泉州地震臺 g-Phone 重力儀觀測資料干擾因素分析

陳珊樺　蔡佩蕊　陳新興　謝文杰　王建新

摘要通過對泉州地震臺 g-Phone 重力儀自正式運(yùn)行以來觀測資料的干擾因素進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)數(shù)采死機(jī)對數(shù)據(jù)影響較小，但斷電造成的儀器內(nèi)部溫度的改變會導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)漂移，從而降低數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，建議應(yīng)盡量避免人為操作如斷電等造成的內(nèi)部溫度變化；臺風(fēng)影響使得數(shù)據(jù)噪聲變大，表現(xiàn)為觀測曲線變粗，呈紡錘狀。希望研究結(jié)果可以為進(jìn)一步利用重力資料提取地震前兆信息提供一定的參考。

關(guān)鍵詞重力觀測；干擾因素；g-Phone 重力儀

中圖分類號： P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號：2096-7780（2023）04-0159-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-122

Analysis of interference factors of g-Phone gravimeter observation data at Quanzhou seismic station

Chen Shanhua，Cai Peirui，Chen Xinxing，Xie Wenjie，Wang Jianxin

（Quanzhou Earthquake Monitoring Center Station of Fujian Earthquake Agency， Fujian Quanzhou 362000， China）

Abstract ThispapersummeduptheinterferencefactorsofQuanzhouseismicstationg-phonegravimeter observation data. It is considered that the change of working state and the influence of meteorological factors are the main interference factors. The change of the internal temperature of the instrument has a great influence on the data，so it is necessary to avoid the change of the internal temperature caused by manual operation such as power failure. The rainfall and the change of air pressure caused by typhoons increased the noise of the data.

Keywordsgravity observation; interference factors; g-Phone gravimeter

引言

陸地重力測量是研究地殼內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)移和屬性變化的重要手段之一，地球重力場變化能反映地下物質(zhì)的遷移及運(yùn)動分布狀況，在地殼運(yùn)動過程中，由多種因素引起的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場變化在重力圖像中都有展現(xiàn)[1-2]。目前對臺站重力連續(xù)數(shù)據(jù)的研究著重于潮汐理論研究和潮汐分析，取得了很多重要的成果，推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[3-6]。韋進(jìn)等[4]利用中國大陸運(yùn)行較好的51個重力站潮汐觀測數(shù)據(jù)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)潮汐處理方法和軟件，分析計(jì)算了中國大陸主要潮波潮汐因子的空間分布；翟麗娜等[5]對大連臺重力數(shù)據(jù)受海潮負(fù)荷影響大小進(jìn)行海潮負(fù)荷改正計(jì)算；李興堅(jiān)等[6]對高臺地震臺重力觀測數(shù)據(jù)的潮汐參數(shù)進(jìn)行了分析。

全國地震臺站較多使用 Micro-g LaCoste公司生產(chǎn)的 g-Phone相對重力儀進(jìn)行地球各點(diǎn)重力隨時間變化測量[7]。該重力儀具有高精度、低漂移率、高采樣等特點(diǎn)，既可以用來記錄長周期的信號又可以觀察非周期性的高頻振動事件，如地震活動等[8]。

泉州地震臺（以下簡稱泉州臺）g-Phone 相對重力儀于2015年12月22日安裝投入試運(yùn)行，2017年12月19日正式接入前兆數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行以來數(shù)據(jù)連續(xù)，狀態(tài)良好，可記錄到清晰、完整的固體潮汐，對國內(nèi)外震級較大地震也有良好的映震能力。重力儀器日常觀測資料中包含有固體潮汐、儀器零漂、各種干擾和與地球內(nèi)部的物理因素相關(guān)的成分，同時包含與地震孕育有關(guān)的信息[9-10]。本文對泉州臺 g-Phone相對重力儀正式運(yùn)行以來的觀測資料中的干擾因素進(jìn)行歸納整理，結(jié)合中國地震局重力學(xué)科對數(shù)據(jù)內(nèi)118°E

