地震活動性監測對絕對重力測量精度分析

盧紅婭 吳 瓊 滕云田 尹晶飛

1）中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2）中國杭州310013 浙江省地震局

0 引言

地震的發生會導致震中一定區域范圍內地下物質的分布狀態發生變化，從而導致該區域重力值發生變化。研究這種區域性地震重力變化，能加深我們對地震發生規律與地震發生前后地下物質結構變化的認識。重力監測作為一種地震預報輔助手段，近年已有大量研究資料，綜合精密的重力儀器監測與合理的儀器組網技術，可以監測這種源自地震的細微重力變化（申重陽等，2009；Yoshiyki Tanaka et al，2010）。

高精度絕對重力測量在地震監測中主要發揮以下作用：①通過多點復測確定區域重力場變化，與流動相對重力測量相比，測量效率高，測量精度高，容易實現目標區域地下重力場變化，為地震預報提供高精度數據資料（張為民等，2008）；②利用高精度絕對重力儀器完成長基線定期復測，以完成對相對重力儀的格值和零漂的標定和修正，提高由相對重力儀構建的重力監測臺網對地震的監測能力（游澤霖，1984；吳雪芳，1995；王林松，2012）；③高精度絕對重力測量數據還可以用于衛星重力測量數據的誤差標定，提高衛星重力數據對大時空跨度地震活動性的監測能力（刑樂林等，2010；Sun W，2010；Stephen H，2012）。

如今，絕對重力不斷拓寬的應用范圍與不斷提升的性能要求，使絕對重力儀的研發成為一項重要的國際攻關項目。美國LaCoste公司生產的FG-5及FG-5X絕對重力儀系統偏差（即絕對精度）為 2μGal（國際單位制下，1μGal=10-8m/s2），準確度為 60μGal，即精度3.75 min，優于1μGal；適用于野外測量的A-10型絕對重力儀測量系統偏差為10μGal（Fukuda Y et al，2010）。FG-5和A-10絕對重力儀應用廣泛，系統偏差和準確度經過不同測量環境的考驗（Sasagawa G et al，1995；Xing L et al，2009），是目前市場化程度較好的絕對重力測量設備。還有很多國家的研究團體致力于不同測量和控制原理的絕對重力儀研發。德國的MPG-2型絕對重力儀系統偏差為38.8μGal（Agostino et al， 2008），中國的NIM-Ⅱ型絕對重力儀系統偏差優于10μGal（郭有光等，1998），也是目前性能較好的兩種絕對重力儀。

近年來我國多家機構專注于自主研發絕對重力儀。中國計量科學研究院研發的NIM-Ⅳ型絕對重力儀致力于高精度、小型和移動性；清華大學T-1型絕對重力儀在背景噪聲較小的類基巖測點12小時內重力測值標準差可優于1μGal，測量結果復現性優于3μGal（胡華，2012）；中國地震局地球物理研究所在2013年研制的新型激光干涉絕對重力儀，在背景噪聲較小的基巖點，實現了系統偏差（－27.46—－30.59）±3.06μGal、2小時精度優于10μGal的測量（滕云田等，2013）?；诓煌瑴y量原理的絕對重力儀設計，可為確定絕對重力儀器自身測量系統偏差和不確定度起到重要作用；在地震領域，可在確定數據觀測質量和落實數據異常等方面起到積極作用。

本文從近年來地震重力資料出發，討論利用絕對重力測量數據觀測不同震級、震中距、時間跨度的重力變化規律，通過統計重力與地下活動性相關的研究資料，討論高精度絕對重力儀的不同應用重點，給出基于實際應用的適配的絕對重力儀精度要求，為自主研發絕對重力儀在地震監測中的適用精度提供參考。

1 與地下活動相關的重力觀測資料

1.1 重力測量異常與數次大地震的對應關系

搜集1996年以來MS> 6.0地震重力資料帶來的μGal級重力數據變化，見表1。給出了9次MS> 6.0大地震基本信息以及震中距不同的儀器記錄的同震重力效應，表中數據均為根據儀器測量精度排除潮汐、誤差后的結果。數據的時間跨度長短不同，但均是以地震發生時間為中點，震后與震前的觀測數據比較所得的重力變化值，其數值精確到0.5μGal。測量儀器中，FG-5系統偏差為1—2μGal；LCR為10μGal；LacosteET-20提供連續重力記錄，精度在10μGal左右；超導重力儀是精度（約0.1μGal）最高的重力儀。

1.2 基于重力與地下活動關系研究的數據資料

（1）1975年2月4日遼寧海城7.3級地震前后，在震中以西不遠處一條剖面上進行重力測量，剖面上兩個測點重力差的測量均方誤差小于40μGal，一年間隔內重力差值最大達352μGal（陳運泰等，1980）。

