盧雙苓，王 強(qiáng)，于慶民，王帥合，郝軍麗，毛玉華

（1.泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)，山東 泰安 271000；2.蒼山地震臺(tái)，山東 蒼山 277700；3.長(zhǎng)清地震臺(tái)，山東 長(zhǎng)清 250014）

泰安臺(tái)P E T重力儀2008—2010年觀測(cè)運(yùn)行分析

盧雙苓1，王 強(qiáng)1，于慶民1，王帥合2，郝軍麗3，毛玉華1

（1.泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)，山東 泰安 271000；2.蒼山地震臺(tái)，山東 蒼山 277700；3.長(zhǎng)清地震臺(tái)，山東 長(zhǎng)清 250014）

通過(guò)對(duì)泰安臺(tái)重力儀2008—2010年觀測(cè)運(yùn)行分析，對(duì)儀器運(yùn)行性能與總體質(zhì)量分析評(píng)價(jià)，總結(jié)儀器故障原因及影響觀測(cè)質(zhì)量的因素，對(duì)曲線掉格現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，儀器運(yùn)行較好，記錄質(zhì)量較高，能清晰地記錄到日變固體潮和地震波形，年變曲線連續(xù)完整，調(diào)和分析M2波中誤差高達(dá)0.0005。儀器故障主要為雷擊、數(shù)采死機(jī)、誤操作和時(shí)間系統(tǒng)紊亂等。影響數(shù)據(jù)質(zhì)量因素為雷擊、數(shù)采故障、地震粘擺等。曲線掉格現(xiàn)象共發(fā)生15次，前后有中強(qiáng)地震的比率占80%。

泰安臺(tái)；重力儀；觀測(cè)運(yùn)行；資料分析；數(shù)據(jù)質(zhì)量

0 引言

LCR－PET重力儀是一種全自動(dòng)型重力儀，可用于測(cè)量地球各點(diǎn)重力隨時(shí)間的變化，也可以檢測(cè)周期從秒到若干年的地球物理、地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)所導(dǎo)致的微小的重力場(chǎng)變化。PET潮汐重力儀開(kāi)展重力觀測(cè)，是國(guó)家地震局“十五”重點(diǎn)項(xiàng)目，泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱泰安臺(tái)）成為已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行的27個(gè)“十五”網(wǎng)絡(luò)化站點(diǎn)之一。

重力儀器投入觀測(cè)以來(lái)，許多專家對(duì)重力儀高頻信號(hào)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)儀器故障的排除等也做了一些總結(jié)［1－9］。本文對(duì)P E T重力儀在泰安臺(tái)近3年的運(yùn)行觀測(cè)情況與所產(chǎn)出資料進(jìn)行總結(jié)分析，探討了運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障和解決方法、記錄曲線的小幅錯(cuò)動(dòng)與地震之間的聯(lián)系，并總結(jié)出影響觀測(cè)質(zhì)量的因素。

1 臺(tái)站概況及形變儀器的基本情況

泰安臺(tái)位于泰山南麓，地處魯中隆起、泰山山前第四紀(jì)活動(dòng)斷裂北側(cè)，臺(tái)基為太古代花崗片麻巖，為結(jié)晶基底，巖體完整，致密均勻，可靠性良好，為全國(guó)一類形變臺(tái)。儀器峒室坐標(biāo)為東經(jīng)117°07′22″，北緯36°12″35′，主峒進(jìn)深約76m，最大覆蓋厚度約29m，室溫年變幅小于0.5℃。洞內(nèi)現(xiàn)安裝了SS－Y伸縮儀、DSQ水管傾斜儀、SSQ-2水平擺傾斜儀、VS垂直擺傾斜儀及PET潮汐重力儀［10］。

泰安臺(tái)形變儀器觀測(cè)布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1 泰安臺(tái)形變儀器觀測(cè)位置分布示意圖

2 重力儀記錄基本情況

LCR-PET重力儀結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，自動(dòng)化程度高，利于無(wú)人職守和遠(yuǎn)程控制，儀器性能穩(wěn)定。儀器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：分辨力優(yōu)于1×10－9ms－2；零漂小于1×10－5ms－2／月。

2.1 日變固體潮形態(tài)及地震波形

泰安臺(tái)重力儀于2008年3月19—21日安裝完成，編號(hào)為S／N49，采樣率為秒鐘值采樣。有完整的固體潮記錄并能記錄到清晰的地震波形，圖2（a）為2010年02月25日分鐘值固體潮曲線，2（b）為儀器記錄到的地震波形，2010年2月27日4：31琉球群島7.2級(jí)和14：34智利8.5級(jí)地震。

