蓟县地震台重力仪观测数据质量与水文响应分析

赵黎明 李恩建 高冰莹 胡雪琪 彭钊 王建国 朱冰清

（中国天津 300000 天津市地震局）

0 引言

地震台站重力测量是一种定点观测。通过对重力加速度进行连续观测可得到重力潮汐资料，进而可以利用观测数据开展潮汐或非潮汐变化的研究工作（李盛等，2015）。根据降水和静水位确定定点重力观测的水文响应模型，对去除干扰、了解地壳内部物质迁移过程及深部构造活动具有一定意义（Naujoks et al，2010；韦进等，2012；佘雅文等，2015）。佘雅文等（2015）利用BAYTAP-G 软件对十三陵地震台gphone 重力仪数据进行处理分析，认为降水可导致µGal 量级的重力加速度变化；马险等（2017）利用Tsoft 软件对秭归地震台gphone重力仪数据进行处理分析，认为重力仪能够有效监测三峡水库库区蓄水的重力响应。Tanaka（2010）使用2 台gPhone 获取的重力加速度残差时间序列较好地反映了重力加速度变化与降水间的关系，并用Kazama 建立的水文模型较好地模拟了重力加速度的变化。本文利用Data PreProcess4 Singal 软件对蓟县地震台同台址不同型号的2 套重力仪观测数据进行处理，评价观测资料质量，并在此基础上分析连续重力观测的水文响应特征。

1 台站简介

蓟县地震台在首都圈中东部、“燕山沉降带”的“京东台凹”北部，是全国定点地壳形变基本台。该台地处燕山山脉与华北平原接壤地带，位于震旦系石灰岩上，该区域地貌上属山前丘陵平原地。台站位于山的南坡山麓，海拔高程65 m，向南约2.5 km 为面积120 m2、库容2 亿—3 亿m3的于桥水库，附近断裂构造较复杂，与其关系较密切的有蓟县山前断裂、杨庄断裂、黄崖关断裂等，台站位置见图1。

图1 台站位置Fig.1 Distribution of stations

蓟县地震台有2 套重力仪，分别为GS-15 型相对重力仪（简称GS-15 重力仪）、DZW型相对重力仪（简称DZW 重力仪）。GS-15 重力仪1999 年由宝坻搬至蓟县进行观测，随着“十二·五”项目的建设，蓟县地震台院内新建460 m 长的观测山洞，2017 年安装了DZW重力仪，2018 年1 月1 日起正式观测。GS-15 重力仪为分钟值采样，安装在基岩观测墩上，顶部覆盖层15 m，距洞口60 m。DZW 重力仪为秒采样观测仪器，安装在高标号水泥墩子上，距洞口约105 m。2 套仪器分别位于台站院内的2 个山洞内，2 套仪器相距不足100 m，地质、地理环境一致。

2 观测资料质量

观测质量指标包括连续率、完整率、M2波潮汐因子中误差等。为科学合理地评价蓟县地震台2 套重力仪观测资料的质量，选取2018—2019 年蓟县地震台GS-15、DZW 重力仪观测数据，统计数据连续率、完整率、M2波潮汐因子中误差等进行检验。

2.1 一般性评价

统计2018—2019 年蓟县地震台GS-15、DZW 重力仪观测数据的连续率、完整率，结果见表1。

表1 蓟县台重力仪观测数据连续率、完整率（单位：%）Table 1 Statistics of continuous rate and complete rate of observation data of two sets of gravimeters at Jixian Station

由表1 可见，2018 年DZW 重力仪数据连续率、完整率均低于GS-15 重力仪，调取日志检查发现，DZW 重力仪所在山洞因电源不稳，出现3 次重力仪停电事件，而且多次进洞检修UPS 不间断电源线路，进洞干扰较多。2019 年GS-15 重力仪的完整率低于DZW重力仪，这主要因为GS-15 重力仪遭到1 次雷击，检修仪器造成长时间缺数。

