地震活动性监测对绝对重力测量精度分析

卢红娅 吴 琼 滕云田 尹晶飞

1）中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所

2）中国杭州310013 浙江省地震局

0 引言

地震的发生会导致震中一定区域范围内地下物质的分布状态发生变化，从而导致该区域重力值发生变化。研究这种区域性地震重力变化，能加深我们对地震发生规律与地震发生前后地下物质结构变化的认识。重力监测作为一种地震预报辅助手段，近年已有大量研究资料，综合精密的重力仪器监测与合理的仪器组网技术，可以监测这种源自地震的细微重力变化（申重阳等，2009；Yoshiyki Tanaka et al，2010）。

高精度绝对重力测量在地震监测中主要发挥以下作用：①通过多点复测确定区域重力场变化，与流动相对重力测量相比，测量效率高，测量精度高，容易实现目标区域地下重力场变化，为地震预报提供高精度数据资料（张为民等，2008）；②利用高精度绝对重力仪器完成长基线定期复测，以完成对相对重力仪的格值和零漂的标定和修正，提高由相对重力仪构建的重力监测台网对地震的监测能力（游泽霖，1984；吴雪芳，1995；王林松，2012）；③高精度绝对重力测量数据还可以用于卫星重力测量数据的误差标定，提高卫星重力数据对大时空跨度地震活动性的监测能力（刑乐林等，2010；Sun W，2010；Stephen H，2012）。

如今，绝对重力不断拓宽的应用范围与不断提升的性能要求，使绝对重力仪的研发成为一项重要的国际攻关项目。美国LaCoste公司生产的FG-5及FG-5X绝对重力仪系统偏差（即绝对精度）为 2μGal（国际单位制下，1μGal=10-8m/s2），准确度为 60μGal，即精度3.75 min，优于1μGal；适用于野外测量的A-10型绝对重力仪测量系统偏差为10μGal（Fukuda Y et al，2010）。FG-5和A-10绝对重力仪应用广泛，系统偏差和准确度经过不同测量环境的考验（Sasagawa G et al，1995；Xing L et al，2009），是目前市场化程度较好的绝对重力测量设备。还有很多国家的研究团体致力于不同测量和控制原理的绝对重力仪研发。德国的MPG-2型绝对重力仪系统偏差为38.8μGal（Agostino et al， 2008），中国的NIM-Ⅱ型绝对重力仪系统偏差优于10μGal（郭有光等，1998），也是目前性能较好的两种绝对重力仪。

近年来我国多家机构专注于自主研发绝对重力仪。中国计量科学研究院研发的NIM-Ⅳ型绝对重力仪致力于高精度、小型和移动性；清华大学T-1型绝对重力仪在背景噪声较小的类基岩测点12小时内重力测值标准差可优于1μGal，测量结果复现性优于3μGal（胡华，2012）；中国地震局地球物理研究所在2013年研制的新型激光干涉绝对重力仪，在背景噪声较小的基岩点，实现了系统偏差（－27.46—－30.59）±3.06μGal、2小时精度优于10μGal的测量（滕云田等，2013）。基于不同测量原理的绝对重力仪设计，可为确定绝对重力仪器自身测量系统偏差和不确定度起到重要作用；在地震领域，可在确定数据观测质量和落实数据异常等方面起到积极作用。

本文从近年来地震重力资料出发，讨论利用绝对重力测量数据观测不同震级、震中距、时间跨度的重力变化规律，通过统计重力与地下活动性相关的研究资料，讨论高精度绝对重力仪的不同应用重点，给出基于实际应用的适配的绝对重力仪精度要求，为自主研发绝对重力仪在地震监测中的适用精度提供参考。

1 与地下活动相关的重力观测资料

1.1 重力测量异常与数次大地震的对应关系

搜集1996年以来MS> 6.0地震重力资料带来的μGal级重力数据变化，见表1。给出了9次MS> 6.0大地震基本信息以及震中距不同的仪器记录的同震重力效应，表中数据均为根据仪器测量精度排除潮汐、误差后的结果。数据的时间跨度长短不同，但均是以地震发生时间为中点，震后与震前的观测数据比较所得的重力变化值，其数值精确到0.5μGal。测量仪器中，FG-5系统偏差为1—2μGal；LCR为10μGal；LacosteET-20提供连续重力记录，精度在10μGal左右；超导重力仪是精度（约0.1μGal）最高的重力仪。

1.2 基于重力与地下活动关系研究的数据资料

（1）1975年2月4日辽宁海城7.3级地震前后，在震中以西不远处一条剖面上进行重力测量，剖面上两个测点重力差的测量均方误差小于40μGal，一年间隔内重力差值最大达352μGal（陈运泰等，1980）。

（2）通过重力经典平差处理，得到了1989年10月大同—阳高地震前后华北地区形变场资料，对形变特征的分析证实山西中南部地区重力趋势异常（谢觉民，1996）。

（3） 1995年10月6日古冶5.0级地震中，通过精度在60μGal以内的相对重力台网观测，经过形变、系统差等各项改正后找到明显的地震前兆反映（贾民育等，2006）。