在質(zhì)量的月評價，了解各干擾因素對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，為進(jìn)一步利用重力資料提取地震前兆信息提供一定的參考。

1 重力臺址與觀測儀器

1.1 重力臺址

泉州臺為國家基準(zhǔn)地震臺（圖1），隸屬福建省地震局，目前運(yùn)行有 g-Phone相對重力儀一套，安裝于臺站東南方向約5 km 外的清源山人防1號洞形變觀測區(qū)內(nèi)。山洞地處長樂—詔安斷裂帶中段，洞體基巖為新鮮花崗巖，巖體完整致密，海拔高程約78 m，洞頂覆蓋厚52.5—95.5 m。觀測山洞進(jìn)深達(dá)190 m，洞內(nèi)安裝有多道不銹鋼隔門，防止空氣對流，洞內(nèi)溫度極為恒定，重力觀測室位于山洞內(nèi)段，年溫差約 0.5℃ ， 日溫差小于0.1℃。山洞周邊環(huán)境為國家 5A 級風(fēng)景區(qū)，觀測環(huán)境優(yōu)良，無干擾，且交通、供電、通信條件均十分便利、可靠，適合開展重力觀測。

1.2 觀測儀器

g-Phone 重力儀是由美國 Micro-g LaCoste公司基于反饋式電子歸零系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種金屬零長彈簧相對重力儀，該儀器的系統(tǒng)分辨率為0.01μGal，系統(tǒng)精度為1μGal，可調(diào)量程為7000 mGal，采樣率為1 Hz[11]。為了保護(hù)重力傳感器即金屬零長彈簧系統(tǒng)不受環(huán)境溫度變化的影響，將其安裝在一個絕熱很好的雙膽容器中，利用加熱控制板保持傳感器處于恒溫狀態(tài)，同時采用3層密封裝置確保傳感器不受濕度和氣壓的影響[12]。

儀器使用 UPS 不間斷電源供電，電壓穩(wěn)定。儀器共有10個測項(xiàng)，分別是重力潮汐觀測值、重力潮汐濾波觀測值、縱水準(zhǔn)、橫水準(zhǔn)、外部溫度、內(nèi)部溫度、外部氣壓、內(nèi)部氣壓、擺位讀數(shù)和儀器狀態(tài)。觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至臺站服務(wù)器，可在行業(yè)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行共享。

重力觀測資料的完整性、穩(wěn)定性、可靠性是衡量觀測資料質(zhì)量的重要指標(biāo)[13]。觀測資料只有達(dá)到觀測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時，才能更好地用于地震前兆信息的分析提取。泉州臺 g-Phone 重力儀自2017年12月19日正式觀測以來，連續(xù)率良好，在中國地震局重力學(xué)科臺網(wǎng)每月進(jìn)行的內(nèi)在質(zhì)量評價中多數(shù)月份被評為“優(yōu)”。圖2為泉州臺 g-Phone 重力儀日常觀測曲線圖。

2 干擾分析

自正式運(yùn)行以來，泉州臺 g-Phone重力儀觀測的2種主要干擾因素有儀器觀測系統(tǒng)故障和臺風(fēng)影響。

2.1 儀器觀測系統(tǒng)故障

泉州臺 g-Phone 重力儀觀測系統(tǒng)故障主要有數(shù)采死機(jī)、電源故障等。對重力觀測影響較大的是電源故障，因?yàn)閮x器斷電會造成儀器內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)儀器內(nèi)部溫度變化時觀測數(shù)據(jù)曲線會出現(xiàn)漂移，溫度發(fā)生變化的時間越長，恢復(fù)到正常狀態(tài)所用的時間也越長。下面對數(shù)采死機(jī)和電源故障造成的數(shù)據(jù)影響進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1.1 數(shù)采死機(jī)

