黑龍江省重力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化與2018年吉林松原MS 5.7地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系

李俊秋 周 晨 張雁翔 趙建通 張思萌

（中國(guó)哈爾濱150090黑龍江省地震局）

0 引言

重力場(chǎng)是地球基本場(chǎng)之一，其時(shí)空變化是地球動(dòng)力學(xué)的重要組成部分，對(duì)研究地震孕育過(guò)程、了解深部地殼環(huán)境變化具有重要作用（褚慶忠等，2014）。通過(guò)對(duì)地球重力場(chǎng)的觀測(cè)，可研究地球質(zhì)量分布、地球運(yùn)動(dòng)及自身變形規(guī)律。而局部地殼的應(yīng)變、地震的形成過(guò)程、地下流體的運(yùn)動(dòng)，均可能引起地面重力場(chǎng)發(fā)生非潮汐變化。利用重力儀可以觀測(cè)地球固體潮變化，地震臺(tái)站目前廣泛應(yīng)用PET/gPhone型重力儀（曾華霖，1999）進(jìn)行重力監(jiān)測(cè)，重力觀測(cè)記錄的主要成分即為固體地球潮汐分量，采用Venedikov調(diào)和分析方法（下文簡(jiǎn)稱(chēng)VAV方法）進(jìn)行固體潮分析，即可獲得非潮汐結(jié)果（田桂娥等，2005）。Venedikov調(diào)和分析方法是在原有最小二乘法基礎(chǔ)上發(fā)展的固體潮分析軟件，目前應(yīng)用較廣（Ducarme et al，2004）。

2018年5月28日吉林省松原市寧江區(qū)發(fā)生MS5.7地震，本文基于波形初動(dòng)、延遲時(shí)間、同震形態(tài)、最大形變幅度以及同震持續(xù)時(shí)間等，分析黑龍江省漠河、牡丹江地震臺(tái)重力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征，并利用Venedikov調(diào)和分析方法，分析牡丹江地震臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)牡丹江臺(tái)）重力固體潮非潮汐變化，捕捉其與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 黑龍江省重力監(jiān)測(cè)臺(tái)站概況

黑龍江省目前設(shè)有牡丹江和漠河2個(gè)重力監(jiān)測(cè)臺(tái)站，其中牡丹江臺(tái)采用PET型重力儀、漠河臺(tái)采用gPhone型重力儀進(jìn)行觀測(cè)。2套重力儀均為美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的金屬?gòu)椈上鄬?duì)重力儀，無(wú)需調(diào)整量程，秒采樣，可長(zhǎng)期觀測(cè)，儀器靈敏度較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，對(duì)全球6.0級(jí)左右地震均有較明顯的同震響應(yīng)。以2個(gè)臺(tái)站2018年2月1日—3日的連續(xù)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析重力固體潮特征，結(jié)果見(jiàn)圖1，由圖可見(jiàn)，重力記錄固體潮形態(tài)清晰、完整，曲線光滑，日動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)“雙峰雙谷”的周期性變化。

圖1 黑龍江省重力監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)“三日”重力潮汐觀測(cè)曲線Fig.1 “Three-day” gravity tide observation curves of the Gravity Seismic Network in Heilongjiang Province

2 黑龍江省重力監(jiān)測(cè)的同震響應(yīng)特征分析

北京時(shí)間2018年5月28日1時(shí)50分，在吉林省松原市寧江區(qū)發(fā)生MS5.7地震，震源深度13 km。黑龍江省牡丹江和漠河臺(tái)2套重力儀均記錄到此次地震，其中牡丹江臺(tái)PET重力儀震中距約392 km，漠河臺(tái)gPhone重力儀震中距約927 km，地震波形記錄曲線見(jiàn)圖2。由圖2(a)可見(jiàn)，此次地震發(fā)生后1 min，即1時(shí)51分，牡丹江臺(tái)重力觀測(cè)曲線出現(xiàn)同震脈沖，無(wú)階躍，波的初動(dòng)方向向下，同震響應(yīng)最大變化幅度為25035.05×10-8cm/s2，持續(xù)時(shí)間約19 min。由圖2(b)可見(jiàn)，此次地震發(fā)生后2 min，即1時(shí)52分，漠河臺(tái)重力儀秒值觀測(cè)曲線出現(xiàn)同震響應(yīng)，波的初動(dòng)方向向下，同震響應(yīng)觀測(cè)曲線表現(xiàn)形態(tài)為脈沖，最大變化幅度為5928.91×10-8cm/s2，持續(xù)時(shí)間約28 min。

圖2 黑龍江省重力臺(tái)站重力儀記錄的吉林松原MS 5.7地震觀測(cè)曲線(a)牡丹江重力儀地震響應(yīng)曲線；(b)漠河重力儀地震響應(yīng)曲線Fig.2 Observation curves of the Jilin Songyuan MS 5.7 earthquake recorded by gravimeters at Gravity Station in Heilongjiang Province

