薊縣地震臺重力儀觀測數據質量與水文響應分析

趙黎明 李恩建 高冰瑩 胡雪琪 彭釗 王建國 朱冰清

（中國天津 300000 天津市地震局）

0 引言

地震臺站重力測量是一種定點觀測。通過對重力加速度進行連續觀測可得到重力潮汐資料，進而可以利用觀測數據開展潮汐或非潮汐變化的研究工作（李盛等，2015）。根據降水和靜水位確定定點重力觀測的水文響應模型，對去除干擾、了解地殼內部物質遷移過程及深部構造活動具有一定意義（Naujoks et al，2010；韋進等，2012；佘雅文等，2015）。佘雅文等（2015）利用BAYTAP-G 軟件對十三陵地震臺gphone 重力儀數據進行處理分析，認為降水可導致μGal 量級的重力加速度變化；馬險等（2017）利用Tsoft 軟件對秭歸地震臺gphone重力儀數據進行處理分析，認為重力儀能夠有效監測三峽水庫庫區蓄水的重力響應。Tanaka（2010）使用2 臺gPhone 獲取的重力加速度殘差時間序列較好地反映了重力加速度變化與降水間的關系，并用Kazama 建立的水文模型較好地模擬了重力加速度的變化。本文利用Data PreProcess4 Singal 軟件對薊縣地震臺同臺址不同型號的2 套重力儀觀測數據進行處理，評價觀測資料質量，并在此基礎上分析連續重力觀測的水文響應特征。

1 臺站簡介

薊縣地震臺在首都圈中東部、“燕山沉降帶”的“京東臺凹”北部，是全國定點地殼形變基本臺。該臺地處燕山山脈與華北平原接壤地帶，位于震旦系石灰巖上，該區域地貌上屬山前丘陵平原地。臺站位于山的南坡山麓，海拔高程65 m，向南約2.5 km 為面積120 m2、庫容2 億—3 億m3的于橋水庫，附近斷裂構造較復雜，與其關系較密切的有薊縣山前斷裂、楊莊斷裂、黃崖關斷裂等，臺站位置見圖1。

圖1 臺站位置Fig.1 Distribution of stations

薊縣地震臺有2 套重力儀，分別為GS-15 型相對重力儀（簡稱GS-15 重力儀）、DZW型相對重力儀（簡稱DZW 重力儀）。GS-15 重力儀1999 年由寶坻搬至薊縣進行觀測，隨著“十二·五”項目的建設，薊縣地震臺院內新建460 m 長的觀測山洞，2017 年安裝了DZW重力儀，2018 年1 月1 日起正式觀測。GS-15 重力儀為分鐘值采樣，安裝在基巖觀測墩上，頂部覆蓋層15 m，距洞口60 m。DZW 重力儀為秒采樣觀測儀器，安裝在高標號水泥墩子上，距洞口約105 m。2 套儀器分別位于臺站院內的2 個山洞內，2 套儀器相距不足100 m，地質、地理環境一致。

2 觀測資料質量

觀測質量指標包括連續率、完整率、M2波潮汐因子中誤差等。為科學合理地評價薊縣地震臺2 套重力儀觀測資料的質量，選取2018—2019 年薊縣地震臺GS-15、DZW 重力儀觀測數據，統計數據連續率、完整率、M2波潮汐因子中誤差等進行檢驗。

2.1 一般性評價

統計2018—2019 年薊縣地震臺GS-15、DZW 重力儀觀測數據的連續率、完整率，結果見表1。

表1 薊縣臺重力儀觀測數據連續率、完整率（單位：%）Table 1 Statistics of continuous rate and complete rate of observation data of two sets of gravimeters at Jixian Station

由表1 可見，2018 年DZW 重力儀數據連續率、完整率均低于GS-15 重力儀，調取日志檢查發現，DZW 重力儀所在山洞因電源不穩，出現3 次重力儀停電事件，而且多次進洞檢修UPS 不間斷電源線路，進洞干擾較多。2019 年GS-15 重力儀的完整率低于DZW重力儀，這主要因為GS-15 重力儀遭到1 次雷擊，檢修儀器造成長時間缺數。

