陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)溫州連續(xù)重力數(shù)據(jù)處理與分析

摘"要：為了評(píng)估陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)溫州連續(xù)重力站gPhone重力儀的穩(wěn)定性、觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、儀器對(duì)地震事件的響應(yīng)和記錄能力，本文采用連續(xù)率、完整率、Nakai檢驗(yàn)百分比、M2波潮汐因子中誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)2021—2023年溫州連續(xù)重力原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并以震中距≤3500km，Ms＞3.0的地震事件為例，檢驗(yàn)溫州臺(tái)gPhone重力儀對(duì)地震事件的記錄能力。結(jié)果表明溫州臺(tái)gPhone重力儀運(yùn)行穩(wěn)定性良好，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量符合重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)地震事件的記錄能力有效，尤其能監(jiān)測(cè)到我國(guó)東南海域大量的強(qiáng)震活動(dòng)，可為地震活動(dòng)強(qiáng)震遠(yuǎn)場(chǎng)影響等方面的研究提供數(shù)據(jù)保障。

關(guān)鍵詞：gPhone；連續(xù)重力；觀測(cè)運(yùn)行；數(shù)據(jù)質(zhì)量

重力測(cè)量測(cè)定的是地球表面的重力加速度，它包含了地球內(nèi)部物質(zhì)分布信息及其遷移特性，提供了地球重力場(chǎng)空間、時(shí)間和強(qiáng)度變化特征，這些信息可為發(fā)現(xiàn)地震前兆、認(rèn)識(shí)地震事件和地震預(yù)報(bào)研究提供重要的數(shù)據(jù)支撐［12］。觀測(cè)地球重力場(chǎng)的手段以定點(diǎn)觀測(cè)、流動(dòng)觀測(cè)和絕對(duì)重力測(cè)量為主，其中定點(diǎn)觀測(cè)即臺(tái)站定點(diǎn)連續(xù)重力測(cè)量，使用的監(jiān)測(cè)儀器為gPhone重力儀和超導(dǎo)重力儀。

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)溫州連續(xù)重力站（以下簡(jiǎn)稱“溫州臺(tái)”）采用gPhone重力儀作為觀測(cè)手段，于2006年11月勘選，2010年6月1日開(kāi)始正式運(yùn)行，獲得了大量的重力秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，只是較少的用于科學(xué)研究，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)14年的運(yùn)行，儀器運(yùn)行是否穩(wěn)定、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量是否符合重力資料觀測(cè)規(guī)范要求、儀器對(duì)地震事件的響應(yīng)能力是否靈敏和有效尚未可知。因此，有必要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和分析，以確保其準(zhǔn)確性和可靠性。本文選取溫州臺(tái)2021年1月1日至2023年12月31日重力原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，降采樣后采用整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從連續(xù)率、完整率、Nakai檢驗(yàn)百分比、M2波潮汐因子中誤差四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并利用秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)儀器對(duì)地震事件的響應(yīng)和記錄能力。

1nbsp;臺(tái)站概況

溫州臺(tái)位于溫州市甌海區(qū)南白象街道頭陀寺旁，海拔63.0m，行政隸屬于浙江省地震局，運(yùn)行維護(hù)由溫州市地震監(jiān)測(cè)中心站負(fù)責(zé)。臺(tái)址位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)東南部，基巖為侏羅紀(jì)花崗巖，基巖完整且有大面積露出，巖性為侏羅系酸性火山碎屑巖夾沉積巖、酸性至基性熔巖。臺(tái)站西北約1.2km處展布著早第四紀(jì)活動(dòng)的北北東向鎮(zhèn)海溫州斷裂。臺(tái)站屬半地下室型連續(xù)重力站，觀測(cè)室洞室進(jìn)深12.5m，通道近似“T”形，gPhone重力儀架設(shè)在觀測(cè)墩B（見(jiàn)圖1）。觀測(cè)室上覆蓋層厚度近3.5m，設(shè)有3道船艙式密封門(mén)，阻止空氣對(duì)流，保障觀測(cè)室氣溫、氣壓和濕度維持穩(wěn)定狀態(tài)。觀測(cè)室外環(huán)境幽靜，遠(yuǎn)離各種人工干擾源，交通便捷，距主干公路104國(guó)道約1km。

