李興堅(jiān)，李建康，馮紅武，劉小明

(1.甘肅省地震局高臺(tái)地震臺(tái)，甘肅高臺(tái)734300;2.中國(guó)地震局蘭州地震研究所，甘肅蘭州730000;3.蘭州地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，甘肅蘭州730000)

0 引言

高臺(tái)地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱高臺(tái)臺(tái))重力觀測(cè)是在“十五”網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化項(xiàng)目中，安裝架設(shè)于2006年6月，觀測(cè)儀器為PET相對(duì)重力儀。該儀器經(jīng)過(guò)武漢地震研究所改造完善，成為集觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控一體的觀測(cè)系統(tǒng)，并增加氣象三要素的觀測(cè)，和重力觀測(cè)數(shù)據(jù)一并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的傳輸，PET型重力儀能同時(shí)輸出12個(gè)輔助測(cè)項(xiàng)。同時(shí)該儀器自備了UPS電源和銣原子鐘，保證了儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和時(shí)間精度(張新林等，2007)。武漢地震研究所在鷲峰地震臺(tái)對(duì)該儀器觀測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，儀器在出廠時(shí)已經(jīng)對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行了格值轉(zhuǎn)換，而武漢地震研究所的對(duì)比觀測(cè)格值比例系數(shù)為1.005 2，對(duì)觀測(cè)精度不會(huì)產(chǎn)生重大影響，但對(duì)潮汐分析還是有一定的影響。從重力技術(shù)管理部2008年和2009年的運(yùn)行報(bào)告①http://www.gncc.ac.cn/.顯示，高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)資料質(zhì)量較高，觀測(cè)資料的各項(xiàng)精度指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類儀器最好水平，可以用于地震監(jiān)測(cè)及科學(xué)研究工作。為了更好地提高觀測(cè)質(zhì)量、發(fā)揮其在地震監(jiān)測(cè)及科學(xué)研究意義，有必要對(duì)高臺(tái)臺(tái)觀測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期地質(zhì)量監(jiān)控，分析影響和制約觀測(cè)值質(zhì)量的干擾因素。

1 高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)環(huán)境

高臺(tái)地震臺(tái)地處祁連山—河西走廊中部，位于高臺(tái)縣城以北7 km，距黑河北岸約2 km。地質(zhì)構(gòu)造上位于合黎山—龍首山褶皺帶南緣與走廊斷陷的分解處，河西系高臺(tái)—榆木山隆起與祁呂西褶皺外緣與古北西向構(gòu)造斜撞復(fù)合部位。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以合黎山—龍首山北西西向隆起帶為主。重力觀測(cè)儀器安裝在臺(tái)站院內(nèi)的地下室，觀測(cè)臺(tái)基巖性為花崗巖。地下室深5 m，通道長(zhǎng)17 m，通道內(nèi)有5道塑鋼門(mén)，觀測(cè)室內(nèi)玻璃隔斷。地下室的頂部旁側(cè)覆蓋層無(wú)植被，覆蓋層厚度小于6 m。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了使數(shù)據(jù)具有連續(xù)性和完整性，對(duì)缺值基于理論值進(jìn)行外推或內(nèi)插來(lái)補(bǔ)齊。根據(jù)去除固體潮影響的漂移曲線，區(qū)分出隨機(jī)錯(cuò)數(shù)和掉格，采用平滑方法改正，對(duì)大于限定值的掉格，則采用平推基線法加以改正。為了剔除意外干擾數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果的影響，采用Nakai擬合檢驗(yàn)方法逐次對(duì)48 h間隔(維尼迪科夫數(shù)字濾波器間隔)作擬合檢驗(yàn)，再用統(tǒng)計(jì)方法給出擬合方差的限值，最后在潮汐參數(shù)計(jì)算時(shí)根據(jù)各組的方差大小進(jìn)行合理取舍(唐九安，1981，1990a，b)。

對(duì)高臺(tái)臺(tái)2008年1月1日至2010年12月31日重力觀測(cè)值的Nakai檢驗(yàn)結(jié)果顯示:潮汐響應(yīng)比例因子A=1.151 2，略小于潮汐響應(yīng)理論平均值1.16;相位誤差B=0.03°，觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合均方差的均值SMD=0.68，同時(shí)求得漂移模型一次項(xiàng)漂移系數(shù) K1=0.27 ×10－8m·s－2·h－1