圖2 重力儀固體潮分鐘值及地震波記錄曲線

2.2 連續(xù)曲線

地傾斜觀測(cè)記錄的突出特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，這種連續(xù)觀測(cè)對(duì)地震預(yù)報(bào)中短臨震兆信息的提取、地學(xué)現(xiàn)象的研究都是很重要的。泰安臺(tái)重力觀測(cè)2009年正常連續(xù)曲線見(jiàn)圖3。

2.3 漂移量

漂移量是用來(lái)衡量觀測(cè)儀器及其墩基穩(wěn)定程度或地殼繼承性新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)。儀器零漂一般受3方面因素的影響，即儀器本身的漂移、地球內(nèi)部密度變化或物質(zhì)遷移、外界干擾（包括溫度、氣壓、電壓、濕度等變化）。泰安臺(tái)重力儀每月漂移量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

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

圖3 2009年整時(shí)值連續(xù)曲線圖

表1中計(jì)算月漂移量采用均值法，即每月最后一天日均值與1日日均值之差。由表1可以看出，自安裝運(yùn)行至本文截止日，泰安臺(tái)PET潮汐重力儀的月漂移，除2008年6月（月漂移量1.0164×10－5m·s－2，原因?yàn)閮x器安裝初期自然漂移，也可能與2008年5月雷擊故障，打開(kāi)儀器更換元件有關(guān)）和2010年8月（月漂移量1.4073×10－8m·s－2，雷擊故障，重調(diào)量程后產(chǎn)生了1212×10－8m·s－2差值，未做修正）超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)，其他月份均小于設(shè)計(jì)指標(biāo)。安裝初期月漂移量較大，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小，尤其是到2009年8月以后，月漂移量值均在200×10－8m·s－2左右，基本為線性漂移，儀器已經(jīng)處于比較穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

3 重力儀常見(jiàn)故障

泰安臺(tái)PET重力儀常見(jiàn)故障為雷擊、數(shù)采死機(jī)、誤操作和時(shí)間系統(tǒng)紊亂等。

3.1 雷擊故障

泰安臺(tái)重力儀自安裝完成至2010年10月底，2次被雷擊，2008年5月12日因雷擊導(dǎo)致記錄器網(wǎng)口和儀器R S 232串口芯片損壞，返廠維修停記16天；2010年8月19日數(shù)采盒的存儲(chǔ)卡被雷擊壞，返廠維修停記6天（圖4）。

圖4 泰安臺(tái)重力儀故障記錄曲線

3.2 數(shù)采故障

數(shù)采故障發(fā)生過(guò)2次。2009年10月31日，因網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，在檢修網(wǎng)絡(luò)、反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程中，重力儀數(shù)控機(jī)死機(jī)，同時(shí)體應(yīng)變儀死機(jī)。網(wǎng)絡(luò)連通后，重力儀仍不能登陸，檢測(cè)為數(shù)采激死，重啟后恢復(fù)工作，造成斷記8h。

2010年6月17日3：34—16：53，數(shù)采故障缺數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控8—15時(shí)的曲線一直正常，但15時(shí)后，監(jiān)控顯示走直線，此時(shí)重新登陸無(wú)法與儀器連通。進(jìn)山峒檢查未發(fā)現(xiàn)故障，重啟數(shù)采沒(méi)有反應(yīng)，給供控機(jī)強(qiáng)行斷電，再恢復(fù)供電，可進(jìn)入儀器主頁(yè)，但下載數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)3：34—16：53之間的數(shù)據(jù)缺失。

分析故障原因，可能是供控機(jī)因某種原因激死，斷電再供電后，時(shí)間系統(tǒng)紊亂，造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)紊亂導(dǎo)致丟失。

3.3 誤操作

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線，工作人員經(jīng)常登陸儀器主頁(yè)，這樣能隨時(shí)檢查儀器工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，弊端是有可能誤操作導(dǎo)致一些問(wèn)題發(fā)生。

2009年11月23日誤操作計(jì)算機(jī)鍵盤造成鎖擺，重新開(kāi)擺后的幾天內(nèi)固體潮趨勢(shì)發(fā)生了變化，曲線受干擾較嚴(yán)重（圖5）。

圖5 重力2009年11月整時(shí)值曲線

3.4 時(shí)鐘紊亂

P E T重力儀時(shí)鐘系統(tǒng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間系統(tǒng)紊亂，造成相位滯后。

