黑龍江重力儀器對松原地震的同震響應分析

李俊秋 張雁翔 周 晨 高雙玲 張思萌

（黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱150090）

重力場是地球基本場之一，重力場隨時間、空間變化。通過對地球重力場的觀測，可研究地球質量的分布、地球運動及地球自身變形規律。因而，重力場時空變化是地球動力學的重要組成部分，對研究地震孕育過程，了解深部地殼環境的變化，十分重要[1]。重力儀是研究固體潮最主要的觀測儀器，PET/gPhone型重力儀是目前世界上應用最廣泛的金屬彈簧重力儀[2]。臺站重力觀測是一種定點觀測方法，觀測記錄中主要成分是固體地球潮汐分量，通過分析獲得非潮汐結果。局部地殼的應變、地震的形成過程、地下流體的運動都將引起地面重力場發生非潮汐變化。隨著對重力固體潮的深入研究，用于重力固體潮調和分析計算的方法和軟件也在不斷地完善，保加利亞的Venedikov 發展的調和分析方法是應用成功的典型。VAV 方法就是在原有方法基礎上發展的新固體潮分析軟件，目前應用較廣。

本文針對2018 年5 月28 日發生在吉林省松原市寧江區的M5.7 級地震，從黑龍江各重力臺站重力儀記錄到的波形的初動、同震形態、最大形變幅度以及同震持續時間等方面研究其對吉林松原M5.7 級地震的同震響應特征，并利用VAV 調和分析方法研究牡丹江臺重力固體潮的非潮汐變化，捕捉其疑似前兆信息。

1 黑龍江重力臺站基本情況

黑龍江省共有2 個重力觀測臺站，分別位于牡丹江和漠河。牡丹江臺觀測儀器為PET 型重力儀、漠河臺重力觀測儀器為gphone 型，兩套重力儀均為美國勞雷公司生產的金屬彈簧相對重力儀，均為秒采樣觀測儀，儀器均可長期觀測而不用調整量程。

黑龍江省重力觀測臺網近兩年整體觀測質量保持穩定。從連續觀測重力數據可見，兩個臺站重力固體潮形態清晰完整，曲線光滑，日動態呈現“雙峰雙谷”的周期性變化，且儀器靈敏度較高，對全球6.0 級左右地震均有較明顯的同震反應。

2 吉林松原M5.7 級地震同震響應特征分析

圖1 黑龍江省各重力臺站重力儀記錄的吉林松原M5.7 級地震觀測曲線圖

北京時間2018 年5 月28 日01 時50 分在吉林省松原市寧江區（北緯45.270，東經124.710）發生了M5.7 源地震，震源深度13km。黑龍江重力臺網2 個臺站2 套重力儀全部記錄到此次地震。黑龍江重力觀測臺網牡丹江臺震中距為392Km、漠河臺震中距927Km。牡丹江臺PET 重力儀01：50- 02：20 記錄到該地震，初動方向向下，同震響應觀測曲線表現形態為震蕩，同震響應最大變化幅度為25035.05 (10-8×m/s2)，持續時間為30min。漠河臺gPhone 重力儀01：50- 02：25 記錄到該地震，初動方向向下，同震響應觀測曲線表現形態為突跳和向下階變，最大變化幅度為5928.91 (10-8×m/s2)，持續時間為35min。各臺站重力儀記錄到的吉林松原M5.7 級地震觀測曲線圖如圖1。

黑龍江重力臺網記錄到這次地震同震響應主要表現形態為震時的曲線脈沖震蕩。牡丹江臺PET 型重力儀記錄的最大同震響應變化幅度比漠河臺gPhone 型重力儀記錄的大很多，原因主要在于牡丹江臺震中距小，能量衰減少，最大同震響應變化幅度就相對較大，此外，地震波傳播路徑及地下地質結構的差異，也會導致地震波能量衰減程度不同，從而記錄的最大同震響應變化幅度也會不同。牡丹江臺和漠河臺兩個臺站記錄到的初動方向均向下，從震源機制解可以判斷，此次事件為走滑型地震，而重力儀記錄到的地震初動方向也恰好與之相對應，綜上可以認為，PET 和gPhone 型重力儀記錄得到的地震波信息頻段與地震儀記錄到的比較接近，初動方向也比較可靠。