脈沖是由連續(xù)定點(diǎn)形變觀測(cè)到的地震傳播到地面的震動(dòng)信號(hào)的表現(xiàn)形式。地震波遠(yuǎn)距離傳播形成面波，當(dāng)面波的頻率與形變觀測(cè)儀器自振頻率接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖的共振現(xiàn)象。說(shuō)明重力儀的自振周期與地震波的優(yōu)勢(shì)周期相近（郭明瑞等，2013）。

基于地震波的初動(dòng)方向、延遲時(shí)間、同震響應(yīng)變化最大振幅及持續(xù)時(shí)間，對(duì)比分析牡丹江和漠河臺(tái)重力數(shù)據(jù)在此次松原地震中的同震響應(yīng)特征。

2.1 地震波的初動(dòng)方向

黑龍江牡丹江、漠河臺(tái)與2018年吉林松原MS5.7地震的相對(duì)位置分布見(jiàn)圖3，圖中示出此次地震的震源機(jī)制解。由重力儀波形記錄曲線（圖2）可知，牡丹江臺(tái)和漠河臺(tái)記錄的重力波形曲線顯示P波初動(dòng)方向均向下。同時(shí)，吉林松原MS5.7地震的震源機(jī)制解（圖3中震源球）顯示破裂類(lèi)型為走滑型，其中牡丹江臺(tái)P波初動(dòng)向下記錄清晰，而漠河臺(tái)因震中距較遠(yuǎn)，P波初動(dòng)記錄不清晰。綜上可以認(rèn)為，PET和gPhone型重力儀記錄的地震波信息頻段與地震儀記錄較接近，表明重力記錄波形初動(dòng)方向比較可靠。

圖3 黑龍江重力臺(tái)站與吉林松原MS 5.7地震位置分布Fig.3 Location of Heilongjiang Gravity Station and Jilin Songyuan MS 5.7 earthquake

2.2 地震波傳播的延遲時(shí)間

地震波在巖石中的傳播時(shí)間與其傳播距離成正比，延遲時(shí)間長(zhǎng)短一般可以反映震中距的遠(yuǎn)近（楊婕等，2010）。漠河臺(tái)與此次吉林松原地震震中相距更遠(yuǎn)，故牡丹江臺(tái)重力儀記錄的同震響應(yīng)波的延遲時(shí)間為1 min，而漠河臺(tái)重力儀記錄的同震形變波延遲時(shí)間較長(zhǎng)，為2 min。

2.3 同震響應(yīng)最大振幅

黑龍江省牡丹江和漠河臺(tái)重力儀記錄的此次吉林松原地震波形曲線顯示，同震響應(yīng)形態(tài)主要表現(xiàn)為脈沖震蕩，且牡丹江臺(tái)PET型重力儀記錄的最大同震響應(yīng)變化幅度較大，主要是因?yàn)樵撆_(tái)震中距較小，地震波在傳播過(guò)程中能量衰減較小，故同震響應(yīng)變化幅度較大。當(dāng)然，地震波傳播路徑及地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異也會(huì)影響地震波能量的衰減程度，從而導(dǎo)致記錄的最大同震響應(yīng)變化幅度也會(huì)不同（林俊等，2017）。

2.4 同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間

同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間與觀測(cè)儀器的分辨率有關(guān)，分辨率越高，對(duì)微小變化的反應(yīng)越靈敏。據(jù)重力記錄觀測(cè)曲線（圖2），牡丹江臺(tái)同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間約19 min，漠河臺(tái)同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間約28 min。這是因?yàn)椋优_(tái)gPhone重力儀分辨率更高，故同震響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)然，也可能與地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

3 牡丹江臺(tái)重力固體潮非潮汐變化

基于以上同震響應(yīng)特征，認(rèn)為黑龍江省重力測(cè)項(xiàng)觀測(cè)到2018年吉林松原MS5.7地震觸發(fā)記錄。以牡丹江臺(tái)重力數(shù)據(jù)為例，采用Venedikov調(diào)和分析方法，分析吉林松原MS5.7地震發(fā)生前后重力固體潮非潮汐變化。

（1）方法原理。據(jù)Venedikov調(diào)和分析方法，t時(shí)刻的重力觀測(cè)值y(t)為

式中，s(t)為重力潮汐，d(t)為漂移，p(t)為非潮汐變化影響，?(t)為觀測(cè)噪聲。

采用逐步回歸模型對(duì)漂移量d(t)進(jìn)行擬合，將觀測(cè)數(shù)據(jù)分為T(mén)組，每組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為24小時(shí)，每組漂移值保持穩(wěn)定且相互獨(dú)立。采用低階多項(xiàng)式，對(duì)組內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行漂移擬合，設(shè)第T個(gè)時(shí)間窗內(nèi)數(shù)據(jù)的漂移為d(T+t)，則有