2009年11月4日，查看連續(xù)曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)相位滯后，檢查儀器時(shí)鐘慢5m i n，通過(guò)登陸儀器主頁(yè)，利用“重啟系統(tǒng)”功能校準(zhǔn)時(shí)鐘。

在2010年8月26日雷擊數(shù)采恢復(fù)工作后，8月27日收集前一天數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)生“采集不到數(shù)據(jù)”的情況。檢查發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘滯后16min。登陸主頁(yè)用“重啟系統(tǒng)”功能，自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)鐘。

4 記錄曲線錯(cuò)動(dòng)（掉格）現(xiàn)象分析

局部巖體存在巨大應(yīng)力是發(fā)生地震的直接原因。巖石的壓力試驗(yàn)表明，巖石在加壓過(guò)程中開(kāi)始是彈性變形，體積壓縮，密度增加，對(duì)應(yīng)局部重力增大。當(dāng)壓力增加到接近巖石破裂的臨界狀態(tài)時(shí)，巖石并不是繼續(xù)壓縮，而是膨脹，出現(xiàn)微裂，這時(shí)重力有所下降，超過(guò)臨界值時(shí)，巖石從彈性變形過(guò)渡到塑性變形而發(fā)生破裂［11］。

在數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)泰安臺(tái)重力曲線多次發(fā)生錯(cuò)動(dòng)（掉格）現(xiàn)象，而且當(dāng)天并沒(méi)有明顯的可知干擾源，有時(shí)在錯(cuò)動(dòng)前后會(huì)伴隨中強(qiáng)地震發(fā)生，已經(jīng)引起觀測(cè)人員的注意。如2010年2月18日21：40發(fā)生原因不明的錯(cuò)動(dòng)，數(shù)值從9080.3降到9068.1，錯(cuò)動(dòng)量達(dá)到12.2（10－8m·s－2）（圖6a），在此前的9：21發(fā)生了1次中俄交界6.5級(jí)地震（130.8°E，42.6°N）。2010年4月13日17：32曲線錯(cuò)動(dòng)，2min內(nèi)由9518.2降到9514.3，錯(cuò)動(dòng)了3.9（10－8m·s－2），14日7：49：40發(fā)生玉樹(shù)7.1級(jí)地震，之后15：52又發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，2min內(nèi)錯(cuò)動(dòng)量20.0（10－8m·s－2）（圖6b）。這種錯(cuò)動(dòng)是否與地震有關(guān)，是否為地震前后大地變形所致，不能確定。

圖6 重力儀發(fā)生錯(cuò)動(dòng)的曲線

同樣，對(duì)照2009年的資料，6月16日10：23—10：26發(fā)生錯(cuò)動(dòng)9.367（10－8m·s－2），但16日前后1天均未發(fā)生地震，只有6月14日哈薩克斯坦5.6級(jí)地震，但此次地震震級(jí)較小，且震后2天才發(fā)生掉格錯(cuò)動(dòng)，因此認(rèn)為16日的錯(cuò)動(dòng)與14日地震關(guān)系不密切。

為了尋找曲線錯(cuò)動(dòng)與地震之間的關(guān)系，就2008年3月21日安裝運(yùn)行至2010年10月截止，對(duì)錯(cuò)動(dòng)（掉格）現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2統(tǒng)計(jì)，2008—2010年近3年的資料共有15次錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，其中有10次前后1日內(nèi)均發(fā)生6.0～7.9級(jí)地震，1次錯(cuò)動(dòng)后2日內(nèi)有7.7級(jí)強(qiáng)震，有震錯(cuò)動(dòng)占73%；3次前后2日內(nèi)均無(wú)中強(qiáng)地震，占20%。還有1次錯(cuò)動(dòng)，雖然震前有6：20哥斯達(dá)黎加6.1級(jí)地震，但震中距太遠(yuǎn)，震級(jí)偏小，應(yīng)與地震關(guān)系不密切。

曲線錯(cuò)動(dòng)（掉格）前后的地震時(shí)空關(guān)系為：6級(jí)以上地震，震中距一般在4000km以內(nèi)（占4次）；7級(jí)以上地震震中距在5000km以上（占6次）。

到底PET潮汐重力儀的這種錯(cuò)動(dòng)與地震是否有關(guān)系，關(guān)系密切到何種程度，鑒于目前資料時(shí)間較短（僅不到3年時(shí)間），震例較少，尚不能下結(jié)論，但這種現(xiàn)象可對(duì)今后的前兆觀測(cè)研究予以借鑒和參考。