3 牡丹江臺重力固體潮殘差異常變化

2018 年5 月28 日21：19 吉林松原 M5.7 級地震發生時，黑龍江部分區域有明顯震感，地震發生后，黑龍江局立即啟動地震應急預案，黑龍江前兆臺網中心對全臺網觀測儀器進行掃描，評價了前兆臺網運行情況，黑龍江重力臺網針對前期產出的事件分析記錄，組織前兆臺網部人員對牡丹江和漠河臺的前3 個月重力測項資料均進行了重新梳理和認真分析，未發現不明原因事件或疑似前兆異常，未填寫預報卡。

針對牡丹江地震臺PET 型相對重力儀2016 至2018 年8 月的連續觀測數據，利用VAV 調和分析方法，去除儀器零漂和氣壓的變化對重力的影響，得到牡丹江重力數據非潮汐變化特征，發現牡丹江固體潮殘差值自2017 年8 月開始出現下降趨勢，下降幅度15 微伽/月，總降幅200 微伽。且自2018 年起，殘差下降速率高于2017 年。

針對此次出現的固體潮非潮汐變化，前兆工作人員進洞檢查，重力儀器未出現底腳繡蝕現象，輔助觀測測項顯示儀器工作正常，儀器墩未出現開裂沉降現象，山洞未出滴水滲漏潮濕現象，未發現明顯的異常。牡丹江臺站10 公里內無大型水庫、河流、大型抽水站等干擾源。臺站山洞直線距離30 米有鄉村公路，經對比其他儀器受過往車輛影響情況下，未對重力觀測造成顯著干擾影響。山洞東南方向自2011 年開始大量興建居民樓，距離測點1 公里左右。該工程目前已建成樓房100 余棟，還在不斷施工，并向測點靠近。但從牡丹江臺周邊開發情況圖圖形對比上看，工程施工對重力觀測影響不大。牡丹江地震臺有氣溫、氣壓和降雨氣象三要素的輔助觀測。從三要素曲線圖可以看出，氣壓和溫度都是年的季節性變化規律，雖然降雨從2017 年以來表現出降雨量增大的特征，但仍然呈現年的季節性變化規律，同時未見人為因素導致的重力非潮汐變化異常，認為此次變化和人為干擾無關。

PET 重力儀的UPS 指示燈正常，從內部溫度氣壓曲線圖可以看出，儀器內溫恒定在53.45℃，但內部氣壓呈下降趨勢，月均下降0.95Pa。牡丹江臺PET 重力儀自2007 年安裝以來，已運轉11 年，服務年限過長，應考慮儀器彈簧工作狀態是否有所變化。在排除自然環境、場地環境及人為干擾后，認為牡丹江臺重力固體潮非潮汐的異常變化與儀器內部氣壓下降有關。

4 結論

黑龍江省重力觀測臺網從2016 年起的近三年整體觀測質量保持穩定。并能記錄到絕大多數地震的同震響應。黑龍江重力臺網記錄到吉林松原M5.7 級這次地震的同震響應表現形態大致相同，僅最大同震響應變化幅度不同。這與震中距、地震波傳播路徑及地質結構都有一定關系，從而導致記錄的最大同震響應變化幅度不同。兩臺站重力儀記錄到的地震初動方向與地震儀記錄到的一致，地震波信息頻段與地震儀記錄到也比較接近。

關于牡丹江臺2017 年7 月起重力固體潮殘差的下降變化，可以排除地震前兆異常的可能，認為與儀器內壓一直呈下降趨勢，儀器彈簧工作狀態變化有關，其相關性有待進一步研究。