式中，Zj(T)為未知擬合系數(shù)，k為多項(xiàng)式階數(shù)。

采用交叉回歸模型，求解非潮汐信號(hào)對(duì)重力觀測(cè)的影響。設(shè)t時(shí)刻非潮汐信號(hào)為q(t)，其對(duì)重力觀測(cè)的影響為p(t)，表示為

式中，ai為回歸系數(shù)，i為交叉回歸次數(shù)。

（2）重力非潮汐變化。選取牡丹江臺(tái)PET型相對(duì)重力儀2016年1月至2018年8月的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用Venedikov調(diào)和分析方法，進(jìn)行儀器零漂和氣壓改正，得到該臺(tái)重力數(shù)據(jù)非潮汐變化時(shí)間序列，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，2017年8月起，牡丹江臺(tái)固體潮殘差值呈下降趨勢(shì)變化，至2018年5月28日吉林松原MS5.7地震發(fā)生，平均每月下降約15×10-8cm/s2，總降幅約158×10-8cm/s2，震后仍呈下降趨勢(shì)，總降幅約73×10-8cm/s2，平均每月下降約25×10-8cm/s2，可見(jiàn)該臺(tái)重力固體潮非潮汐變化并非只受到此次松原MS5.7地震觸發(fā)作用影響。

圖4 牡丹江臺(tái)重力非潮汐變化時(shí)間序列Fig.4 Time series of gravity non-tidal change at Mudanjiang Seismic Station

為此，進(jìn)行干擾和故障排查。從據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知：該臺(tái)站周邊10 km范圍內(nèi)無(wú)大型水庫(kù)、河流、大型抽水站等干擾源；距重力監(jiān)測(cè)站直線距離約30 m的鄉(xiāng)村公路過(guò)往車(chē)輛未對(duì)重力觀測(cè)造成顯著影響；觀測(cè)山洞SE方向約1 km處新建居民區(qū)施工場(chǎng)地對(duì)重力觀測(cè)影響不大。牡丹江臺(tái)設(shè)有氣溫、氣壓和降雨氣象三要素輔助觀測(cè)測(cè)項(xiàng)。由2016年—2018年8月三要素原始觀測(cè)曲線（圖5）可見(jiàn)，氣壓、溫度、降雨量均呈以年為單位的季節(jié)性變化規(guī)律。

圖5 牡丹江臺(tái)氣象三要素觀測(cè)曲線Fig.5 Observation curves of three meteorological elements at Mudanjiang Seismic Station

檢查PET重力儀發(fā)現(xiàn)，UPS指示燈顯示正常，儀器內(nèi)溫恒定。牡丹江臺(tái)PET重力儀2007年安裝，儀器元件存在老化問(wèn)題，靈敏度可能有所下降。因此，重力儀雖然能記錄到此次吉林松原MS5.7地震前后的非潮汐變化，但儀器靈敏度下降導(dǎo)致儀器測(cè)量精度的變化，會(huì)對(duì)記錄到的非潮汐變化也有一定影響。

4 討論與認(rèn)識(shí)

黑龍江省牡丹江臺(tái)和漠河臺(tái)重力儀自2016年起，近3年時(shí)間內(nèi)整體觀測(cè)質(zhì)量穩(wěn)定，并能記錄到大多數(shù)地震的同震響應(yīng)。針對(duì)此次吉林松原MS5.7地震，2套重力儀記錄的同震響應(yīng)形態(tài)基本相同，均為脈沖變化，且P波初動(dòng)方向與地震儀記錄一致，地震波信息頻段與地震儀記錄也較接近。2臺(tái)重力儀同震響應(yīng)延遲時(shí)間、最大同震響應(yīng)變化幅度、持續(xù)時(shí)間不同，與震中距、地震波傳播路徑、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及儀器分辨率等有一定關(guān)系。

牡丹江臺(tái)和漠河臺(tái)重力儀均能記錄到清晰固體潮變化。在此次吉林松原MS5.7地震發(fā)生前10個(gè)月內(nèi)，牡丹江臺(tái)重力非潮汐呈持續(xù)性下降變化，月均變化速度為15×10-8cm/s2，累計(jì)變化158×10-8cm/s2，震后下降變化仍在持續(xù)。由于地震孕育和地下物質(zhì)運(yùn)移過(guò)程是緩慢的，難以在短時(shí)間內(nèi)形成較大的重力變化。一般而言，值得重點(diǎn)關(guān)注和跟蹤的非潮汐變化，其月均變化幅度一般在（5—10）×10-8cm/s2。

因此，此次牡丹江臺(tái)記錄的連續(xù)重力非潮汐變化，在無(wú)明顯垂直形變情況下，下降速度過(guò)快，除與吉林松原MS5.7地震導(dǎo)致的地球物理場(chǎng)變化有關(guān)，可能也與儀器靈敏度下降有一定關(guān)系，具體相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。

文中使用的重力數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心及臺(tái)站資料，湖北省地震局申重陽(yáng)研究員和韋進(jìn)副研究員對(duì)論文撰寫(xiě)提出建議，在此一并表示感謝。