屈 曼， 侯曉真，陳建國(guó)，王曰風(fēng)，朱振興，周 亞，劉仲韜

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021 ；2. 河北省地震局張家口中心地震臺(tái)，河北 張家口 075000)

0 引言

在地殼運(yùn)動(dòng)中, 由于各種原因, 中國(guó)大陸構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)弱變化，重力場(chǎng)圖像也會(huì)跟著出現(xiàn)時(shí)空變化, 重力場(chǎng)變化與活動(dòng)斷裂構(gòu)造密切相關(guān)[1]。連續(xù)重力觀測(cè)可以得到三方面的信息, 即重力場(chǎng)緩慢變化、重力潮汐變化和疊加在潮汐曲線上的高頻信息[2]，其能精確探測(cè)到地球內(nèi)部物質(zhì)遷移引起的重力變化效應(yīng)[3]。連續(xù)重力觀測(cè)精度遠(yuǎn)高于流動(dòng)觀測(cè)，從理論上來(lái)講，流動(dòng)重力能觀測(cè)到的震前重力變化信號(hào),連續(xù)重力也可觀測(cè)到。許多學(xué)者利用連續(xù)重力數(shù)據(jù)對(duì)震前異常進(jìn)行分析論證[4]。王新勝等[5]分別對(duì)蒼梧Ms5.4地震和呼圖壁Ms6.2地震震前的連續(xù)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)震前重力數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一定的異?，F(xiàn)象。喻節(jié)林等[6]根據(jù)M2波潮汐因子的月變化曲線及加卸載響應(yīng)比，討論了印尼Ms8.7地震可能引起的重力趨勢(shì)性變化。黃雅等[7]以2013年蘆山7.0級(jí)地震為例，探討了重力固體潮參數(shù)的時(shí)空分布特征與地震孕育的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蘆山地震前M2波潮汐因子趨勢(shì)變化空間分布大體呈現(xiàn)上升與下降趨勢(shì)的四象限分布。

張家口地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱張家口臺(tái))gPhone連續(xù)重力觀測(cè)儀M2波潮汐因子自2016年6月出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢(shì)變化，累計(jì)下降變化量達(dá)到7×10-3。相同時(shí)間段內(nèi)，重力時(shí)序變化和重力非潮汐變化均比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的同步異常變化(見(jiàn)圖1)。為更準(zhǔn)確地判定張家口重力潮汐因子異常的性質(zhì)，從觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性、觀測(cè)環(huán)境干擾等方面進(jìn)行分析論證。

圖1 2015-2017年M2波潮汐因子時(shí)間序列圖Fig.1 Time series map of M2 tidal factor from 2015 to 2017

1 重力觀測(cè)背景資料

張家口重力測(cè)點(diǎn)處在陰山東西向構(gòu)造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂較多。主要斷裂有NE向蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂、懷安-宣化斷裂等。連續(xù)重力觀測(cè)屬洞室型連續(xù)重力觀測(cè)站，洞室深度65 m，通道近似“W”形(見(jiàn)圖2)，覆蓋層達(dá)30 m以上，觀測(cè)室內(nèi)干燥、整潔、無(wú)滲水返潮現(xiàn)象。臺(tái)基巖性屬侏羅紀(jì)石英粗面巖和石英角礫巖。重力觀測(cè)墩完好，未出現(xiàn)下沉、開裂等現(xiàn)象，儀器和觀測(cè)墩表面潔凈。

連續(xù)重力觀測(cè)站2009年9月始建；2010年8月開始觀測(cè)，同年張家口重力儀處于穩(wěn)定階段；2011年儀器處于試運(yùn)行階段，數(shù)據(jù)可信度較低；2012-2013年重力觀測(cè)質(zhì)量較好，在全國(guó)觀測(cè)質(zhì)量評(píng)比中獲獎(jiǎng)；2015年重力觀測(cè)儀出現(xiàn)故障，9月4日更換新的CF卡， 11月23日工程中心進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。調(diào)試之后重力觀測(cè)曲線出現(xiàn)大幅下降變化，一直持續(xù)到2016年4月，目前儀器運(yùn)行正常。

