蘭州十里店地震臺連續重力觀測資料分析

史小平 王小娟 王靜波

1）中國甘肅 730046 蘭州觀象臺

2）中國蘭州 730000 甘肅省地震局

0 引言

蘭州十里店地震臺（以下簡稱十里店臺）始建于1987年，是蘭州觀象臺的子臺，觀測設備有DSQ型水管傾斜儀、SS-Y型洞體應變儀、SSY-Ⅱ型洞體應變儀、SSQ-2A型石英水平擺傾斜儀、PET型相對重力儀、SD-3A型測氡儀等。PET型相對重力儀2007年安裝，2008年1月正式觀測，產出的重力觀測資料精度如何，受到哪些干擾因素影響，如何才能獲得更好的觀測資料，在地震預測及科學研究中是否能提供連續、可靠的觀測資料？本文將從潮汐變化和非潮汐變化，對十里店臺重力觀測資料進行系統分析，檢驗其映震效果。

1 觀測資料內在質量檢驗

2008年1月1日蘭州十里店臺重力觀測正式運行，選取2008—2013年重力觀測數據，共3 156 480條分鐘值數據進行研究。

Nakai擬合檢驗是固體潮觀測檢驗內在質量的常用方法。Nakai方法是多項式擬合法，應用Nakai擬合模型，對固體潮整點值觀測數據進行擬合檢驗。 2008—2013年重力觀測資料的Nakai檢驗結果見表1，表中：“組數”表示1年當中參與計算的數據量（兩天數據為1組），E為擬合殘差，計算結果為擬合殘差分布情況。由表1可知：有91.6%的擬合殘差小于1×10-8/s2，表明儀器觀測噪聲比較小，觀測效果較好；2008—2013年，小于1×10-8/s2的擬合殘差逐年增多，表明重力觀測資料總體呈日趨穩定的狀態。

2 潮汐變化調和分析

連續重力觀測數據包含潮汐變化信息，也包含非潮汐變化信息。一般，分析潮汐變化信息主要使用觀測時序值序列進行調和分析。本文采用觀測時序值序列，以48小時為滑動步長，30天為窗長，采用月長度進行調和分析，解算潮汐因子和相位滯后的參數變化。

2008年5月和2008年11月，由于工作人員進洞調試儀器造成較大干擾，M2波計算結果變化較大，為了明顯顯示M2波變化趨勢，繪圖時將兩個月的數據做缺數處理；2013年4月由于停電造成的缺數較多，未對此月數據做調和分析，按缺數處理。

表1 Nakai檢驗結果（單位10-8·s-2）Table1 Results of Nakai tests(Unit:10-8·s-2)

2008—2013年重力資料潮汐因子及相位滯后曲線見圖1。由圖1(a)可見，潮汐因子較穩定，在1.163—1.167變化；個別數據變化較大，如：2008年5月為1.111105、2008年9月為1.171 690、2008年11月為1.138 274、2010年2月為1.158 631、2013年7月為1.171 868。經查證，以上時間均有工作人員進洞檢修、調試儀器。由圖1(b)可見，2011年7月相位滯后，出現大幅異常變化，至2012年8月，滯后幅度是2010年5月至2011年6月的9.1倍；2012年9月相位滯后再次出現大幅異常變化，至2013年6月，滯后幅度是2011年7月至2012年8月的2.2倍；2013年7月異常結束，迅速恢復到正常值上下波動， 7月22日發生甘肅省岷縣、漳縣交界MS6.6地震。

圖1 潮汐變化時序（a）潮汐因子序列；（b）相位滯后序列Fig.1 Time sequences diagram of the tidal changes

3 非潮汐變化漂移分析

非潮汐變化部分包含儀器零漂、人為干擾、自然環境（如氣溫、氣壓和降水量等）干擾、地球內部物理因素干擾（韋進等，2012）。分析非潮汐變化，需要剔除重力觀測數據中的潮汐變化。去除潮汐變化常用的簡單方法是日均值法，可以濾去97%的潮汐成分，分離出的非潮汐信息能客觀反映其趨勢性變化規律。因此，本文直接使用“十五”數據庫中的日均值進行分析。由原始日均值曲線[圖2(a)]可以看出，觀測值受到停電和儀器調試的干擾較大，必須剔除干擾信息，即修正因停電和儀器調試造成的臺階。修正后日均值曲線見圖2(b)。臺站重力觀測受大氣壓效應，為消減其影響，使用氣壓變化值ΔP乘大氣導納常數A作為觀測重力的氣壓改正，A值一般約-0.3×10-8m·s-2/hPa，由氣壓引起的重力變化幅度一般在(2—3)×10-8范圍內（徐建橋等，1999），氣壓改正效果不明顯，因此本文直接采用-0.3×10-8m·s-2/hPa。氣壓修正后重力觀測日均值曲線見圖2(c)，總體呈上升漂移趨勢，2008—2013年共漂移1 967.788×10-8m·s-2，平均每年漂移327.965×10-8m/s2，每月漂移27.330×10-8m·s-2，遠小于重力儀給定的一般每月漂移小于500×10-8m/s2的技術指標，表明儀器彈簧系統工作狀態穩定，觀測資料真實可靠。雖然彈簧重力儀在短期內呈線性漂移規律（韋進等，2012），但由于本文分析2008—2013年重力資料長趨勢漂移，漂移特性呈現非線性特征，故采用一般多項式分段曲線，自動分段進行擬合，殘差時間序列見圖2(d)。由圖2(d)可知：自2009年下半年起，殘差時間序列呈現“冬天變化幅度大，夏天變化幅度小”的規律。