2"觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

為了科學(xué)合理地評(píng)估溫州臺(tái)2021—2023年的重力觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文首先對(duì)原始秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，使用整點(diǎn)值數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理（原始觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于溫州地震監(jiān)測(cè)中心站和中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心重力站網(wǎng)運(yùn)行管理平臺(tái)，重力數(shù)據(jù)降采樣程序和預(yù)處理程序來(lái)自中國(guó)地震局地震研究所的韋進(jìn)副研究員），再采用重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)連續(xù)率、完整率、Nakai檢驗(yàn)百分比、M2波潮汐因子中誤差來(lái)衡量?jī)x器運(yùn)行的穩(wěn)定性、評(píng)估觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.1"數(shù)據(jù)預(yù)處理

通常而言，受氣壓、臺(tái)風(fēng)、停電、故障、地震事件響應(yīng)以及不明原因等影響，重力原始觀測(cè)記錄中會(huì)存在突跳（尖峰）、臺(tái)階、間斷、漂移等干擾現(xiàn)象［3］。由圖2（a）可見(jiàn)，溫州臺(tái)2021—2023年原始觀測(cè)數(shù)據(jù)也存在上述干擾。利用DataPreProcess4Singal軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理［4］，去突跳、臺(tái)階和漂移，剔除各種干擾因素，處理結(jié)果見(jiàn)圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）。

2.2"數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性作為重力觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠反映臺(tái)站重力觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可用情況［5］。從溫州臺(tái)2021—2023年gPhone重力儀產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率計(jì)算結(jié)果（表1）可見(jiàn)，過(guò)去三年的數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率均高于99%，符合重力資料觀測(cè)規(guī)范要求。2021年數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率均較低，主要是由臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)有兩次斷電故障造成的，重力儀重啟后觀測(cè)恢復(fù)穩(wěn)定。2023年數(shù)據(jù)完整率低于2022年，主要受臺(tái)站附近修建高速公路影響，隧道爆破施工造成的干擾數(shù)據(jù)作缺數(shù)處理。

Nakai檢驗(yàn)百分比，主要用于評(píng)價(jià)重力儀器記錄固體潮的總體情況。其值為觀測(cè)數(shù)據(jù)中與理論固體潮相關(guān)性較高、噪聲干擾較低的觀測(cè)數(shù)據(jù)段所占的比例［6］。根據(jù)重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，年度Nakai檢驗(yàn)百分比值應(yīng)大于60%，并且值越大，則數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。根據(jù)溫州臺(tái)2021—2023年重力整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)年度Nakai檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果（表1）可見(jiàn)，過(guò)去三年的重力觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果均大于60%，符合重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

M2波潮汐因子主要衡量重力儀對(duì)固體潮的響應(yīng)幅度，其值通過(guò)Venedikov調(diào)和分析方法計(jì)算得到［6］。從表2中可以看出，溫州臺(tái)在2021年至2023年期間的M2波潮汐因子呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性：2021年，變化范圍在1.169～1.178之間，年變化幅度為0.009；2022年，變化范圍在1171～1.175之間，年變化幅度為0.004；2023年，變化范圍在1.167～1.175之間，年變化幅度為0.008。從這三年的變化情況來(lái)看，M2波潮汐因子變化幅度均屬于正常范圍。

M2波潮汐因子中誤差，主要用于評(píng)價(jià)重力儀器對(duì)固體潮的觀測(cè)精度，其值計(jì)算方法是將觀測(cè)數(shù)據(jù)按2天分為1組，通過(guò)Venedikov調(diào)和分析方法計(jì)算觀測(cè)固體潮M2波振幅與理論固體潮M2波振幅的標(biāo)準(zhǔn)差［6］。根據(jù)重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，該值應(yīng)小于0.005，并且值越小，代表重力儀對(duì)固體潮的觀測(cè)精度越高。根據(jù)溫州臺(tái)2021—2023年重力整點(diǎn)值觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算M2波潮汐因子中誤差（表2）。由表2可知，過(guò)去三年的M2波潮汐因子變化范圍分別為0.00080～0.00343、0.00130～0.00361和0.00108～0.00454，均小于0.005，符合重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)上述對(duì)溫州臺(tái)gPhone重力儀連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析，說(shuō)明溫州臺(tái)的gPhone重力儀表現(xiàn)出穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，其產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅符合重力資料觀測(cè)的規(guī)范要求和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，而且能夠?yàn)橹亓η罢缀偷卣痤A(yù)報(bào)等研究領(lǐng)域提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3"地震事件響應(yīng)