3 重力觀測(cè)潮汐參數(shù)計(jì)算結(jié)果

在對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，使用維尼迪科夫數(shù)字濾波調(diào)和分析方法計(jì)算潮汐參數(shù)(唐九安，徐敬文，1986;唐九安，1999)，給出了3種時(shí)間序列的計(jì)算結(jié)果。

(1)逐月調(diào)和分析結(jié)果。逐月計(jì)算中對(duì)各月的天數(shù)約定為:1～4月、6～7月、9～11月都有30 d、5月有30 d(閏年32 d)、8、12月有32 d，由于雙天原因，各月結(jié)果的起止日期將有跨月現(xiàn)象，但最多只在月首或月尾跨1 d。每個(gè)月結(jié)果均列出12個(gè)主波群的潮汐參數(shù)，其中含6個(gè)日波群、5個(gè)半日波群、1個(gè)1/3日波群。圖1為全日波O1、K1，半日波S2、M2波4個(gè)主波群的月序列結(jié)果。

(2)年序列調(diào)和分析結(jié)果，對(duì)同一數(shù)據(jù)文件按年度求解潮汐參數(shù)。每年均列出15個(gè)主波群的潮汐參數(shù)，其中含8個(gè)日波群、6個(gè)半日波群、1個(gè)1/3日波群。表1給出了全日波O1、K1、S1，半日波S2、M2，1/3波M3共6個(gè)主波群的年序列結(jié)果:全日波 O1、K1、S1波振幅因子分別為1.16、1.14、0.97，全日波中O1、K1波的振幅因子變化平穩(wěn)，S1波振幅因子變化幅度較大。半日波S2、M2波振幅因子分別為1.151、1.15，兩個(gè)波的振幅因子變化平穩(wěn)，數(shù)值非常接近。1/3波M3的振幅因子為1.06，變化平穩(wěn)。

(3)幾個(gè)主波群全序列調(diào)和分析結(jié)果，對(duì)同一數(shù)據(jù)文件的全系列數(shù)據(jù)作一次性潮汐參數(shù)解算。每個(gè)結(jié)果均列出了18個(gè)主波群的潮汐參數(shù)，包含11個(gè)日波群、6個(gè)半日波群、1個(gè)1/3日波群，見(jiàn)表2。

圖1 高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)月序列潮汐參數(shù)Fig.1 Tidal parameters of month series in gravity observation at Gaotai Station

表1 高臺(tái)臺(tái)重力潮汐參數(shù)年度數(shù)據(jù)調(diào)和分析結(jié)果Tab.1 Harmonic analysis results of annual gravimetric parameters at Gaotai Station

表2 高臺(tái)臺(tái)重力潮汐參數(shù)全系列數(shù)據(jù)調(diào)和分析結(jié)果Tab.2 Harmonic analysis results of all range gravimetric parameters at Gaotai Station

4 潮汐因子穩(wěn)定性分析

潮汐因子的穩(wěn)定性可基于O1波和M2波的維尼迪科夫調(diào)和分析逐月計(jì)算并進(jìn)行討論，表3給出了不同時(shí)段逐月潮汐的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出，在3年的觀測(cè)期間，O1波和M2波潮汐因子變化相對(duì)穩(wěn)定，穩(wěn)定性在1‰之內(nèi)。

表3 O1、M2波潮汐因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Statistics results of tidal factor of O1、M2 waves

5 重力觀測(cè)非潮汐變化分析

采用對(duì)日均值進(jìn)行最小二乘擬合來(lái)提取非潮汐重力變化信息。非潮汐分析就是利用原始曲線濾掉潮汐和線性漂移部分后對(duì)剩余的殘差進(jìn)行分析的方法。殘差值可表征該觀測(cè)點(diǎn)的微重力變化。從高臺(tái)臺(tái)相對(duì)重力觀測(cè)日均值曲線(圖2)可以看出，相對(duì)重力變化呈傾斜上升變化趨勢(shì)。從圖2可以看出，2008～2010年微重力相對(duì)變化還是比較大，每年呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。總體特點(diǎn)是，2008年相對(duì)呈傾斜性上升變化趨勢(shì);2009年變化相對(duì)平穩(wěn)，略有下降趨勢(shì);2010年完全呈現(xiàn)呈下降趨勢(shì)。