2.2 内在质量评价

2.2.1 M2波潮汐因子。分析蓟县地震台2 套重力仪2018—2019 年重力整点值观测数据M2波潮汐因子变化，利用EIS2000 地震前兆信息系统（蒋骏等，2000），采用2 日（48 h）调和分析，结果见图1。由图1 可见，DZW 重力仪M2波潮汐因子约为1.14，较平稳；GS-15重力仪为1.15—1.19，变化幅度为0.04，属正常变化幅度范围。

图2 2018—2019 年蓟县地震台重力仪观测数据M2 波潮汐因子（整点值）Fig.2 The M2 wave tide factor of the observation data of two sets of gravimeters at Jixian Station from the year of 2018 to 2019 (the whole point value)

2.2.2 M2波潮汐因子相对中误差。M2波潮汐因子相对中误差是衡量重力观测资料精度的一项重要指标。其定义为M2波潮汐因子与其中误差的比值，消除了潮汐因子对观测精度的影响（范文华等，2020）。

对2018—2019 年蓟县地震台2 套重力仪整点值观测数据进行调和分析，得到M2波潮汐因子相对中误差，结果见表2。按照《地震及前兆数字观测技术规范》（中国地震局，2001）的要求，M2波潮汐因子相对中误差需小于0.02，测值越小，观测精度越高。由表2可见，蓟县地震台2 套重力仪观测数据质量较好，观测精度较高。

表2 蓟县地震台重力仪观测数据M2 波潮汐因子相对中误差Table 2 Statistics of the relative median error of the M2 wave tide factor of the two sets of gravimeters at Jixian Station

3 水文响应分析

地下水变化与降雨是影响重力观测的重要因素之一。近年来，有关水文变化对连续重力观测影响的研究已经从经验性转变为利用物理模型（Tanaka，2010；佘雅文等，2015）。对蓟县地震台2 套重力仪观测数据进行处理，包括去固体潮、零漂、气压校正等，得到主要与水文变化相关的重力残差。图3 为2018—2019 年2 套重力仪预处理数据、辅助观测值、残差时间序列。其中，图3（a）为仪器观测到的原始重力加速度数据，经过中国地震前兆台网数据处理系统对数据中的尖峰、突跳、阶跃等干扰信号进行手工修正，通过已处理好的分钟值数据得到小时值数据；图3（b）为理论固体潮数据；图3（c）为台站实际观测到的气压值，去除2 套仪器的大气负荷效应时采用的是大气重力导纳值法，即采用线性模拟扣除大气负荷的影响（马险等，2017），取一般大气导纳值-0.3μGal/hPa；图3（d）为理论固体潮改正之后的重力加速度残差；图3（e）为去漂移的零漂模型；图3（f）为去掉零漂之后的重力加速度残差数据序列；图3（g）为去九阶多项式模型；图3（h）为去九阶多项式和气压校正之后的重力加速度残差序列。

图3 DZW、GS-15 重力仪各项改正流程（a）原始观测资料；（b）理论固体潮；（c）台站实测气压；（d）去固体潮之后重力残差；（e）一阶零漂模型；（f）去零漂之后残差；（g）去九阶多项式模型；（h）去九阶多项式和气压校正之后重力残差采样率：hFig.3 The correction flow of the gravimeter (sampling rate:h)

由图3（d）可见，2 套仪器去固体潮之后的重力加速度残差总体变化趋势一致，但去掉一阶零漂之后，重力加速度残差变化不一致。由图3（h）可见，GS-15 重力仪比DZW 重力仪重力加速度残差变化平缓，且无周期性变化。由于2 套仪器外部环境相同，所以差异来源于仪器本身。台站人员多次检修DZW 重力仪，发现仪器电路部分存在问题，故数据变化较大。鉴于此，有关水文活动引起重力加速度残差变化的讨论仅涉及GS-15 重力仪。

3.1 降雨造成的重力加速度变化

GS-15 重力仪小时值数据经过固体潮改正、气压改正、一阶零漂改正之后的重力加速度残差，即最终残差的主要成分为水文变化所引起的重力响应。图4 为2018—2019 年GS-15 重力仪重力加速度最终残差与降水量。由图4 可见，重力加速度残差与降水间存在较好的对应关系。