gPhone重力儀秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)可記錄到距震中3500km范圍內(nèi)不同震中距、不同震級(jí)的地震事件［7］。根據(jù)國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（https：//data.earthquake.cn）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式目錄，檢索2021—2023年震中距（Δ）在3500km以內(nèi)、Ms＞3.0的地震事件，得到2333次地震，其中溫州臺(tái)gPhone重力儀秒采樣觀測(cè)數(shù)據(jù)共記錄到369次，震級(jí)為Ms3.9～7.9，震中距為230～3500km。統(tǒng)計(jì)溫州臺(tái)gPhone重力儀對(duì)以上369次地震事件的記錄情況，結(jié)果見(jiàn)圖，圖中黑色圓形表示記錄到完整的地震波形，空心方塊表示記錄地震以突跳波形顯示。

由圖可見(jiàn)：（1）當(dāng)Ms＜4.0時(shí)，溫州臺(tái)重力儀地震事件記錄能力弱，僅記錄到1次地震事件；（2）當(dāng)4.0≤Ms＜5.9時(shí)，震中距在2500km以內(nèi)，重力儀有較好的地震事件記錄能力，且隨著震中距的增大，對(duì)地震事件的記錄能力逐漸減弱；（3）當(dāng)Ms≥6.0時(shí)，重力儀能夠記錄到震中距3500km以內(nèi)的地震事件完整波形；（4）震中距在500km左右時(shí)，重力儀記錄到大量的地震事件，從溫州地震監(jiān)測(cè)中心站編寫(xiě)的重力觀測(cè)運(yùn)行月報(bào)中發(fā)現(xiàn)，這些地震事件多發(fā)生在我國(guó)

東南海域，表明對(duì)于該區(qū)域頻繁發(fā)生的地震活動(dòng)，溫州臺(tái)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)顯得尤為重要，可為地震活動(dòng)、強(qiáng)震遠(yuǎn)場(chǎng)影響等方面的研究提供數(shù)據(jù)保障。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：（1）溫州臺(tái)gPhone重力儀原始觀測(cè)數(shù)據(jù)受停電、爆破等因素影響，存在尖峰、臺(tái)階等干擾現(xiàn)象，采用DataPreProcess4Singal軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，去除各種干擾后，可用于重力學(xué)科、地震前兆等方面的研究；（2）溫州臺(tái)gPhone重力儀運(yùn)行情況良好，較為穩(wěn)定，重力觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)率、完整率均達(dá)到較高水平，內(nèi)在精度符合重力學(xué)科觀測(cè)質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)有效可靠；（3）溫州臺(tái)重力儀對(duì)震中距≤3500km，Ms＞3.0的地震事件擁有一定的記錄能力，但對(duì)不同震級(jí)、不同震中距的地震事件記錄能力不同，能夠完整記錄到震中距≤3500km，Ms≥6.0的地震事件，在震中距≤2500km時(shí)，對(duì)4.0≤Ms＜5.9的地震事件也具有較好的記錄能力，而當(dāng)Ms＜4.0時(shí)，對(duì)地震事件記錄能力較弱，且隨著震中距的增大而減少。（4）溫州臺(tái)gPhone重力儀能夠記錄到大量的震，可用于地震活動(dòng)、強(qiáng)震遠(yuǎn)場(chǎng)影響等方面的研究，為地震預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

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基金項(xiàng)目：浙江省地震局科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022zjj08）

作者簡(jiǎn)介：周懷斌（1997—"），男，漢族，江蘇鹽城人，工程碩士，助理工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作。