圖2 重力觀測(cè)儀器布設(shè)示意圖Fig.2 Layout of gravity observation instruments

2 重力潮汐因子數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

通過(guò)重力殘差時(shí)間序列的數(shù)據(jù)變化情況，可佐證重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。圖1是由中國(guó)地震局重力臺(tái)網(wǎng)中心提供的數(shù)據(jù)結(jié)果，可以看出，在2016年6月重力潮汐因子異常出現(xiàn)期間，殘差變化曲線變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的同步趨勢(shì)下降異常變化，說(shuō)明張家口重力觀測(cè)數(shù)據(jù)比較可靠，反映出潮汐因子的異常變化是比較真實(shí)的。表1為張家口重力數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表，該表統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2015年1月至2017年12月，對(duì)張家口重力進(jìn)行了月尺度的M2波潮汐因子中誤差計(jì)算。結(jié)果顯示，M2波潮汐因子中誤差均小于0.001，說(shuō)明張家口重力觀測(cè)質(zhì)量較好，數(shù)據(jù)較可靠。

表1 張家口臺(tái)重力數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table for quality evaluation of gravity data of Zhangjiakou station

2.3 儀器調(diào)零對(duì)潮汐因子的影響分析

從張家口臺(tái)2015-2017年重力觀測(cè)原始曲線對(duì)比圖來(lái)看(見(jiàn)圖3)，2015年11月工程中心對(duì)重力儀進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試之后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速下降變化，可能是儀器調(diào)零后的零漂現(xiàn)象，該下降變化一直持續(xù)到2016年4月，5月以后數(shù)據(jù)緩慢上升，逐漸恢復(fù)到調(diào)零前的變化趨勢(shì)。

圖3 張家口地震臺(tái)2015-2017年重力觀測(cè)原始曲線對(duì)比圖Fig.3 Comparison of gravity observation original curves from 2015 to 2017 of Zhangjiakou station

2015年11月調(diào)零后重力觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的大幅變化可能會(huì)對(duì)潮汐因子產(chǎn)生一定程度的影響，為排除此影響，分別計(jì)算了去零漂前后潮汐因子的變化情況(見(jiàn)圖4)。雖然去零漂前后兩條曲線結(jié)果數(shù)值不是完全相同，但數(shù)據(jù)變化基本相差不大，變化趨勢(shì)較一致。在2016年6月之后均出現(xiàn)同步下降變化，所以認(rèn)為此次異常并非由儀器調(diào)零后的零漂造成。

圖4 2015年-2017年零漂改正前后潮汐因子對(duì)比圖Fig.4 Comparison of tidal factors before and after zero drift correction from 2015 to 2017

2.4 新建樓房對(duì)重力觀測(cè)的影響分析

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在重力觀測(cè)山洞周圍存在一項(xiàng)明顯的環(huán)境變化。在山洞的西南方向400 m左右，有一處新建辦公樓施工的工程。該工程2017年5月6日開工，6月4日做地基處理，7-8月施工蓋樓。在施工過(guò)程中，地基處理進(jìn)行了少量的挖方，建樓房的過(guò)程中造成大量荷載增加。相對(duì)于挖方，建樓房引起的荷載增加量遠(yuǎn)大于挖方量，所以，對(duì)于此項(xiàng)干擾可以大致認(rèn)為新建樓房的荷載增加量為主要因素。重力潮汐因子異常出現(xiàn)的時(shí)間為2016年6月，工程施工的時(shí)間在異常出現(xiàn)之后，為更確切地排除此項(xiàng)干擾，進(jìn)行新建樓房載荷引起重力變化的定量計(jì)算。根據(jù)王謙身(2003年)編寫的重力學(xué)中的正演模擬任何形狀的外重力影響公式：