高臺(tái)地震臺(tái)地所在地區(qū)北部以祁連山山前斷裂及榆木山、大黃山、文殊山3個(gè)隆起的北邊界斷裂為界(可能包括了整個(gè)河西走廊構(gòu)造帶)，并與阿拉善地塊相連;東部以六盤(pán)山斷裂、龍門(mén)山斷裂和海源斷裂帶相接，與鄂爾多斯地塊相鄰;南邊以東昆侖斷裂為界，與藏北地塊毗連;西北以阿爾金山斷裂為界，與塔里木地塊相接。該地區(qū)邊界動(dòng)力學(xué)上是受到阿爾金斷裂左旋剪切、青藏地塊相對(duì)向北東推擠，阿拉善地塊相對(duì)向南推擠，以及鄂爾多斯塊體的阻擋的共同作用，所造成的巨大左旋運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造復(fù)合體。正是由于以上邊界斷裂和構(gòu)造體運(yùn)動(dòng)的共同作用，其影響為區(qū)域應(yīng)力的集中分布，也使得該區(qū)域重力梯度大，差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。高臺(tái)重力觀測(cè)到得微重力變化明顯差異，反應(yīng)了該地區(qū)重力梯級(jí)大，差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較劇烈的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力特點(diǎn)。

微重力變化梯級(jí)較大的2008年和2010年，青藏塊體分別發(fā)生2008年5月12日汶川8.0級(jí)特大地震和2010年4月14日青海玉樹(shù)7.1級(jí)大地震，而微重力變化較為平穩(wěn)的2009年，在青藏板塊及周邊未發(fā)生7級(jí)以上大地震。說(shuō)明祁連山—河西地區(qū)構(gòu)造的形成、發(fā)展、演化及現(xiàn)今活動(dòng)都和青藏高原的整體活動(dòng)密切相關(guān)，該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力活動(dòng)方式等方面都與青藏高原的活動(dòng)一致。在動(dòng)力學(xué)上主要以青藏塊體向北東向的推擠作用為主。

圖2 高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)潮汐變化日均值(a)及擬合殘差(b)Fig.2 Daily mean values(a)and their fitting residual(b)of gravimetric parameters at Gaotai station

6 溫度、氣壓對(duì)重力觀測(cè)的影響分析

溫度和氣壓是對(duì)重力潮汐觀測(cè)的主要影響因素(唐九安，徐敬文，1986;唐九安，1999;孟曉春，2005;熊仲華，2006)。一般對(duì)于像PET重力儀一樣的彈簧重力儀，需要考慮觀測(cè)臺(tái)站大氣的影響，由于溫度和大氣是相關(guān)的，就不考慮溫度的影響。高臺(tái)重力觀測(cè)山洞保溫性能較差，溫度年變化幅度較大，年變化溫差大約在4℃左右，因?yàn)闇囟茸兓c氣壓變化呈正相關(guān)性，所以溫差的變化大多來(lái)自氣壓變化的影響。為了準(zhǔn)確得到氣壓對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果的影響，筆者對(duì)觀測(cè)值與理論值進(jìn)行殘差計(jì)算(圖3)，用重力殘差值與氣壓值做一元線性回歸Y=A+BX，擬合計(jì)算了重力潮汐觀測(cè)值的殘差值與氣壓的相關(guān)系數(shù)R、改正系數(shù)B的關(guān)系。擬合結(jié)果為:氣壓對(duì)重力觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)R為0.299 3，改正系數(shù)B為0.12。從圖4中擬合結(jié)果可以看出，重力潮汐變化與臺(tái)站氣壓的相關(guān)性較差，尚不能清楚地反映氣壓對(duì)重力觀測(cè)產(chǎn)生的影響。高臺(tái)重力潮汐觀測(cè)自架設(shè)以來(lái)一直存在趨勢(shì)性正向漂移，應(yīng)該與儀器彈性系統(tǒng)的彈簧變形引起的零漂有關(guān)。

