重力儀一次項系數對重力場動態變化的影響研究

梁偉鋒 劉 芳 祝意青 徐云馬 郭樹松 趙云峰 劉 練

1 中國地震局第二監測中心，西安市西影路316號，710054

《地震重力測量規范》規定，G 型相對重力儀（CG－5、Burris等類型的高精度重力儀也適用此規范）的一次項系數一般每隔3a須使用重力長基線或短基線標定一次。但在相對重力數據的處理工作中發現，CG－5型相對重力儀的一次項系數逐年變化，應每年進行實測標定。在此思路基礎上，利用2011～2013喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的10多個絕對重力值作為基準，運用甘肅、寧夏和河西3個重力網的實測數據［1－6］對各重力儀的一次項系數進行重新解算，然后對3個重力網2011～2013多期的相對重力測量資料進行統一基準的系統性整體解算，獲得南北地震帶北段近年來較大空間尺度的區域重力場動態變化圖像，研究重力儀一次項系數對重力場動態變化的影響及南北地震帶北段重力場動態變化的特征和規律，獲取南北地震帶北段的大尺度重力異常信息，探索重力變化和地殼運動及構造活動和地震發生的關系。

1 資料處理

對南北地震帶北段3個相互獨立觀測和分析研究的寧夏地震重力網、甘肅地震重力網和河西地震重力網2011～2013多期的相對重力測量資料，選取合適的擬穩點，使用基線標定的重力儀一次項系數進行統一基準的系統性整體解算，獲得南北地震帶北段近年來較大空間尺度的區域重力場動態變化圖像。利用2011～2013喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的10多個絕對重力值作為基準，對甘肅、寧夏和河西3個重力網的數據進行儀器一次項的重新解算，然后進行統一基準的系統性整體解算，剔除不穩定的點位，獲得重力場動態變化。

2 南北地震帶北段2011～2013的重力場變化

利用2011～2013喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的13個絕對重力點（西寧、岸門村、西寧基、西寧環2、中衛、靈武、石嘴山、民和、景泰、西安州、雙墩、武都、豆坪）為基準，對甘肅、寧夏和河西3個重力網的數據重新解算儀器的一次項后，再利用新解算的儀器一次項對3個重力觀測網組成的測網進行統一基準的系統性整體經典網平差解算，獲得南北地震帶北段的重力場動態變化。

2.1 半年尺度的重力場變化

圖1（a）顯示，2012－05～2012－10重力變化具有分區特征：1）甘東南總體為正負相間的變化，岷縣地區存在40μGal變化的局部重力異常；2）寧夏地區自南向北出現由負向正的趨勢性變化，并在海原、固原和隆德地區出現局部重力異常區；3）河西走廊地區重力變化不大，在±30μGal以內。

圖1（b）顯示，2012－10～2013－06重力變化非常劇烈，具有以下3個特征：1）甘東南地區重力出現顯著差異運動，臨夏重力正值變化，岷縣、天水重力負值變化，重力差異變化達150μGal，并沿岷縣－隆德形成重力變化高梯度帶，岷縣6.6級地震則發生在重力變化高梯度帶上；2）寧夏地區自南向北出現由正向負的趨勢性變化，并沿固原、隆德出現局部重力異常區及重力變化梯度帶；3）河西走廊地區重力變化不大，在±30μGal以內。

2.2 1a和2a尺度的重力場變化

2011－05～2012－05重力場（圖2（a））反映出，青藏高原深部物質向北東運移過程中出現自西南向東北、由負向正的大空間尺度的趨勢性顯著重力變化，并沿祁連－海原大斷裂帶出現重力變化高梯度帶，該地區具有強地震發生的背景。

圖1 南北地震帶北段半年尺度的重力場變化Fig.1 The gravity varition during half an year scale of northern segment of north－south seismic belt

圖2 南北地震帶北段1a尺度的重力場變化Fig.2 The gravity varition during 1year scale of northern segment of north－south seismic belt

2012－05～2013－06 重力變化比較復雜（圖2（b）），具有以下3個特征：1）甘東南地區重力出現顯著差異運動，臨夏重力正值變化，岷縣、天水重力負值變化，變化差異達150μGal，并沿岷縣－隆德形成重力變化高梯度帶，岷縣6.6級地震發生在重力變化高梯度帶上；2）寧夏地區自南向北出現由負向正的趨勢性變化，在海原、隆德出現與上期反向變化的重力局部異常；3）河西走廊地區在門源－天祝和祁連－民樂出現兩個局部重力異常區，并沿祁連山構造帶出現重力變化梯度帶。

圖3 南北地震帶北段2a尺度的重力場變化Fig.3 The gravity varition during 2ascale of northern segment of north－south seismic belt

2011－05～2013－06重力場（圖3）反映出，青藏高原深部物質向北東運移過程中出現自西南向東北、由負向正的大空間尺度趨勢性顯著重力變化，重力變化非常劇烈，具有以下3個特征：1）甘東南地區重力在自南向北、由負向正的變化過程中，沿岷縣、天水之間形成重力變化高梯度帶，岷縣6.6級地震發生在重力變化高梯度帶上；2）寧夏地區在隆德出現幅值較大的局部重力異常，沿海原、隆德出現重力變化梯度帶；3）河西走廊地區沿祁連斷裂帶出現重力變化高梯度帶，并在門源、天祝發生轉折彎曲。寧夏海原－六盤山斷裂帶及門源－天祝一帶重力變化異常值得進一步跟蹤。

