格，則采用平推基線法加以改正。為了剔除意外干擾數據對分析結果的影響，采用Nakai擬合檢驗方法逐次對48 h間隔(維尼迪科夫數字濾波器間隔)作擬合檢驗，再用統計方法給出擬合方差的限值，最后在潮汐參數計算時根據各組的方差大小進行合理取舍(唐九安，1981，1990a，b)。

對高臺臺2008年1月1日至2010年12月31日重力觀測值的Nakai檢驗結果顯示:潮汐響應比例因子A=1.151 2，略小于潮汐響應理論平均值1.16;相位誤差B=0.03°，觀測數據擬合均方差的均值SMD=0.68，同時求得漂移模型一次項漂移系數 K1=0.27 ×10－8m·s－2·h－1

3 重力觀測潮汐參數計算結果

在對觀測數據進行預處理后，使用維尼迪科夫數字濾波調和分析方法計算潮汐參數(唐九安，徐敬文，1986;唐九安，1999)，給出了3種時間序列的計算結果。

(1)逐月調和分析結果。逐月計算中對各月的天數約定為:1～4月、6～7月、9～11月都有30 d、5月有30 d(閏年32 d)、8、12月有32 d，由于雙天原因，各月結果的起止日期將有跨月現象，但最多只在月首或月尾跨1 d。每個月結果均列出12個主波群的潮汐參數，其中含6個日波群、5個半日波群、1個1/3日波群。圖1為全日波O1、K1，半日波S2、M2波4個主波群的月序列結果。

(2)年序列調和分析結果，對同一數據文件按年度求解潮汐參數。每年均列出15個主波群的潮汐參數，其中含8個日波群、6個半日波群、1個1/3日波群。表1給出了全日波O1、K1、S1，半日波S2、M2，1/3波M3共6個主波群的年序列結果:全日波 O1、K1、S1波振幅因子分別為1.16、1.14、0.97，全日波中O1、K1波的振幅因子變化平穩，S1波振幅因子變化幅度較大。半日波S2、M2波振幅因子分別為1.151、1.15，兩個波的振幅因子變化平穩，數值非常接近。1/3波M3的振幅因子為1.06，變化平穩。

(3)幾個主波群全序列調和分析結果，對同一數據文件的全系列數據作一次性潮汐參數解算。每個結果均列出了18個主波群的潮汐參數，包含11個日波群、6個半日波群、1個1/3日波群，見表2。

圖1 高臺臺重力觀測月序列潮汐參數Fig.1 Tidal parameters of month series in gravity observation at Gaotai Station

表1 高臺臺重力潮汐參數年度數據調和分析結果Tab.1 Harmonic analysis results of annual gravimetric parameters at Gaotai Station

表2 高臺臺重力潮汐參數全系列數據調和分析結果Tab.2 Harmonic analysis results of all range gravimetric parameters at Gaotai Station

4 潮汐因子穩定性分析

潮汐因子的穩定性可基于O1波和M2波的維尼迪科夫調和分析逐月計算并進行討論，表3給出了不同時段逐月潮汐的統計結果。從表中可以看出，在3年的觀測期間，O1波和M2波潮汐因子變化相對穩定，穩定性在1‰之內。

表3 O1、M2波潮汐因子統計結果Tab.3 Statistics results of tidal factor of O1、M2 waves

5 重力觀測非潮汐變化分析

采用對日均值進行最小二乘擬合來提取非潮汐重力變化信息。非潮汐分析就是利用原始曲線濾掉潮汐和線性漂移部分后對剩余的殘差進行分析的方法。殘差值可表征該觀測點的微重力變化。從高臺臺相對重力觀測日均值曲線(圖2)可以看出，相對重力變化呈傾斜上升變化趨勢。從圖2可以看出，2008～2010年微重力相對變化還是比較大，每年呈現不同的變化趨勢?？傮w特點是，2008年相對呈傾斜性上升變化趨勢;2009年變化相對平穩，略有下降趨勢;2010年完全呈現呈下降趨勢。

高臺地震臺地所在地區北部以祁連山山前斷裂及榆木山、大黃山、文殊山3個隆起的北邊界斷裂為界(可能包括了整個河西走廊構造帶)，并與阿拉善地塊相連;東部以六盤山斷裂、龍門山斷裂和海源斷裂帶相接，與鄂爾多斯地塊相鄰;南邊以東昆侖斷裂為界，與藏北地塊毗連;西北以阿爾金山斷裂為界，與塔里木地塊相接。該地區邊界動力學上是受到阿爾金斷裂左旋剪切、青藏地塊相對向北東推擠，阿拉善地塊相對向南推擠，以及鄂爾多斯塊體的阻擋的共同作用，所造成的巨大左旋運動的構造復合體。正是由于以上邊界斷裂和構造體運動的共同作用，其影響為區域應力的集中分布，也使得該區域重力梯度大，差異運動強烈。高臺重力觀測到得微重力變化明顯差異，反應了該地區重力梯級大，差異運動強烈，構造運動比較劇烈的區域構造應力特點。