圖3 高臺(tái)臺(tái)重力潮汐觀測(cè)值與理論值殘差結(jié)果Fig.3 Residuals between observed and theoretical values of tidal gravity at Gaotai Station

圖4 高臺(tái)臺(tái)重力潮汐殘差值與氣壓一元線性回歸結(jié)果Fig.4 Residuals value of tidal gravity and atmospheric pressure linear regression at Gaotai Station

7 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)資料的研究分析，得出以下結(jié)論:

(1)從NAKAI檢驗(yàn)求得一次漂移系數(shù)K1=0.27 ×10－8m·s－2·h－1，結(jié)果說(shuō)明高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)儀器存在趨勢(shì)性正向漂移。

(2)分別對(duì)高臺(tái)重力觀測(cè)資料的逐月、年度以及全系列調(diào)和分析計(jì)算，獲得了高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)的各個(gè)主波群的潮汐參數(shù)。其中月序列M2波潮汐因子平均值為1.154 5，均方差0.001 1，相位滯后0.54°，均方差為0.04。

(3)基于O1、M2波的維尼迪科夫調(diào)和分析逐月計(jì)算結(jié)果分析，3年內(nèi)O1、M2波潮汐因子變化穩(wěn)定在1‰之內(nèi)。這與國(guó)家重力臺(tái)網(wǎng)中心發(fā)布的觀測(cè)運(yùn)行評(píng)價(jià)月報(bào)中高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)資料M2波精度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果基本一致。

(4)通過(guò)對(duì)重力觀測(cè)日均值進(jìn)行最小二乘擬合，去除固體潮變化，獲得了高臺(tái)臺(tái)微重力變化信息。從殘差值結(jié)果看，高臺(tái)重力觀測(cè)到微重力變化差異明顯，這種差異變化正好反映了該地區(qū)重力梯級(jí)大，差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較劇烈的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力特點(diǎn)。2008、2010年微重力變化梯級(jí)較大，青藏塊體分別發(fā)生了2008年5月12日汶川8.0級(jí)特大地震和2010年4月14日青海玉樹(shù)7.1級(jí)大地震，而2009年微重力變化較為平穩(wěn)，在青藏板塊及周緣未發(fā)生7級(jí)以上大地震。這可能說(shuō)明了祁連山—河西地區(qū)構(gòu)造的形成、發(fā)張、演化及現(xiàn)今活動(dòng)都和青藏高原的整體活動(dòng)密切相關(guān)，該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力活動(dòng)方式等都與青藏高原的活動(dòng)一致。在動(dòng)力學(xué)上主要以青藏塊體向北東向的推擠作用為主。

(5)高臺(tái)臺(tái)重力觀測(cè)呈趨勢(shì)性的傾斜變化，一般引起這種傾斜漂移的原因主要有儀器零點(diǎn)漂移、溫度、氣壓等。該儀器自身內(nèi)部加載了恒溫裝置，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并采取全封閉結(jié)構(gòu)，進(jìn)行氣壓改正。通過(guò)對(duì)重力潮汐觀測(cè)值殘差(去掉理論值)與氣壓基于一元線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，高臺(tái)重力潮汐變化與大氣壓力的相關(guān)性很差，對(duì)重力觀測(cè)產(chǎn)生的影響不能清楚反映。而高臺(tái)重力潮汐觀測(cè)自架設(shè)以來(lái)一直存在趨勢(shì)性正向漂移，應(yīng)該與儀器彈性系統(tǒng)的彈簧變形引起零漂有關(guān)，正是彈簧變形產(chǎn)生的零漂影響遠(yuǎn)比氣壓引起的變化大的多，才導(dǎo)致回歸分析結(jié)果體現(xiàn)不出氣壓的影響，關(guān)于這種漂移現(xiàn)象將進(jìn)一步做深入研究分析。

感謝甘肅省地震局唐九安研究員在本次研究中給予的悉心指導(dǎo)和幫助。

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