（2）通過重力經典平差處理，得到了1989年10月大同—陽高地震前后華北地區形變場資料，對形變特征的分析證實山西中南部地區重力趨勢異常（謝覺民，1996）。

（3） 1995年10月6日古冶5.0級地震中，通過精度在60μGal以內的相對重力臺網觀測，經過形變、系統差等各項改正后找到明顯的地震前兆反映（賈民育等，2006）。

（4） 2011年3月11日日本海域9.0級地震前后7天，位于湖北武漢的超導重力儀觀測到了最大為5 mGal的重力異常（王林松等，2012）。

（5）觀測到鄂西渝東塊重力異常值的100 mGal量級變化，據此推斷地質構造變化（楊振武，2003）。

（6）西藏拉薩點在1995—2004年FG-5重復觀測結果給出絕對重力值以-1.82±0.9μGal/a的速率下降，計算轉換得拉薩點該階段的隆升速率為8.7 mm/a（王勇等，2004）。

表1 地震信息與同震重力變化值的統計對應關系Table 1 The corresponding relationships between the earthquake and its coseismic gravity change

圖1 地震信息與重力長期變化值的對應關系Fig.1 The corresponding relationships between theearthquake and its coseismic gravity change

2 資料分析

本文的研究重點在于重力資料是否能滿足地震觀測所需精度?；诒?，可將問題轉化為考察微伽級精度資料是否能反映震級、震中距、時間跨度與重力擾動的普適性關系。

由表1作出震級與重力擾動分布圖，見圖1。由圖可見，若不考慮時間跨度和震中距的差別，對于近震，最長時間跨度為3年，9個MS6.0—9.0地震均產生（1—15）μGal的重力變化。但此時數據未顯示線性特征，即地震活動性引起的重力場變化不僅僅與震級相關。

將時間跨度、震級限定在一定范圍內，考察震中距與最大重力擾動關系，見圖2。圖2（a）中，因時間與震級跨度小，震中距與最大擾動值顯示出明顯的線性特征；而圖2（b）因時間與震級的跨度均較大，線性特征不明顯，但依然表現出隨震中距增大、最大擾動值減小的特征?？梢姡鹬芯嗯c重力擾動呈負相關規律，與實際相符。

圖3是根據GRACE衛星重力數據，將區域尺度限定在100 km內，震級在8.7—9.0內，資料提供的5個數據（有不同地震兩點重合的情況）顯示出隨時間跨度增大、最大擾動增大的特征（無論是否線性），與實際結果相符。

圖2 震中距與最大擾動關系（a）時間跨度1年內7—8級地震；（b） 時間跨度2天至2個月6.1—9.0級地震Fig.2 The corresponding relationships between the distance and its coseismic gravity change

根據分析，精度在1μGal以內的重力數據足以反映6級以上地震近震造成的變化規律。反映在絕對重力儀的要求上，直接觀測中，儀器需達到FG-5的精度時數據才有價值；若要通過控制相對重力值來提供這類觀測數據，絕對重力儀也應至少保持（3—5）μGal精度。

此外，根據標題1.2統計資料給出的研究方向，除直接觀測重力與地震的關系外，精度大于微伽級的數據資料也有其地下活動性方面的研究價值。百微伽級精度的重力數據能為以下情況提供有意義的數據資料：①極遠距離大震或地方震同震重力變化；②以年為單位的重力場長期變化。毫伽精度重力數據能為以下情況提供有意義的數據資料：③遠距離大震在數天內的同震重力變化；④重力場長期緩慢變化，聯系到地質結構特征變化。此外，根據微伽級精度數據能得到以毫米為單位的板塊運動年平均速度。

因為重力資料在地震監測中的局限性及測量難度所限，在研究中并未得到大量同類震例。由于數據量及不同地震特殊性的限制，分析結果僅作為統計參考，地震觀測中重力儀精度可以參考本文建議。

圖3 GRACE重力數據記錄的時間跨度與最大擾動關系Fig.3 The corresponding relationships between the time span and its coseismic gravity change recorded by GRACE data

3 結論

綜上所述，不同測量精度的重力數據可為不同地震的相關研究提供有意義的研究資料。

（1）MS> 6.0的近震（震中距在1 000 km以內）在一年以內引起的同震重力變化約在15μGal以內，因震中距、時間跨度的變化而有所增減。這樣的變化可以通過微伽級重力觀測技術監測。直接觀測的絕對重力儀需達到微伽量級精度，而間接觀測的絕對重力儀精度最低在（3—5）μGal。

（2）大震遠震在數天內或記錄地方震時，重力場變化可達百微伽量級。

（3）拉長時間跨度，同震重力變化會增大。儀器的震中距在大約100 km以內時，以年為單位的重力變化常可達百微伽乃至毫伽量級，資料可用于研究重力場中長期變化。進一步拉長時間跨度，會產生毫伽量級的重力變化，此時可通過研究重力場長期緩慢變化來探測地質結構特征變化。