图4 GS-15 重力仪重力残差与降水量Fig.4 Comparison of GS-15 gravity residual and precipitation

图5（a）、5（b）、5（c）分别为2018 年4 月1 日至5 月7 日、2018 年6 月13—19 日、2018 年6 月26 日至7 月27 日GS-15 重力仪重力加速度残差与降水量。由图5 可见，大部分情况下重力加速度与降水量间满足降水时重力减小，降水后重力变大的规律。产生这一现象的原因主要是重力观测室位于山的南坡山麓，海拔较低，当降水开始时，雨水覆盖到地表，在山上的雨水对重力仪产生引力倾斜向上，与重力仪处于同一高度的雨水对重力仪的引力相互抵消，这时重力加速度值减小。当降水结束后，高处的雨水会流向低处，逐渐渗透到低于重力仪的地层中，此时重力仪受到下部含水层引力的影响，重力加速度值变大。Naujoks 等（2010）使用超导重力仪，佘雅文等（2015）使用gPhone 重力仪也观测到了类似现象。

图5 2018 年GS-15 重力仪重力残差与降水量（a）4 月1 日至5 月7 日；（b）6 月13—19 日；（c）6 月26 日至7 月27 日Fig.5 Time series of GS-15 gravity residual and precipitation

3.2 重力加速度残差与地下水静水位间的关系

图6 为GS-15 重力仪的重力加速度最终残差与蓟县地震台、桑梓地震台静水位。GS-15 重力仪距蓟县地震台水位仪约100 m，距桑梓地震台水位仪约37 km。由图（6）可见，连续重力观测加速度残差曲线与桑梓地震台静水位间存在较好的相关性，水位上升时重力加速度增大，水位下降时重力加速度减小。产生这一现象的原因主要是地下水位上升时地下水体质量增加，由地下水体产生的向下引力增大，从而导致重力观测值增大；反之，则重力观测值减小。由图6 可见，重力加速度变化与静水位间存在7 天左右的延迟对应关系，这可能是地下水流动造成的。由于地下结构较复杂，地下水活动受地下水流动、断层阻碍等较多地质环境的影响，这都会造成水文活动对重力变化影响的延迟（Dehant，1987；Naujoks et al，2010；佘雅文等，2015）。

图6 GS-15 重力仪重力加速度残差与静水位（a）桑梓地震台；（b）蓟县地震台Fig.6 Time series of residual of acceleration gravity of GS-15 and static water level

3.3 重力加速度残差与水库水位间的关系

图7 为GS-15 重力仪重力加速度最终残差与于桥水库水位（采样率为d）。由图7 可见，连续重力观测加速度残差曲线与水库水位间存在较好的相关性，水库水位上升时重力加速度增大，水库水位下降时重力减小。产生这一现象的原因主要是水库水位上升时，地下水体质量增加，由地下水体产生的向下引力增大，从而导致重力观测值增大；反之，则重力观测值减小。且重力加速度与水库水位间也存在6 天左右的延迟对应关系。

图7 GS-15 重力仪重力加速度残差与于桥水库静水位Fig.7 Time series of residual of acceleration gravity of GS-15 and static water level of Yuqiao reservoir

4 结论

对2018—2019 年蓟县地震台2 套相对重力仪观测数据进行潮汐分析和提取非潮汐重力加速度残差处理，研究水文变化所引起的重力响应。结果表明：①蓟县地震台2 套重力仪的观测精度较高；②DZW 重力仪仪器运行时间较短，仪器运行不稳，而且仪器多次受电源故障影响，数据残差变化较大；③GS-15 重力仪重力加速度残差与降水量间存在较好的对应关系，大多数情况下满足降雨时重力减少、降雨结束后重力增大的规律；④GS-15重力仪重力加速度残差与地下静水位、于桥水库水位间均存在较好的相关性，水位上升时重力增大，水位下降时重力减小，但都存在延迟对应关系，且相距越远台站（如桑梓地震台）的地下静水位与蓟县地震台GS-15 重力仪重力加速度残差间相关性越好。