泰安台P E T重力仪2008—2010年观测运行分析

卢双苓，王 强，于庆民，王帅合，郝军丽，毛玉华

（1.泰安基准地震台，山东 泰安 271000；2.苍山地震台，山东 苍山 277700；3.长清地震台，山东 长清 250014）

泰安台P E T重力仪2008—2010年观测运行分析

卢双苓1，王 强1，于庆民1，王帅合2，郝军丽3，毛玉华1

（1.泰安基准地震台，山东 泰安 271000；2.苍山地震台，山东 苍山 277700；3.长清地震台，山东 长清 250014）

通过对泰安台重力仪2008—2010年观测运行分析，对仪器运行性能与总体质量分析评价，总结仪器故障原因及影响观测质量的因素，对曲线掉格现象进行统计。结果表明，仪器运行较好，记录质量较高，能清晰地记录到日变固体潮和地震波形，年变曲线连续完整，调和分析M2波中误差高达0.0005。仪器故障主要为雷击、数采死机、误操作和时间系统紊乱等。影响数据质量因素为雷击、数采故障、地震粘摆等。曲线掉格现象共发生15次，前后有中强地震的比率占80%。

泰安台；重力仪；观测运行；资料分析；数据质量

0 引言

LCR－PET重力仪是一种全自动型重力仪，可用于测量地球各点重力随时间的变化，也可以检测周期从秒到若干年的地球物理、地球动力学效应所导致的微小的重力场变化。PET潮汐重力仪开展重力观测，是国家地震局“十五”重点项目，泰安基准地震台（以下简称泰安台）成为已经开始运行的27个“十五”网络化站点之一。

重力仪器投入观测以来，许多专家对重力仪高频信号进行了系统分析，对仪器故障的排除等也做了一些总结［1－9］。本文对P E T重力仪在泰安台近3年的运行观测情况与所产出资料进行总结分析，探讨了运行过程中出现的故障和解决方法、记录曲线的小幅错动与地震之间的联系，并总结出影响观测质量的因素。

1 台站概况及形变仪器的基本情况

泰安台位于泰山南麓，地处鲁中隆起、泰山山前第四纪活动断裂北侧，台基为太古代花岗片麻岩，为结晶基底，岩体完整，致密均匀，可靠性良好，为全国一类形变台。仪器峒室坐标为东经117°07′22″，北纬36°12″35′，主峒进深约76m，最大覆盖厚度约29m，室温年变幅小于0.5℃。洞内现安装了SS－Y伸缩仪、DSQ水管倾斜仪、SSQ-2水平摆倾斜仪、VS垂直摆倾斜仪及PET潮汐重力仪［10］。

泰安台形变仪器观测布设见图1。

图1 泰安台形变仪器观测位置分布示意图

2 重力仪记录基本情况

LCR-PET重力仪结构紧凑，体积小、重量轻，自动化程度高，利于无人职守和远程控制，仪器性能稳定。仪器设计指标为：分辨力优于1×10－9ms－2；零漂小于1×10－5ms－2／月。

2.1 日变固体潮形态及地震波形

泰安台重力仪于2008年3月19—21日安装完成，编号为S／N49，采样率为秒钟值采样。有完整的固体潮记录并能记录到清晰的地震波形，图2（a）为2010年02月25日分钟值固体潮曲线，2（b）为仪器记录到的地震波形，2010年2月27日4：31琉球群岛7.2级和14：34智利8.5级地震。

图2 重力仪固体潮分钟值及地震波记录曲线

2.2 连续曲线

地倾斜观测记录的突出特点就是实现连续观测，这种连续观测对地震预报中短临震兆信息的提取、地学现象的研究都是很重要的。泰安台重力观测2009年正常连续曲线见图3。

2.3 漂移量

漂移量是用来衡量观测仪器及其墩基稳定程度或地壳继承性新构造运动的指标。仪器零漂一般受3方面因素的影响，即仪器本身的漂移、地球内部密度变化或物质迁移、外界干扰（包括温度、气压、电压、湿度等变化）。泰安台重力仪每月漂移量统计见表1。