微重力變化梯級較大的2008年和2010年，青藏塊體分別發生2008年5月12日汶川8.0級特大地震和2010年4月14日青海玉樹7.1級大地震，而微重力變化較為平穩的2009年，在青藏板塊及周邊未發生7級以上大地震。說明祁連山—河西地區構造的形成、發展、演化及現今活動都和青藏高原的整體活動密切相關，該區的構造應力活動方式等方面都與青藏高原的活動一致。在動力學上主要以青藏塊體向北東向的推擠作用為主。

圖2 高臺臺重力觀測潮汐變化日均值(a)及擬合殘差(b)Fig.2 Daily mean values(a)and their fitting residual(b)of gravimetric parameters at Gaotai station

6 溫度、氣壓對重力觀測的影響分析

溫度和氣壓是對重力潮汐觀測的主要影響因素(唐九安，徐敬文，1986;唐九安，1999;孟曉春，2005;熊仲華，2006)。一般對于像PET重力儀一樣的彈簧重力儀，需要考慮觀測臺站大氣的影響，由于溫度和大氣是相關的，就不考慮溫度的影響。高臺重力觀測山洞保溫性能較差，溫度年變化幅度較大，年變化溫差大約在4℃左右，因為溫度變化與氣壓變化呈正相關性，所以溫差的變化大多來自氣壓變化的影響。為了準確得到氣壓對重力觀測結果的影響，筆者對觀測值與理論值進行殘差計算(圖3)，用重力殘差值與氣壓值做一元線性回歸Y=A+BX，擬合計算了重力潮汐觀測值的殘差值與氣壓的相關系數R、改正系數B的關系。擬合結果為:氣壓對重力觀測的相關系數R為0.299 3，改正系數B為0.12。從圖4中擬合結果可以看出，重力潮汐變化與臺站氣壓的相關性較差，尚不能清楚地反映氣壓對重力觀測產生的影響。高臺重力潮汐觀測自架設以來一直存在趨勢性正向漂移，應該與儀器彈性系統的彈簧變形引起的零漂有關。

圖3 高臺臺重力潮汐觀測值與理論值殘差結果Fig.3 Residuals between observed and theoretical values of tidal gravity at Gaotai Station

圖4 高臺臺重力潮汐殘差值與氣壓一元線性回歸結果Fig.4 Residuals value of tidal gravity and atmospheric pressure linear regression at Gaotai Station

7 結論

通過以上對高臺臺重力觀測資料的研究分析，得出以下結論:

(1)從NAKAI檢驗求得一次漂移系數K1=0.27 ×10－8m·s－2·h－1，結果說明高臺臺重力觀測儀器存在趨勢性正向漂移。

(2)分別對高臺重力觀測資料的逐月、年度以及全系列調和分析計算，獲得了高臺臺重力觀測的各個主波群的潮汐參數。其中月序列M2波潮汐因子平均值為1.154 5，均方差0.001 1，相位滯后0.54°，均方差為0.04。

(3)基于O1、M2波的維尼迪科夫調和分析逐月計算結果分析，3年內O1、M2波潮汐因子變化穩定在1‰之內。這與國家重力臺網中心發布的觀測運行評價月報中高臺臺重力觀測資料M2波精度的統計分析結果基本一致。

(4)通過對重力觀測日均值進行最小二乘擬合，去除固體潮變化，獲得了高臺臺微重力變化信息。從殘差值結果看，高臺重力觀測到微重力變化差異明顯，這種差異變化正好反映了該地區重力梯級大，差異運動強烈，構造運動比較劇烈的區域構造應力特點。2008、2010年微重力變化梯級較大，青藏塊體分別發生了2008年5月12日汶川8.0級特大地震和2010年4月14日青海玉樹7.1級大地震，而2009年微重力變化較為平穩，在青藏板塊及周緣未發生7級以上大地震。這可能說明了祁連山—河西地區構造的形成、發張、演化及現今活動都和青藏高原的整體活動密切相關，該區的構造應力活動方式等都與青藏高原的活動一致。在動力學上主要以青藏塊體向北東向的推擠作用為主。

(5)高臺臺重力觀測呈趨勢性的傾斜變化，一般引起這種傾斜漂移的原因主要有儀器零點漂移、溫度、氣壓等。該儀器自身內部加載了恒溫裝置，進行溫度補償，并采取全封閉結構，進行氣壓改正。通過對重力潮汐觀測值殘差(去掉理論值)與氣壓基于一元線性回歸分析發現，高臺重力潮汐變化與大氣壓力的相關性很差，對重力觀測產生的影響不能清楚反映。而高臺重力潮汐觀測自架設以來一直存在趨勢性正向漂移，應該與儀器彈性系統的彈簧變形引起零漂有關，正是彈簧變形產生的零漂影響遠比氣壓引起的變化大的多，才導致回歸分析結果體現不出氣壓的影響，關于這種漂移現象將進一步做深入研究分析。

感謝甘肅省地震局唐九安研究員在本次研究中給予的悉心指導和幫助。

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