（4）以mm/a為單位的板塊運動速度的計算要求重力記錄精度在（1—2）μGal。且常使用直接的絕對重力儀觀測值，目前只有FG-5能滿足要求。

在中國，絕對重力儀仍未普及，造成相對重力監測常無法提供足夠精確的地震資料。目前大部分重力儀精度水平能準確提供（2）與（3）所述資料，但少有儀器能滿足（1）與（4）的觀測精度要求，而后兩者正是地震重力和板塊運動研究的重要指標。微伽級精度絕對重力儀的研發和合理的儀器布設，仍然是重力觀測中不可忽視的問題。

陳運泰， 顧浩鼎， 盧造勛. 1975年海城地震與1976年唐山地震前后的重力變化[J]. 地震學報， 1980， 2（1）： 21-30.

郭有光，黃大倫，方永源，等.中國NIM型絕對重力儀及國際絕對重力儀比對[J]. 現代計量測試，1998，6：12-16.

胡華， 伍康， 申磊， 等. 新型高精度絕對重力儀 [J]. 物理學報， 2012， 61（9）：099101-1-8.

賈民育， 馬麗， 劉少明， 等. 首都圈地區地震重力測量數據的統一處理與分析 [J]. 地震學報， 2006， 28（4）： 408-416.

申重陽，李輝，孫少安，等. 重力場動態變化與汶川Ms8.0地震孕育過程[J]. 地球物理學報，2009，52（10）：2 547-2 557.

滕云田， 吳瓊， 郭有光， 等. 基于激光干涉的新型高精度絕對重力儀[J].地球物理學進展，2013，28（4）：2141-2147.

王林松， 陳超， 杜勁松， 王同慶. A10-022絕對重力儀在廬山短基線的測量試驗與分析[J]. 測繪學報， 2012， 41（3）：347-365.

王林松， 陳超， 梁青， 王秋革. 東日本大地震重力信號同震響應 [J]. 武漢大學報， 2012， 37（11）： 1 348-1 351.

王勇， 張為民， 詹金剛， 等. 重復絕對重力測量觀測的滇西地區和拉薩點的重力變化及其意義[J]. 地球物理學報， 2004， 47（1）：95-100.

吳雪芳，等.全國重力聯網和精度評定[J].中國地震， 1995， 11（1）.

謝覺民. 大同陽高地震前后華北地區形變場動態及其演化[J]. 山西地震， 1996， 1（84）： 1-6.

邢樂林， 李輝， 周新， 鄒正波. GRACE衛星重力觀測在強震監測中的應用及分析[J]. 大地測量與地球動力學， 2010， 30（4）：51-54.

楊振武. 鄂西殘留盆地綜合地球物理應用研究[J]. 江漢石油學院學報， 2003， 25（1）： 59-61.

游澤霖， 徐菊生. 精密絕對重力測量在地震研究中的應用[J].地殼形變與地震， 1984， 4（4）：410-414.

張為民， 王勇， 周旭華.我國絕對重力觀測技術應用研究與展望[J]. 地球物理學進展，2008，23（1）：69-72.

Agostino G， Desogus S， Germak A， Origlia C， Quagliotti D et al. The new IMGC-02 transportable absolute gravimeter：measurement apparatus and applications in geophysics and volcanology[J]. Annals of Geophysics， 2008， 51：39-49.

Fukuda Y， Nishijima J， Taniguchi， M. Precision， repeatability and accuracy of A10 absolute gravimeter[C]. American Geophysical Union， fall meeting，2010.

Sasagawa G， Hilt R， Klopping F et al. Introcomparison tests of the FG5 absolute gravity meters[J]. Geophysical Research Letters，1995， 22： 461-464.

Steffen H， Wu P， Wang H. Optimal locations for absolute gravity measurements and sensitivity of GRACE observations for constraining glacial isostatic adjustment on the northern hemisphere[J]. Geophysical Journal International， 2012， 190：1 483-1 494.

Sun W， Wang Q， Li H， Wang Y et al. A reinvestigation of crustal thickness in the Tibetan Plateau using absolute gravity， GPS and GRACE data[J]. Terrestrial atmospheric and oceanic sciences， 2011， 22（2）：109.

Xing L， Li H， Li J et al. Comparison of absolute gravity measurements obtained with FG5/232and FG5/214 instruments[J]. Geospatial information science， 2009， 12（4）： 307-310.

Yoshiyki Tanaka， Aitaro Kato， Takayuki Sugano et al. Gravity changes observed between 2004 and 2009 near the Tokai slow-slip area and prospects for detecting fl uid fl ow during future slow-slip events[J]. Earth Planets Space， 2010， 62 ：905-913.