表1 泰安PET重力2008—2010年重力漂移值（单位：10－8 m·s－2）

图3 2009年整时值连续曲线图

表1中计算月漂移量采用均值法，即每月最后一天日均值与1日日均值之差。由表1可以看出，自安装运行至本文截止日，泰安台PET潮汐重力仪的月漂移，除2008年6月（月漂移量1.0164×10－5m·s－2，原因为仪器安装初期自然漂移，也可能与2008年5月雷击故障，打开仪器更换元件有关）和2010年8月（月漂移量1.4073×10－8m·s－2，雷击故障，重调量程后产生了1212×10－8m·s－2差值，未做修正）超过设计指标，其他月份均小于设计指标。安装初期月漂移量较大，随着运行时间的增长而逐渐减小，尤其是到2009年8月以后，月漂移量值均在200×10－8m·s－2左右，基本为线性漂移，仪器已经处于比较稳定的工作状态。

3 重力仪常见故障

泰安台PET重力仪常见故障为雷击、数采死机、误操作和时间系统紊乱等。

3.1 雷击故障

泰安台重力仪自安装完成至2010年10月底，2次被雷击，2008年5月12日因雷击导致记录器网口和仪器R S 232串口芯片损坏，返厂维修停记16天；2010年8月19日数采盒的存储卡被雷击坏，返厂维修停记6天（图4）。

图4 泰安台重力仪故障记录曲线

3.2 数采故障

数采故障发生过2次。2009年10月31日，因网络出现故障，在检修网络、反复试验的过程中，重力仪数控机死机，同时体应变仪死机。网络连通后，重力仪仍不能登陆，检测为数采激死，重启后恢复工作，造成断记8h。

2010年6月17日3：34—16：53，数采故障缺数。实时监控8—15时的曲线一直正常，但15时后，监控显示走直线，此时重新登陆无法与仪器连通。进山峒检查未发现故障，重启数采没有反应，给供控机强行断电，再恢复供电，可进入仪器主页，但下载数据后，发现3：34—16：53之间的数据缺失。

分析故障原因，可能是供控机因某种原因激死，断电再供电后，时间系统紊乱，造成数据存储紊乱导致丢失。

3.3 误操作

为了实时监控曲线，工作人员经常登陆仪器主页，这样能随时检查仪器工作状态，及时发现故障，弊端是有可能误操作导致一些问题发生。

2009年11月23日误操作计算机键盘造成锁摆，重新开摆后的几天内固体潮趋势发生了变化，曲线受干扰较严重（图5）。

图5 重力2009年11月整时值曲线

3.4 时钟紊乱

P E T重力仪时钟系统，有时会出现时间系统紊乱，造成相位滞后。

2009年11月4日，查看连续曲线时发现相位滞后，检查仪器时钟慢5m i n，通过登陆仪器主页，利用“重启系统”功能校准时钟。

在2010年8月26日雷击数采恢复工作后，8月27日收集前一天数据时，发生“采集不到数据”的情况。检查发现时钟滞后16min。登陆主页用“重启系统”功能，自动校准时钟。

4 记录曲线错动（掉格）现象分析

局部岩体存在巨大应力是发生地震的直接原因。岩石的压力试验表明，岩石在加压过程中开始是弹性变形，体积压缩，密度增加，对应局部重力增大。当压力增加到接近岩石破裂的临界状态时，岩石并不是继续压缩，而是膨胀，出现微裂，这时重力有所下降，超过临界值时，岩石从弹性变形过渡到塑性变形而发生破裂［11］。