2020年7月9 日01：51—7月10日08：41、8月7日09：21—8 日08：59因重力儀數(shù)采死機(jī)，數(shù)據(jù)缺記，重啟后恢復(fù)。數(shù)采死機(jī)時，只是儀器的記錄模塊出現(xiàn)故障，重力儀本體仍在正常工作，內(nèi)部溫度等工作狀態(tài)未發(fā)生改變，而重啟只是短時間斷電，對內(nèi)部溫度的影響幾乎可以忽略，因此數(shù)采死機(jī)除了缺記會造成連續(xù)率、完整率下降外，不會對儀器的觀測產(chǎn)生明顯影響。2020年7—9月的數(shù)據(jù)曲線并未因這2次數(shù)采死機(jī)重啟造成上漂、突跳、階躍等現(xiàn)象（圖3）。中國地震局重力學(xué)科對泉州臺2020年7月和8月的重力觀測內(nèi)在質(zhì)量月評價均為“優(yōu)”，可見非長時間的數(shù)采死機(jī)對于數(shù)據(jù)的月質(zhì)量影響不大。

2.1.2 電源故障

2021年8月19日07：37—14：27因 UPS 電源故障，儀器斷電停止工作。原來靠內(nèi)部加熱控制板維持的恒定內(nèi)部溫度（52.66℃）開始下降，14：28恢復(fù)供電后，重力儀本體開始工作，重新對儀器內(nèi)部進(jìn)行加溫，但數(shù)采因故障無法啟動，導(dǎo)致數(shù)據(jù)依舊缺記。經(jīng)過維修后于17：00恢復(fù)數(shù)據(jù)記錄，此時已工作了2小時32分鐘的重力儀內(nèi)部溫度值為49.72℃ ， 與原來的恒定溫度仍相差2.94℃。由于儀器斷電后內(nèi)部溫度下降，造成重啟后重力潮汐觀測值數(shù)據(jù)大幅階躍，其階躍幅度約為7561×10?8 m/s2。直至20日05：30重力儀內(nèi)部溫度才重新達(dá)到52.66℃并保持恒溫（圖4）。由于重力觀測所用的傳感器即零長彈簧對溫度很敏感，在儀器內(nèi)部溫度上升期間觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)快速漂移，漂移量約為6233.36×10?8 m/s2遠(yuǎn)超正常日變幅，同時儀器的縱水準(zhǔn)、橫水準(zhǔn)以及內(nèi)部氣壓也發(fā)生了大幅變化（圖5）。

在重力儀內(nèi)部溫度恢復(fù)正常后，數(shù)據(jù)仍存在下漂趨勢，但每天的漂移量逐步減小，這是由于零長彈簧狀態(tài)的恢復(fù)需要一個緩慢的過程，截至9月10日，數(shù)據(jù)基本恢復(fù)平穩(wěn)（圖6），在這期間（8月20日05：30—9月10日23：59）數(shù)據(jù)漂移量約為269.28×10?8 m/s2。中國地震局重力學(xué)科對泉州臺2021年8月和9月的重力觀測內(nèi)在質(zhì)量月評價分別為“中”和“優(yōu)”。從此次事件的數(shù)據(jù)變化情況可看出，儀器內(nèi)部溫度恒定對重力儀的整體工作狀態(tài)起到至關(guān)重要的作用，直接影響了觀測數(shù)據(jù)的可靠性。

在儀器說明書中也列出了儀器斷電時間與恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間的對應(yīng)表（表1），同時還提到在儀器斷電后重新通電加熱期間，數(shù)據(jù)漂移率會發(fā)生快速和不穩(wěn)定的改變。當(dāng)停止加熱后，達(dá)到正常漂移率可能需要長達(dá)一周的時間。泉州臺重力儀此次斷電近7個小時，對數(shù)據(jù)的影響達(dá)到21天，因此在儀器的使用中應(yīng)盡可能采取措施避免斷電，一旦斷電，儀器內(nèi)部溫度就會下降，造成數(shù)據(jù)曲線漂移，斷電時間越久，再次通電后儀器恢復(fù)到原來的平穩(wěn)工作狀態(tài)需要的時間就要越長。

