傾斜改正在連續(xù)重力數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用

徐志輝 錢 庚 王建偉

（1、中國(guó)地震局地震研究所（地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），湖北 武漢 430071 2、湖北省地震局，湖北 武漢 430071 3、恩施地震臺(tái)，湖北 恩施 445000）

1 概述

重力儀是獲取地球重力信息的最直接和最重要的儀器之一[1]，20 世紀(jì)30 年代，國(guó)外就已經(jīng)著手研發(fā)地面相對(duì)觀測(cè)重力儀[2]。LaCoste-Romberg 重力儀的問(wèn)世，標(biāo)志著地面連續(xù)重力觀測(cè)精度進(jìn)入微伽級(jí)，早期的LaCoste-Romberg 重力儀分為G 型和D型兩種，其中G 型重力儀的量程約為7000mGal，精度達(dá)到了10微伽，由于其廣泛的量程，因此可以不需要調(diào)整測(cè)程便可在全球范圍內(nèi)使用，而D 型重力儀在G 型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使儀器量程縮減到200mGal，從而使得測(cè)量精度從10 微伽減小到了5 微伽。

然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)要求的減小，人們對(duì)重力儀觀測(cè)精度的要求越來(lái)越高，為了減小儀器觀測(cè)精度，U.Casten 等[3]給D 型重力儀安裝一個(gè)電子反饋系統(tǒng)，用以減小儀器的觀測(cè)精度，但是并未取得預(yù)期中的效果，他們將改進(jìn)集中于用電子水準(zhǔn)器來(lái)替代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)液體水準(zhǔn)器。不同于電子反饋系統(tǒng)，劉冬至等[4]對(duì)G 型重力儀加裝靜電反饋系統(tǒng)，不僅改善了彈性系統(tǒng)的流變性，同時(shí)還削弱了靈敏度對(duì)傾斜的依賴程度。然而這些改進(jìn)都無(wú)法完全消除傾斜對(duì)重力儀器在觀測(cè)過(guò)程中的影響，由于技術(shù)水平的限制，傾斜改正一直難以實(shí)現(xiàn)，gPhone 重力儀的出現(xiàn)使得傾斜改正成為了可能。

本文通過(guò)對(duì)不同地區(qū)不同噪聲水平的gPhone 重力儀原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜改正，然后進(jìn)行預(yù)處理和調(diào)和分析計(jì)算其潮汐因子，對(duì)比分析傾斜改正前后振幅因子標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 傾斜改正及數(shù)據(jù)處理

2.1 傾斜改正

進(jìn)行重力觀測(cè)時(shí)，如果儀器不處于水平狀態(tài)，那么儀器測(cè)量的重力值并不是真實(shí)的重力值，包含著一個(gè)偏移量[5]，而以往的彈簧重力儀其水平參數(shù)的輸出多為模擬信號(hào)，無(wú)法對(duì)儀器的傾斜參數(shù)進(jìn)行改正，這對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度有著一定的影響。gPhone重力儀在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將水平參數(shù)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化記錄[6]，因此可以利用數(shù)字化記錄的縱水準(zhǔn)（long level）和橫水準(zhǔn)（cross level）對(duì)gPhone 重力儀進(jìn)行傾斜改正，以減小其觀測(cè)精度。

2.2 數(shù)據(jù)處理

本文選取林芝和北京這2 個(gè)臺(tái)站的重力原始采樣率數(shù)據(jù)，首先對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜改正，得到傾斜改正后的重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，然后分別對(duì)原始數(shù)據(jù)和傾斜改正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理軟件為Tsoft，它是1997 年比利時(shí)皇家天文臺(tái)Vauterin 研制出的一種用于重力潮汐數(shù)據(jù)預(yù)處理的軟件，該軟件采用圖形交互處理的方式，利用計(jì)算機(jī)的圖形處理能力，直接對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)中的各種干擾進(jìn)行修正，使得預(yù)處理更加的直觀明了，而且預(yù)處理的效果也具有很高的可信度[7-8]。