5 影響觀測(cè)資料質(zhì)量的因素分析

數(shù)字化觀測(cè)資料提供了更為精細(xì)和豐富的信息資源，有利于發(fā)揮地殼形變觀測(cè)物理量、幾何量值的效能，為地震預(yù)報(bào)、研究工作的開(kāi)展提供更為充分的信息。重力觀測(cè)質(zhì)量的評(píng)定包括連續(xù)率和數(shù)據(jù)精度指標(biāo)。重力固體潮觀測(cè)資料精度指標(biāo)包括NAKAI檢驗(yàn)精度、各潮汐波的月調(diào)和分析及年調(diào)和分析精度。表3給出了泰安臺(tái)重力儀2008年至2010年11月各月的精度指標(biāo)。

根據(jù)上面對(duì)儀器故障和曲線錯(cuò)動(dòng)（掉格）現(xiàn)象的分析，影響數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量的因素已經(jīng)非常明晰。

（1）雷擊、數(shù)采故障、地震粘擺等是影響連續(xù)率的主要原因

例如2次雷擊，2008年5月12日和2010年8月19日因雷擊導(dǎo)致停記16天和7天；2009年10月31日和2010年6月17日因數(shù)采故障造成斷記8小時(shí)和15小時(shí)，對(duì)觀測(cè)質(zhì)量影響非常大。2009年儀器運(yùn)轉(zhuǎn)較正常，沒(méi)有發(fā)生較大故障，全年連續(xù)率高達(dá)99.9%。

（2）曲線錯(cuò)動(dòng)（掉格）和儀器故障為影響精度的主要原因

從表3中可以看出，2010年2月和4月、2009年6月以及11月精度較其他月低1個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)NAKAI檢驗(yàn)百分比也低，小于2的段數(shù)達(dá)不到100%。

查閱這幾個(gè)月精度較低的原因，發(fā)現(xiàn)多數(shù)情況為曲線錯(cuò)動(dòng)（掉格）所致。因重力的精度很高，達(dá)到萬(wàn)分位的量級(jí)，故幾至十幾個(gè)微伽的變化量對(duì)精度的影響是相當(dāng)大的。2009年11月精度更低，僅為0.00588，原因即“重力儀常見(jiàn)故障”中所述，11月4日16：29—16：31時(shí)鐘慢5min，重啟后校準(zhǔn)時(shí)鐘；11月23日誤操作計(jì)算機(jī)鍵盤造成鎖擺影響。

總結(jié)影響重力資料質(zhì)量的原因，一是不明原因的錯(cuò)動(dòng)，造成前后不銜接；二是儀器故障影響質(zhì)量，如雷擊造成斷記、數(shù)采故障紊亂造成斷記和誤操作造成鎖擺等。

表2 PET潮汐重力儀掉格現(xiàn)象匯總（單位：10－8 m·s－2）

表3 2010年泰安臺(tái)PET重力儀NAKAI檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)與調(diào)和分析M2波精度統(tǒng)計(jì)

6 討論與結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)泰安臺(tái)重力儀2008—2010年觀測(cè)運(yùn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）儀器運(yùn)行性能與總體質(zhì)量分析評(píng)價(jià)：儀器運(yùn)行較好，記錄質(zhì)量較高，能清晰地記錄到日變固體潮和地震波形，年變曲線連續(xù)完整，2009年連續(xù)率達(dá)99.9%；漂移量小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，自2009年8月以后月漂移量值均在200×10－8m·s－2左右的線性漂移，儀器已經(jīng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)精度較高，最好月份的調(diào)和分析M2波中誤差為0.0005，高達(dá)萬(wàn)分位。

（2）儀器故障主要為雷擊、數(shù)采死機(jī)、誤操作和時(shí)間系統(tǒng)紊亂等。

（3）影響數(shù)據(jù)連續(xù)率的因素為雷擊、數(shù)采故障、地震粘擺等，影響數(shù)據(jù)精度的原因，除儀器故障造成的影響，還有曲線不明原因的錯(cuò)動(dòng)（掉格）影響。

（4）對(duì)曲線掉格現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，共發(fā)生15次錯(cuò)動(dòng)，前后有中強(qiáng)地震的比率占80%，鑒于目前資料尚短，震例很少，錯(cuò)動(dòng)與地震之間是否存在著關(guān)聯(lián)，還需要更多資料的積累。

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［11］ 趙曉燕，陳春生.重力觀測(cè)技術(shù)［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

山東省地震局合同制項(xiàng)目（11Y 11）；中國(guó)地震局三結(jié)合課題（SD 2010SJH 02）

盧雙苓（1973－），女（漢族），河北文安人，工程師，主要從事地殼形變觀測(cè)工作.E-mail：taia i xing bian＠tom.com