2.2 臺風(fēng)影響

從2018年1月正式運(yùn)行以來，泉州臺 g-Phone 重力儀在每年的7—10月經(jīng)常會受臺風(fēng)影響導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)中高頻信號增多，觀測曲線變粗呈紡錘形狀。如2019年8月8 日06：00—11日23：59，受第9號臺風(fēng)“利奇馬”影響，臺站附近云層明顯增厚，風(fēng)力增大，期間氣壓有明顯下降上升過程（變化幅度約6.83 hPa），降雨量為0.4 mm，原始觀測曲線變粗出現(xiàn)紡錘形狀，最大變化幅度約1982.29×10?8 m/s2，一階差分分析曲線也呈紡錘形狀（圖7）。該月數(shù)據(jù)雖然受到臺風(fēng)影響，但在中國地震局重力學(xué)科的內(nèi)在質(zhì)量月評價中仍為“優(yōu)”。選取其他受臺風(fēng)干擾的月份，也發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)對觀測內(nèi)在質(zhì)量月評價結(jié)果影響不大。

3 結(jié)論與討論

通過對泉州臺 g-Phone 重力儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為主要干擾因素為儀器觀測系統(tǒng)故障以及臺風(fēng)影響。

（1）重力觀測的傳感器對溫度非常敏感，正常工作的儀器內(nèi)部保持恒溫，若溫度發(fā)生變化則會影響整體的儀器性能，如數(shù)據(jù)的漂移率等。短時的斷電重啟，若溫度未發(fā)生大幅變動，則數(shù)據(jù)能較快得到恢復(fù)；若溫度發(fā)生較大變動（如變化超過1.0℃）且持續(xù)時間較長，則供電恢復(fù)后會出現(xiàn)較長時間的持續(xù)漂移，需要較長的時間數(shù)據(jù)才能恢復(fù)到正常水平，導(dǎo)致儀器的觀測數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量降低。對于觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的臺站，若想提供更為連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)，可考慮為重力儀再配備若干個蓄電池，在外部 UPS 故障維修時，減少儀器斷電時間。

（2）臺風(fēng)會造成重力儀觀測曲線變粗，高頻成分增多，出現(xiàn)紡錘形狀。數(shù)據(jù)受影響程度與臺風(fēng)強(qiáng)度成正比，與臺風(fēng)跟臺站的距離成反比。在觀測數(shù)據(jù)受臺風(fēng)影響較大的時候，臺風(fēng)造成的高頻信號幅度甚至?xí)^數(shù)據(jù)正常日變幅。雖然重力儀器對氣壓變化有所反映，但對短時間的強(qiáng)對流天氣帶來的氣壓大幅波動并不會像同一山洞內(nèi)的形變儀器那么敏感，這可能與其獨(dú)特的儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

［1］祝意青，王慶良，徐云馬.我國流動重力監(jiān)測預(yù)報發(fā)展的思考[J].國際地震動態(tài)，2008（9）：19-25

Zhu Y Q，Wang Q L，Xu Y M. Thoughts on the development of earthquake monitoring and prediction in mobile gravity[J]. Recent Developments in World Seismology，2008（9）：19-25

［2］許厚澤.重力觀測在中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)中的作用[J].大地測量與地球動力學(xué)，2003，23（3）：1-3

Xu H Z. Function of gravimetry inCMONOC[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，23（3）：1-3

［3］李宏偉，沈曉松.太原基準(zhǔn)地震臺連續(xù)重力數(shù)據(jù)非潮汐量的獲取及背景噪聲分析[J].山西地震，2017（4）：12-15

Li H W， Shen X S. Non tidal volume acquisition of continuous gravity data and background noise analysis in Taiyuan reference seismological station[J]. Earthquake Research in Shanxi，2017（4）：12-15