重力觀測(cè)過(guò)程中，難免會(huì)將地震等信息記錄下來(lái)，除此之外，觀測(cè)過(guò)程中，由于儀器自身的原因，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)尖峰和突跳（又稱階躍）信號(hào)，如果儀器斷電，甚至?xí)?dǎo)致數(shù)據(jù)的缺失，由于gPhone 是秒采樣，數(shù)據(jù)的缺失更為明顯，這些干擾都會(huì)影響數(shù)據(jù)處理結(jié)果的精度。因此在對(duì)數(shù)據(jù)處理之前，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，在不影響觀測(cè)分析結(jié)果精度的條件下，盡可能的將這些干擾去除。

3 結(jié)果分析

重力調(diào)和分析方法就是對(duì)重力潮汐觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行修正，去除各種非重力信號(hào)最大限度的得到準(zhǔn)確的重力信號(hào)。目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的調(diào)和分析方法主要有Baytap-G[9]調(diào)和分析方法，ETERNA[10]分析方法以及VAV[11,12]調(diào)和分析軟件。本文利用VAV調(diào)和分析軟件分別對(duì)林芝地震臺(tái)和北京地震臺(tái)傾斜改正前后的重力值進(jìn)行調(diào)和分析。標(biāo)準(zhǔn)偏差可以作為判斷改正前后潮汐因子的精度，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表明精度越高，反之，則越低。

林芝地震臺(tái)原始重力值和傾斜改正后重力值的調(diào)和分析結(jié)果如表1，在周日波Q1、O1、NO1、K1、J1、OO1 以及半日波2N2、N2、M2、L2、S2，傾斜改正后振幅因子標(biāo)準(zhǔn)偏差都有所降低，其中Q1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00648 減小到了0.00622，O1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00182 減小到了0.00175，NO1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.02587 減小到了0.02481，K1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00254 減小到了0.00244，J1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.01563 減小到了0.01500，OO1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.02864 減小到了0.02750；2N2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00500 減小到了0.00456，N2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00126 減小到了0.00115，M2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00029 減小到了0.00027，L2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00902 減小到了0.00803，S2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00073 減小到了0.00066，M4 從0.45887 減小到了0.45845，M3 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00856 增加到了0.00878。

表1 林芝地震臺(tái)VAV 調(diào)和分析結(jié)果

北京地震臺(tái)原始重力值和傾斜改正后重力值的調(diào)和分析結(jié)果如表2，在周日波Q1、O1、NO1、K1、J1、OO1 以及半日波2N2、N2、M2、L2、S2，傾斜改正后振幅因子標(biāo)準(zhǔn)偏差都有所減小，其中Q1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.04909 減小到了0.04908，O1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.01251 減小到了0.01250，NO1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.20261 減小到了0.20197，K1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00470 減小到了0.00469，J1 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.08181 減 小 到 了0.08177，OO1 從0.30034 減 小 到 了0.30008；2N2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.05863 減小到了0.05850，N2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.01311 減小到了0.01308，M2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00267 減小到了0.00266，L2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.07546 減小到了0.07529，S2 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.00702 減小到了0.00701；M4 從4.31408 減小到了4.28511，M3 標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.09679 增加到了0.09745。

表2 北京地震臺(tái)VAV 調(diào)和分析結(jié)果

4 結(jié)論

從林芝地震臺(tái)和北京地震臺(tái)2 個(gè)地震臺(tái)站的重力儀傾斜改正后預(yù)處理結(jié)果可以得知，傾斜改正可以減小重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度，無(wú)論是周日波還是半日波，傾斜改正后的標(biāo)準(zhǔn)偏差均要小于傾斜改正之前的標(biāo)準(zhǔn)偏差，然而不同臺(tái)站其精度減小各不相同，其中林芝地震臺(tái)改正后的精度要高于北京地震臺(tái)。

然而，結(jié)果顯示林芝臺(tái)和北京臺(tái)同時(shí)出現(xiàn)了傾斜改正后M3波振幅因子標(biāo)準(zhǔn)偏差有所增大的現(xiàn)象，其具體原因尚不明確，需要進(jìn)一步的分析和討論。

總體而言，傾斜改正確實(shí)能夠提高連續(xù)重力數(shù)據(jù)預(yù)處理中的精度，但是由于選取的臺(tái)站數(shù)據(jù)量太小，其他的重力臺(tái)站數(shù)據(jù)是否能夠提高精度尚需進(jìn)一步分析。