在数据处理的过程中，发现泰安台重力曲线多次发生错动（掉格）现象，而且当天并没有明显的可知干扰源，有时在错动前后会伴随中强地震发生，已经引起观测人员的注意。如2010年2月18日21：40发生原因不明的错动，数值从9080.3降到9068.1，错动量达到12.2（10－8m·s－2）（图6a），在此前的9：21发生了1次中俄交界6.5级地震（130.8°E，42.6°N）。2010年4月13日17：32曲线错动，2min内由9518.2降到9514.3，错动了3.9（10－8m·s－2），14日7：49：40发生玉树7.1级地震，之后15：52又发生错动，2min内错动量20.0（10－8m·s－2）（图6b）。这种错动是否与地震有关，是否为地震前后大地变形所致，不能确定。

图6 重力仪发生错动的曲线

同样，对照2009年的资料，6月16日10：23—10：26发生错动9.367（10－8m·s－2），但16日前后1天均未发生地震，只有6月14日哈萨克斯坦5.6级地震，但此次地震震级较小，且震后2天才发生掉格错动，因此认为16日的错动与14日地震关系不密切。

为了寻找曲线错动与地震之间的关系，就2008年3月21日安装运行至2010年10月截止，对错动（掉格）现象进行了统计，统计结果见表2。

根据表2统计，2008—2010年近3年的资料共有15次错动现象，其中有10次前后1日内均发生6.0～7.9级地震，1次错动后2日内有7.7级强震，有震错动占73%；3次前后2日内均无中强地震，占20%。还有1次错动，虽然震前有6：20哥斯达黎加6.1级地震，但震中距太远，震级偏小，应与地震关系不密切。

曲线错动（掉格）前后的地震时空关系为：6级以上地震，震中距一般在4000km以内（占4次）；7级以上地震震中距在5000km以上（占6次）。

到底PET潮汐重力仪的这种错动与地震是否有关系，关系密切到何种程度，鉴于目前资料时间较短（仅不到3年时间），震例较少，尚不能下结论，但这种现象可对今后的前兆观测研究予以借鉴和参考。

5 影响观测资料质量的因素分析

数字化观测资料提供了更为精细和丰富的信息资源，有利于发挥地壳形变观测物理量、几何量值的效能，为地震预报、研究工作的开展提供更为充分的信息。重力观测质量的评定包括连续率和数据精度指标。重力固体潮观测资料精度指标包括NAKAI检验精度、各潮汐波的月调和分析及年调和分析精度。表3给出了泰安台重力仪2008年至2010年11月各月的精度指标。

根据上面对仪器故障和曲线错动（掉格）现象的分析，影响数据观测质量的因素已经非常明晰。

（1）雷击、数采故障、地震粘摆等是影响连续率的主要原因

例如2次雷击，2008年5月12日和2010年8月19日因雷击导致停记16天和7天；2009年10月31日和2010年6月17日因数采故障造成断记8小时和15小时，对观测质量影响非常大。2009年仪器运转较正常，没有发生较大故障，全年连续率高达99.9%。

（2）曲线错动（掉格）和仪器故障为影响精度的主要原因

从表3中可以看出，2010年2月和4月、2009年6月以及11月精度较其他月低1个数量级，同时NAKAI检验百分比也低，小于2的段数达不到100%。

查阅这几个月精度较低的原因，发现多数情况为曲线错动（掉格）所致。因重力的精度很高，达到万分位的量级，故几至十几个微伽的变化量对精度的影响是相当大的。2009年11月精度更低，仅为0.00588，原因即“重力仪常见故障”中所述，11月4日16：29—16：31时钟慢5min，重启后校准时钟；11月23日误操作计算机键盘造成锁摆影响。

总结影响重力资料质量的原因，一是不明原因的错动，造成前后不衔接；二是仪器故障影响质量，如雷击造成断记、数采故障紊乱造成断记和误操作造成锁摆等。

表2 PET潮汐重力仪掉格现象汇总（单位：10－8 m·s－2）

表3 2010年泰安台PET重力仪NAKAI检验统计与调和分析M2波精度统计

6 讨论与结论

通过以上对泰安台重力仪2008—2010年观测运行分析，得出如下结论：

（1）仪器运行性能与总体质量分析评价：仪器运行较好，记录质量较高，能清晰地记录到日变固体潮和地震波形，年变曲线连续完整，2009年连续率达99.9%；漂移量小于设计指标，自2009年8月以后月漂移量值均在200×10－8m·s－2左右的线性漂移，仪器已经处于稳定的工作状态；数据精度较高，最好月份的调和分析M2波中误差为0.0005，高达万分位。