［4］韋進(jìn)，申重陽，胡敏章，等.連續(xù)重力觀測站測定的中國大陸潮汐因子空間分布特征[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2021，36（5）：490-499

Wei J，Shen C Y，Hu M Z，et al. Preliminary results of spatial distribution of tidal factors measured by recent continuous gravity stations in mainland China[J]. Advances in Earth Science，2021，36（5）：490-499

［5］翟麗娜，孔祥瑞，楊錦玲，等.大連臺重力固體潮受海潮負(fù)荷影響特征研究[J].中國地震，2020，36（4）：953-960

Zhai L N，Kong X R，Yang J L， et al. Study on ocean tidal loading correction of tidal gravity at Dalian station[J]. Earthquake Research in China，2020，36（4）：953-960

［6］李興堅(jiān)，李建康，馮紅武，等.高臺地震臺 PET 重力潮汐參數(shù)觀測結(jié)果及影響因素的初步分析[J].地震研究，2013，36（1）：63-68

Li X J，Li J K，F(xiàn)eng H W，et al. Preliminary analysis on observation results of PET gravity tide parameter at Gaotai seismic station and its influence factors[J]. Journal of Seismological Research，2013，36（1）：63-68

［7］龔立卓.陸地重力觀測環(huán)境背景噪聲與精度評價研究[D].北京：中國地震局地球物理研究所，2018

Gong L Z. The seismic noise magnitude and precision evaluation on the terrestrial gravity measurement environment[D]. Beijing： Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，2018

［8］張銳，韋進(jìn)，劉子維，等.用 SGC053超導(dǎo)重力儀觀測資料對 gPh058重力儀格值的精密測定[J].大地測量與地球動力學(xué)，2011，31（5）：151-155

Zhang R，Wei J，Liu Z W，et al. Accurate determination of scale value of gPh058 gravimeter by use of observations with SGC053 superconducting gravimeter[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31（5）：151-155

［9］賴愛京，徐衍剛.烏什地震臺 PET 重力儀觀測資料干擾分析[J].地震地磁觀測與研究，2014，35（5/6）：156-159

Lai A J，Xu Y G. Analysis the interference of observation data of PET gravimeter in Wushi seismic station[J]. Seismologicaland Geomagnetic Observation and Research，2014，35（5/6）：156-159

［10］梁霄，孫鴻博，徐如剛. CG-5重力儀零漂特性與溫度變化的關(guān)系分析[J].地震科學(xué)進(jìn)展，2020，50（6）：14-17

Liang X，Sun H B，Xu R G. Analysis of the relationship between the zero drift characteristics and the temperature change of CG-5 gravimeter[J]. Progress in Earthquake Sciences，2020，50（6）：14-17

［11］萬禹，江穎，栗寧，等.利用襄樊地震臺gPhone重力儀觀測數(shù)據(jù)檢測地球自由振蕩[J].大地測量與地球動力學(xué)，2019，39（增刊2）：47-50

Wan Y，Jiang Y，Li N，et al. Detecting the earth s free oscillations by using the observations of gPhone gravimeter at Xiangfan seismic station[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2019，39（S2）：47-50

［12］Micro-g LaCoste. g-Phone 使用手冊[M].2008

Micro-g LaCoste. g-Phone user manual[M].2008

［13］陳冬柏，張璐，韓曉飛，等.西安基準(zhǔn)地震臺 PET 重力儀2011—2013年觀測運(yùn)行分析[J].高原地震，2015，27（2）：35-40

Chen D B，Zhang L，Han X F，et al. Analysis on PET gravimeter data observation operation from 2011 to 2013 at Xi an seismic station[J]. Plateau Earthquake Research，2015，27（2）：35-40