建立新建樓房引起的重力變化模型。新建樓房距離重力觀測(cè)室400 m左右，所處山體距新建樓房的高差為70 m左右，樓房的長(zhǎng)寬高分別為14 m、40 m、27 m，鋼筋混凝土密度為2 551 kg/m3。如果樓房是實(shí)心的，樓房總體質(zhì)量約為3.86×107kg，實(shí)際上樓房是空心物體。將樓房的總質(zhì)量近似看成是實(shí)心樓房的三分之一，則樓房的實(shí)際質(zhì)量約1.29×107kg。樓房的底面積為560 m2，可以粗略地將樓房看成高度為9 m、底面積依然為560 m2的實(shí)心物體。可以將其歸結(jié)為長(zhǎng)方體重力正演模型(見(jiàn)圖5)。對(duì)x1,x2,y1,y2,z1和z2為邊界的長(zhǎng)方體重力正演，結(jié)果方程式為：

圖5 樓房模型和臺(tái)站相對(duì)位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of relative position of building model and station

將新建樓房看成一個(gè)立方體，其中心距離重力觀測(cè)室400 m，立方體的長(zhǎng)寬高分別為14 m、40 m、9 m。根據(jù)cuboids_gravity(x1,x2,y1,y2,z1,z2,density)程序計(jì)算參數(shù)如下：x1=-7,x2=7,y1=400,y2=440,z1=0,z2= 70,ρ=2 551 kg/m3。計(jì)算結(jié)果Δg為0.31微伽，說(shuō)明新建樓房的荷載變化僅能引起0.31微伽的重力變化，從量級(jí)上來(lái)看，新建樓房對(duì)于重力觀測(cè)的影響較弱。圖6為重力殘差曲線圖，黑框內(nèi)曲線為樓房干擾時(shí)段的曲線變化情況，施工期間變化幅度約5微伽，從數(shù)據(jù)變化量級(jí)來(lái)看，施工干擾較小，不足以對(duì)重力觀測(cè)造成明顯影響。此外，新建樓房施工干擾與重力異常的時(shí)間相關(guān)性較差，異常出現(xiàn)的時(shí)間為2016年6月至2017年7月，施工時(shí)間主要為2017年5-8月，異常出現(xiàn)在施工之前。故從影響量級(jí)和時(shí)間相關(guān)性上，均判定新建樓房施工并非重力異常的主要原因。

圖6 重力殘差曲線圖Fig.6 Gravity residual curve

3 結(jié)語(yǔ)

張家口重力潮汐因子異常出現(xiàn)之后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)，儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，氣象三要素未出現(xiàn)大幅同步變化。從觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性、重力殘差曲線圖分析，異常出現(xiàn)時(shí)同期殘差數(shù)據(jù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)同步異常變化。從去零漂前后潮汐因子的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)潮汐因子變化趨勢(shì)一致，排除儀器調(diào)零影響，說(shuō)明觀測(cè)曲線比較可靠。

通過(guò)核實(shí)臺(tái)站附近環(huán)境干擾，發(fā)現(xiàn)新辦公樓工程的施工時(shí)間在異常出現(xiàn)之后，時(shí)間相關(guān)性較差；通過(guò)定量計(jì)算，新建樓房的荷載變化僅能引起0.31微伽的重力變化，說(shuō)明新建樓房對(duì)重力觀測(cè)的影響較弱。故從影響量級(jí)和時(shí)間相關(guān)性上可排除周圍環(huán)境荷載變化、施工干擾對(duì)此次異常造成的影響。綜合分析認(rèn)為，張家口重力潮汐因子的下降趨勢(shì)異常有可能為前兆異常，需要加強(qiáng)跟蹤分析。

張家口連續(xù)重力觀測(cè)自2011年試運(yùn)行以來(lái)，無(wú)較好的震例對(duì)應(yīng)情況。自安裝重力儀以來(lái)，河北地區(qū)未發(fā)生過(guò)5級(jí)以上地震，故很難應(yīng)用重力潮汐因子的變化情況對(duì)河北及鄰近地區(qū)地震進(jìn)行相關(guān)的預(yù)測(cè)研究，還需不斷積累資料，繼續(xù)探索。對(duì)于張家口重力潮汐因子的異常情況仍需要加強(qiáng)關(guān)注和深入研究，進(jìn)一步判定其異常性質(zhì)。

感謝中國(guó)地震局重力臺(tái)網(wǎng)中心提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品！