（4） 2011年3月11日日本海域9.0级地震前后7天，位于湖北武汉的超导重力仪观测到了最大为5 mGal的重力异常（王林松等，2012）。

（5）观测到鄂西渝东块重力异常值的100 mGal量级变化，据此推断地质构造变化（杨振武，2003）。

（6）西藏拉萨点在1995—2004年FG-5重复观测结果给出绝对重力值以-1.82±0.9μGal/a的速率下降，计算转换得拉萨点该阶段的隆升速率为8.7 mm/a（王勇等，2004）。

表1 地震信息与同震重力变化值的统计对应关系Table 1 The corresponding relationships between the earthquake and its coseismic gravity change

图1 地震信息与重力长期变化值的对应关系Fig.1 The corresponding relationships between theearthquake and its coseismic gravity change

2 资料分析

本文的研究重点在于重力资料是否能满足地震观测所需精度。基于表1，可将问题转化为考察微伽级精度资料是否能反映震级、震中距、时间跨度与重力扰动的普适性关系。

由表1作出震级与重力扰动分布图，见图1。由图可见，若不考虑时间跨度和震中距的差别，对于近震，最长时间跨度为3年，9个MS6.0—9.0地震均产生（1—15）μGal的重力变化。但此时数据未显示线性特征，即地震活动性引起的重力场变化不仅仅与震级相关。

将时间跨度、震级限定在一定范围内，考察震中距与最大重力扰动关系，见图2。图2（a）中，因时间与震级跨度小，震中距与最大扰动值显示出明显的线性特征；而图2（b）因时间与震级的跨度均较大，线性特征不明显，但依然表现出随震中距增大、最大扰动值减小的特征。可见，震中距与重力扰动呈负相关规律，与实际相符。

图3是根据GRACE卫星重力数据，将区域尺度限定在100 km内，震级在8.7—9.0内，资料提供的5个数据（有不同地震两点重合的情况）显示出随时间跨度增大、最大扰动增大的特征（无论是否线性），与实际结果相符。

图2 震中距与最大扰动关系（a）时间跨度1年内7—8级地震；（b） 时间跨度2天至2个月6.1—9.0级地震Fig.2 The corresponding relationships between the distance and its coseismic gravity change

根据分析，精度在1μGal以内的重力数据足以反映6级以上地震近震造成的变化规律。反映在绝对重力仪的要求上，直接观测中，仪器需达到FG-5的精度时数据才有价值；若要通过控制相对重力值来提供这类观测数据，绝对重力仪也应至少保持（3—5）μGal精度。

此外，根据标题1.2统计资料给出的研究方向，除直接观测重力与地震的关系外，精度大于微伽级的数据资料也有其地下活动性方面的研究价值。百微伽级精度的重力数据能为以下情况提供有意义的数据资料：①极远距离大震或地方震同震重力变化；②以年为单位的重力场长期变化。毫伽精度重力数据能为以下情况提供有意义的数据资料：③远距离大震在数天内的同震重力变化；④重力场长期缓慢变化，联系到地质结构特征变化。此外，根据微伽级精度数据能得到以毫米为单位的板块运动年平均速度。

因为重力资料在地震监测中的局限性及测量难度所限，在研究中并未得到大量同类震例。由于数据量及不同地震特殊性的限制，分析结果仅作为统计参考，地震观测中重力仪精度可以参考本文建议。

图3 GRACE重力数据记录的时间跨度与最大扰动关系Fig.3 The corresponding relationships between the time span and its coseismic gravity change recorded by GRACE data

3 结论

综上所述，不同测量精度的重力数据可为不同地震的相关研究提供有意义的研究资料。

（1）MS> 6.0的近震（震中距在1 000 km以内）在一年以内引起的同震重力变化约在15μGal以内，因震中距、时间跨度的变化而有所增减。这样的变化可以通过微伽级重力观测技术监测。直接观测的绝对重力仪需达到微伽量级精度，而间接观测的绝对重力仪精度最低在（3—5）μGal。

（2）大震远震在数天内或记录地方震时，重力场变化可达百微伽量级。

（3）拉长时间跨度，同震重力变化会增大。仪器的震中距在大约100 km以内时，以年为单位的重力变化常可达百微伽乃至毫伽量级，资料可用于研究重力场中长期变化。进一步拉长时间跨度，会产生毫伽量级的重力变化，此时可通过研究重力场长期缓慢变化来探测地质结构特征变化。

（4）以mm/a为单位的板块运动速度的计算要求重力记录精度在（1—2）μGal。且常使用直接的绝对重力仪观测值，目前只有FG-5能满足要求。

在中国，绝对重力仪仍未普及，造成相对重力监测常无法提供足够精确的地震资料。目前大部分重力仪精度水平能准确提供（2）与（3）所述资料，但少有仪器能满足（1）与（4）的观测精度要求，而后两者正是地震重力和板块运动研究的重要指标。微伽级精度绝对重力仪的研发和合理的仪器布设，仍然是重力观测中不可忽视的问题。

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