2.2 內在質量評價

2.2.1 M2波潮汐因子。分析薊縣地震臺2 套重力儀2018—2019 年重力整點值觀測數據M2波潮汐因子變化，利用EIS2000 地震前兆信息系統（蔣駿等，2000），采用2 日（48 h）調和分析，結果見圖1。由圖1 可見，DZW 重力儀M2波潮汐因子約為1.14，較平穩；GS-15重力儀為1.15—1.19，變化幅度為0.04，屬正常變化幅度范圍。

圖2 2018—2019 年薊縣地震臺重力儀觀測數據M2 波潮汐因子（整點值）Fig.2 The M2 wave tide factor of the observation data of two sets of gravimeters at Jixian Station from the year of 2018 to 2019 (the whole point value)

2.2.2 M2波潮汐因子相對中誤差。M2波潮汐因子相對中誤差是衡量重力觀測資料精度的一項重要指標。其定義為M2波潮汐因子與其中誤差的比值，消除了潮汐因子對觀測精度的影響（范文華等，2020）。

對2018—2019 年薊縣地震臺2 套重力儀整點值觀測數據進行調和分析，得到M2波潮汐因子相對中誤差，結果見表2。按照《地震及前兆數字觀測技術規范》（中國地震局，2001）的要求，M2波潮汐因子相對中誤差需小于0.02，測值越小，觀測精度越高。由表2可見，薊縣地震臺2 套重力儀觀測數據質量較好，觀測精度較高。

表2 薊縣地震臺重力儀觀測數據M2 波潮汐因子相對中誤差Table 2 Statistics of the relative median error of the M2 wave tide factor of the two sets of gravimeters at Jixian Station

3 水文響應分析

地下水變化與降雨是影響重力觀測的重要因素之一。近年來，有關水文變化對連續重力觀測影響的研究已經從經驗性轉變為利用物理模型（Tanaka，2010；佘雅文等，2015）。對薊縣地震臺2 套重力儀觀測數據進行處理，包括去固體潮、零漂、氣壓校正等，得到主要與水文變化相關的重力殘差。圖3 為2018—2019 年2 套重力儀預處理數據、輔助觀測值、殘差時間序列。其中，圖3（a）為儀器觀測到的原始重力加速度數據，經過中國地震前兆臺網數據處理系統對數據中的尖峰、突跳、階躍等干擾信號進行手工修正，通過已處理好的分鐘值數據得到小時值數據；圖3（b）為理論固體潮數據；圖3（c）為臺站實際觀測到的氣壓值，去除2 套儀器的大氣負荷效應時采用的是大氣重力導納值法，即采用線性模擬扣除大氣負荷的影響（馬險等，2017），取一般大氣導納值-0.3μGal/hPa；圖3（d）為理論固體潮改正之后的重力加速度殘差；圖3（e）為去漂移的零漂模型；圖3（f）為去掉零漂之后的重力加速度殘差數據序列；圖3（g）為去九階多項式模型；圖3（h）為去九階多項式和氣壓校正之后的重力加速度殘差序列。

圖3 DZW、GS-15 重力儀各項改正流程（a）原始觀測資料；（b）理論固體潮；（c）臺站實測氣壓；（d）去固體潮之后重力殘差；（e）一階零漂模型；（f）去零漂之后殘差；（g）去九階多項式模型；（h）去九階多項式和氣壓校正之后重力殘差采樣率：hFig.3 The correction flow of the gravimeter (sampling rate:h)

由圖3（d）可見，2 套儀器去固體潮之后的重力加速度殘差總體變化趨勢一致，但去掉一階零漂之后，重力加速度殘差變化不一致。由圖3（h）可見，GS-15 重力儀比DZW 重力儀重力加速度殘差變化平緩，且無周期性變化。由于2 套儀器外部環境相同，所以差異來源于儀器本身。臺站人員多次檢修DZW 重力儀，發現儀器電路部分存在問題，故數據變化較大。鑒于此，有關水文活動引起重力加速度殘差變化的討論僅涉及GS-15 重力儀。

3.1 降雨造成的重力加速度變化

GS-15 重力儀小時值數據經過固體潮改正、氣壓改正、一階零漂改正之后的重力加速度殘差，即最終殘差的主要成分為水文變化所引起的重力響應。圖4 為2018—2019 年GS-15 重力儀重力加速度最終殘差與降水量。由圖4 可見，重力加速度殘差與降水間存在較好的對應關系。