3 重力儀一次項對解算結果及重力場變化的影響

3.1 重力儀一次項的解算結果

本次解算是利用2010年以來喜馬拉雅項目在南北地震帶北段獲得的10多個絕對重力值作為基準，重新進行儀器的一次項解算后獲得的重力場動態變化。結果顯示，LCR－G 型及Burris型金屬彈簧重力儀的一次項較穩定（基本不變），CG－5型石英彈簧重力儀的一次項逐年減小，應每年利用絕對基準進行實測標定。

表1 解算過程中使用的一次項系數Tab.1 The first degree coefficient used in the calculating process

3.2 重力儀一次項系數實測標定前后重力場動態圖像比較

針對重力儀一次項系數基線標定和利用實測資料進行標定，分別對南北地震帶北段2011～2013的重力場變化進行計算，根據計算結果得出重力場動態圖像。

1）2012－05～2012－10期間，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態圖像總的趨勢一致，實測標定后岷縣Ms6.6地震震中附近起伏性變化一致，寧夏地區重力變化量級小于標定前，最大差異運動由160μGal減少到110 μGal（圖4）。

2）2012－10～2013－06期間，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態圖像總的趨勢一致，實測標定后岷縣Ms6.6地震震中附近變化量級小于標定前，最大差異運動由240 μGal減少到150μGal，寧夏地區重力變化量級小于標定前，最大差異運動由190μGal減少到80 μGal（圖5）。

3）2011－05～2012－05期間，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態圖像總的趨勢一致，實測標定后變化量級略小于標定前，最大差異運動由160μGal減少到120μGal（圖6）。

4）2012－05～2013－06期間，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態圖像總的趨勢一致，實測標定后岷縣Ms6.6地震震中附近變化量級小于標定前，最大差異運動由240 μGal減少到150μGal，寧夏北部地區重力變化平緩（圖7）。

5）2011－05～2013－06期間，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態累積圖像總的趨勢一致，實測標定后岷縣Ms6.6地震震中附近變化量級小于標定前，最大差異運動由150μGal減少到100μGal，寧夏北部地區重力變化平緩（圖8）。

圖4 重力儀一次項實測標定前后重力場變化比較（2012－05～2012－10）Fig.4 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－05－2012－10）

圖5 重力儀一次項實測標定前后重力場變化比較（2012－10～2013－06）Fig.5 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－10－2013－06）

圖6 重力儀一次項實測標定前后重力場變化比較（2011－05～2012－05）Fig.6 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2011－05－2012－05）

圖7 重力儀一次項實測標定前后重力場變化比較（2012－05～2013－06）Fig.7 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－05－2013－06）

圖8 重力儀一次項實測標定前后重力場變化比較（2011－05～2013－06）Fig.8 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2011－05－2013－06）

總之，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態圖像總的變化趨勢基本一致，只是實測標定后重力變化的量級有所減小，資料分析更加可靠。至于海原－六盤山斷裂帶附近的重力變化是岷縣6.6級地震的響應還是新地震的前兆，有待進一步分析。

4 結 語

利用絕對重力測量結果對相對重力儀一次項系數進行實測標定后發現，LCR－G 型和Burris型金屬彈簧重力儀的一次項較穩定，基本保持不變；CG－5型石英彈簧重力儀的一次項逐年減小，應每年利用絕對基準對其進行實測標定。

對南北地震帶北段的甘肅、寧夏和河西3個重力網的實測數據進行各重力儀一次項系數解算，再利用計算出的重力儀一次項系數對3個相互獨立觀測和分析研究的重力網2011～2013多期相對重力測量資料進行統一基準的整體解算，獲得南北地震帶北段近年來較大空間尺度的區域重力場動態變化圖像。結果表明，重力儀一次項系數實測標定前后南北地震帶北段重力場動態圖像總的變化趨勢基本一致，只是重力變化量級有所減小，資料分析更加可靠。對于CG－5 重力儀觀測資料，計算分析時應先對實測數據進行一次項系數解算，再利用計算得出的重力儀一次項系數進行平差計算，得到的計算結果更加合理，震情分析更加可靠。

［1］祝意青，徐云馬，呂弋培，等.龍門山斷裂帶重力變化與汶川8.0級地震關系研究［J］.地球物理學報，2009，52（10）：2 538－2 546（Zhu Yiqing，Xu Yunma，LüYipei，et al.Relations between Gravity Variation of Longmenshan Fault Zone and Wenchuan Ms8.0Earthquake［J］.Chinese J Geophys，2009，52（10）：2 538－2 546）

［2］祝意青，梁偉鋒，徐云馬.汶川Ms8.0地震前后的重力場動態變化［J］.地震學報，2010，32（6）：633－640（Zhu Yiqing，Liang Weifeng，Xu Yunma.Dynamic Variation of Gravity Field before and after Wenchuan Ms8.0 Earthquake［J］.Acta Geophysica Sinica，2010，32（6）：633－640）

［3］Zhu Y Q，Zhan F B，Zhou J C，et al.Gravity Measurements and Their Variations before the 2008Wenchuan Earthquake［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2010，100（5B）：2 815－2 824

［4］祝意青，梁偉鋒，湛飛并，等.中國大陸重力場動態變化研究［J］.地球物理學報，2012，55（3）：804－813（Zhu Yiqing，Liang Weifeng，Zhan Feibing，et al.Study on Dynamic Change of Gravity Field in China Continent［J］.Chinese J Geophys，2012，55（3）：804－813）

［5］李 輝，申重陽，孫少安，等.中國大陸近期重力場動態變化圖像［J］.大地測量與地球動力學，2009，29（3）：1－10（Li Hui，Shen Chongyang，Sun Shaoan，et al.Dynamic Gravity Change in Recent Years in China Continent［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29（3）：1－10）

［6］Zhu Y Q，Zhan F B，Zhou J C，et al.Gravity Measurements and Their Variations before the 2008Wenchuan Earthquake［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2010，100（5B）：2 815－2 824