（2）仪器故障主要为雷击、数采死机、误操作和时间系统紊乱等。

（3）影响数据连续率的因素为雷击、数采故障、地震粘摆等，影响数据精度的原因，除仪器故障造成的影响，还有曲线不明原因的错动（掉格）影响。

（4）对曲线掉格现象进行统计分析，共发生15次错动，前后有中强地震的比率占80%，鉴于目前资料尚短，震例很少，错动与地震之间是否存在着关联，还需要更多资料的积累。

［1］ 郝晓光，胡小刚，许厚泽，等.汶川大地震前的重力扰动［J］.大地测量与地球动力学，2009，28（3）：15-19，24.

［2］ 韦进，郝洪涛，康开轩，等.汶川地震前成都台重力的高频扰动［J］.大地测量与地球动力学，2009，29（增刊）：15-19，24.

［3］ 李杰，卢双苓，殷海涛，等.泰安重力观测高频波动信号分析［J］.西北地震学报，2009，31（3）：265-271.

［4］ 王梅，季爱东，郑建常，等.台风引起的重力扰动现象［J］.地震学报，2009，31（3）：641-649.

［5］ 杜斌，周秀忠，邓建平，等.成都地震台重力仪故障分析与排除［J］.地震地磁观测与研究，2008（4）：89-92.

［6］ 包秀敏，刘长生，马莉，等.沈阳台PET型重力仪运行概况及故障解决方法 ［J］.防灾减灾学报，2010，26（3）：77-79.

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［8］ 苏树朋，李津津，张勤，等.易县地震台形变资料对汶川8.0级大地震的反应［J］.华北地震科学，2009，（2）：54-58.

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［10］ 卢双苓，李峰，于庆民，等.泰安地震台钻孔应变固体潮畸变的分析探讨［J］.华北地震科学，2008，26（2）：49-52.

［11］ 赵晓燕，陈春生.重力观测技术［M］.北京：地震出版社，1997：175.

Analysis on the Operation of Gravimeter in Tai’an Seismic Station from2008to 2010

LU Shuang-ling1，WANG Qiang1，YU Qing-min1，WANG Shuai-he2，HAO Jun-li3，MAO Yu-hua1
（1.Tai’an Fiducial Seismic Station，Shandong Tai’an 271000，China；
2.Cangshan Seismic Station，Shandong Cangshan 277700，China；
3.Changqing Scismic Station，Shandong Changqing 250014，China）

Based on observation data of Tai’an station from 2008to 2010，the malfunctions and solutions during the operation of gravimeter are summarized，the observation data was preliminary analyzed.Whether there is a relationship between the small dislocations of the recorded curve and the earthquake is discussed，the factors that affect the observation quality are also listed.The essence conditions of the gravimeter are as follows：the monthly drift is 257.17×10－8m／s－2；the precision of the gravimeter is as high as 0.00053；Most of the malfunctions are lightning strike，data acquisition system halt，misoperation and time system turbulence；the factors that affect the data quality are lightning strike，data acquisition system malfunction，pendulum sticked caused by earthquakes and observation curve dislocations.According to the statistic data，there are 73%，eleven times，of the fifteen dislocations are close to mid or strong earthquakes.

Tai’an station；gravimeter；operation；data analysis；quality of data

P 315.622

A

1003－1375（2012）01－0012－06

2010-11-24

山东省地震局合同制项目（11Y 11）；中国地震局三结合课题（SD 2010SJH 02）

卢双苓（1973－），女（汉族），河北文安人，工程师，主要从事地壳形变观测工作.E-mail：taia i xing bian＠tom.com