圖4 GS-15 重力儀重力殘差與降水量Fig.4 Comparison of GS-15 gravity residual and precipitation

圖5（a）、5（b）、5（c）分別為2018 年4 月1 日至5 月7 日、2018 年6 月13—19 日、2018 年6 月26 日至7 月27 日GS-15 重力儀重力加速度殘差與降水量。由圖5 可見，大部分情況下重力加速度與降水量間滿足降水時重力減小，降水后重力變大的規律。產生這一現象的原因主要是重力觀測室位于山的南坡山麓，海拔較低，當降水開始時，雨水覆蓋到地表，在山上的雨水對重力儀產生引力傾斜向上，與重力儀處于同一高度的雨水對重力儀的引力相互抵消，這時重力加速度值減小。當降水結束后，高處的雨水會流向低處，逐漸滲透到低于重力儀的地層中，此時重力儀受到下部含水層引力的影響，重力加速度值變大。Naujoks 等（2010）使用超導重力儀，佘雅文等（2015）使用gPhone 重力儀也觀測到了類似現象。

圖5 2018 年GS-15 重力儀重力殘差與降水量（a）4 月1 日至5 月7 日；（b）6 月13—19 日；（c）6 月26 日至7 月27 日Fig.5 Time series of GS-15 gravity residual and precipitation

3.2 重力加速度殘差與地下水靜水位間的關系

圖6 為GS-15 重力儀的重力加速度最終殘差與薊縣地震臺、桑梓地震臺靜水位。GS-15 重力儀距薊縣地震臺水位儀約100 m，距桑梓地震臺水位儀約37 km。由圖（6）可見，連續重力觀測加速度殘差曲線與桑梓地震臺靜水位間存在較好的相關性，水位上升時重力加速度增大，水位下降時重力加速度減小。產生這一現象的原因主要是地下水位上升時地下水體質量增加，由地下水體產生的向下引力增大，從而導致重力觀測值增大；反之，則重力觀測值減小。由圖6 可見，重力加速度變化與靜水位間存在7 天左右的延遲對應關系，這可能是地下水流動造成的。由于地下結構較復雜，地下水活動受地下水流動、斷層阻礙等較多地質環境的影響，這都會造成水文活動對重力變化影響的延遲（Dehant，1987；Naujoks et al，2010；佘雅文等，2015）。

圖6 GS-15 重力儀重力加速度殘差與靜水位（a）桑梓地震臺；（b）薊縣地震臺Fig.6 Time series of residual of acceleration gravity of GS-15 and static water level

3.3 重力加速度殘差與水庫水位間的關系

圖7 為GS-15 重力儀重力加速度最終殘差與于橋水庫水位（采樣率為d）。由圖7 可見，連續重力觀測加速度殘差曲線與水庫水位間存在較好的相關性，水庫水位上升時重力加速度增大，水庫水位下降時重力減小。產生這一現象的原因主要是水庫水位上升時，地下水體質量增加，由地下水體產生的向下引力增大，從而導致重力觀測值增大；反之，則重力觀測值減小。且重力加速度與水庫水位間也存在6 天左右的延遲對應關系。

圖7 GS-15 重力儀重力加速度殘差與于橋水庫靜水位Fig.7 Time series of residual of acceleration gravity of GS-15 and static water level of Yuqiao reservoir

4 結論

對2018—2019 年薊縣地震臺2 套相對重力儀觀測數據進行潮汐分析和提取非潮汐重力加速度殘差處理，研究水文變化所引起的重力響應。結果表明：①薊縣地震臺2 套重力儀的觀測精度較高；②DZW 重力儀儀器運行時間較短，儀器運行不穩，而且儀器多次受電源故障影響，數據殘差變化較大；③GS-15 重力儀重力加速度殘差與降水量間存在較好的對應關系，大多數情況下滿足降雨時重力減少、降雨結束后重力增大的規律；④GS-15重力儀重力加速度殘差與地下靜水位、于橋水庫水位間均存在較好的相關性，水位上升時重力增大，水位下降時重力減小，但都存在延遲對應關系，且相距越遠臺站（如桑梓地震臺）的地下靜水位與薊縣地震臺GS-15 重力儀重力加速度殘差間相關性越好。