圖2 日均值曲線(a)原始日均值；(b)修正后日均值；(c)氣壓修正后日均值；(d)日均值與一般多項式分段曲線擬合差Fig.2 The average daily value curve

4 高頻擾動映震分析

4.1 高頻擾動

重力觀測的高頻擾動信號，是指疊加在潮汐曲線上，反映地面微弱震動的信息，包含重力地脈動。利用快速傅氏變換（FFT），對離散采樣的重力觀測數據進行頻譜分析，計算重力地脈動頻譜。圖3是2014年1月1日至30日蘭州重力觀測的地脈動曲線及頻譜分析結果，由此可知，地脈動頻率范圍為0.1—0.5 Hz，優勢頻率為0.22 Hz，與其他同類研究結果一致（郝曉光等，2008；尹亮等，2011）。

圖3 頻譜分析(a)時間域；(b)頻率域Fig.3 Spectrum analysis

4.2 映震統計

2008—2013年中國大陸共發生6級以上地震31次，地震參數見表2。其中，在震前10天內出現高頻擾動現象的地震有9次，映震率為29%。

表2 2008—2013年中國大陸6級以上地震參數Table2 The statistics of the epicenter distance above magnitude 6 in Chinese mainland from the year of 2008 to 2013

4.3 震例分析

高頻擾動信號一般出現在地震前10天以內（趙根模等，2001；王新勝等，2013）。2008—2013年中國大陸共發生6級以上地震31次，蘭州重力觀測在震前10天內出現高頻擾動現象的有9次。以2008年5月12日汶川MS8.0地震和2013年7月22日岷縣—漳縣MS6.6地震為例，檢驗蘭州十里店臺重力數據映震情況。利用firls函數設計帶通濾波器，消除固體潮干擾，只保留0.08—0.4 Hz的頻率成分，發現在汶川MS8.0地震和岷縣—漳縣MS6.6地震前10天內均有高頻擾動現象發生。汶川地震前出現典型的喇叭口現象，而岷縣—漳縣地震前出現紡錘狀現象，見圖4。

圖4 濾去固體潮成分的高頻擾動曲線(a)2008年5月1日—31日；(b)2013年7月1日—31日Fig.4 The high frequency disturbance by filters out the solid tide

5 結論

（1）2008—2013年蘭州十里店臺重力觀測受停電、儀器檢修、調試影響，缺記170多小時，形成多次臺階干擾，影響資料分析及應用。剔除潮汐變化和人為干擾，進行氣壓改正和一般多項式分段擬合，發現該臺重力觀測資料顯示長期正向漂移趨勢，重力殘差時序變化趨勢呈現“冬天變化幅度大，夏天變化幅度小”的規律。

（2）蘭州十里店重力觀測資料內在質量較高，主要體現在：①利用Nakai擬合檢驗對觀測資料進行檢驗，發現儀器觀測噪聲較小，觀測效果較好，狀態日趨穩定；②利用維尼狄可夫調和分析方法對觀測資料進行分析，發現潮汐因子較為穩定，精度較高。

（3）通過對蘭州重力2008—2013年的觀測資料分析，認為該觀測映震效果主要體現在相位滯后和高頻擾動上。在2013年7月22日岷縣—漳縣MS6.6地震前，蘭州重力觀測出現明顯的相位滯后異常，與其同臺的洞體應變觀測、水管傾斜觀測和鉆孔傾斜觀測均出現了不同程度的異常變化（姜振海，2013）。在2008—2013年中國大陸共發生6級以上地震31次，其中在震前10天內出現高頻擾動現象的有9次，映震率為29%。

（4）固體潮臺站日常觀測發現，大震前常有高頻擾動信號疊加在固體潮曲線上，我國地震前兆監測將其作為一種“短臨異常”，但此類高頻擾動產生機理尚不清楚，今后將積累更多重力觀測資料，進行詳實分析。

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