王 筍 楊錦玲 林鴻杰 黨學(xué)會(huì) 葉友權(quán)

1 福建省海洋地震觀測(cè)中心,廈門市盛光路669號(hào),361021 2 福建省地震臺(tái),福州市華鴻路7號(hào),350003 3 中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心,天津市耐火路7號(hào),300180

在沿海和島嶼區(qū)域進(jìn)行微重力觀測(cè)須考慮海潮的影響[1-3]。由于近岸淺水區(qū)的潮汐運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜,現(xiàn)有的海潮模型在海岸線附近精度均較低[4],特別是相位誤差較大,須用驗(yàn)潮數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[5]。

由于連續(xù)重力臺(tái)站較少,難以對(duì)漫長(zhǎng)的海岸線進(jìn)行有效控制,利用便攜式相對(duì)重力儀布設(shè)流動(dòng)測(cè)站是目前最為經(jīng)濟(jì)可行的觀測(cè)方式。但與固定臺(tái)連續(xù)重力儀相比,便攜式相對(duì)重力儀的零漂率較大且非線性較強(qiáng),非線性零漂難以完全校正,在計(jì)算調(diào)和常數(shù)時(shí)可能引入較大誤差。有學(xué)者將Burris重力儀用于重力潮汐觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[6-7],但對(duì)于國(guó)內(nèi)裝備數(shù)量更多的CG型重力儀(CG-5、CG-6)只有定性討論,沒有定量分析。為此,在廈門地震臺(tái)測(cè)試CG型重力儀在潮汐頻段的噪聲,用長(zhǎng)期觀測(cè)的gPhone型連續(xù)重力儀數(shù)據(jù)建立測(cè)站潮汐模型,預(yù)測(cè)出同址對(duì)比測(cè)試時(shí)段的海潮負(fù)荷值,將海潮負(fù)荷值作為已知量,分離得到gPhone、CG-5、CG-6的殘差時(shí)間序列,并進(jìn)行頻譜分析,檢查這3種儀器的非線性漂移在潮汐頻段的量級(jí)。

1 CG型重力儀的適用性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)地廈門地震臺(tái)離海岸線約700 m,gPhone重力儀(SN:056)安裝在山體洞室內(nèi),采樣間隔為1 s,CG-5(SN:1 316)和CG-6(SN:414)重力儀置于地面辦公樓內(nèi),采樣間隔分別為44 s和60 s。用于對(duì)比的數(shù)據(jù)時(shí)段為2022-11-16～22。使用Tsoft程序[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,首先統(tǒng)一采樣率至60 s,對(duì)地震造成的突跳、臺(tái)階等進(jìn)行處理,然后進(jìn)行固體潮、氣壓和線性漂移改正(圖1)。

圖1 海潮改正前的gPhone、CG-5、CG-6重力儀觀測(cè)殘差Fig.1 The observation residuals of gPhone, CG-5 and CG-6 gravimeters before tidal correction

選擇在廈門臺(tái)適用性較好的FES2004海潮模型[9-10],應(yīng)用Venedikov調(diào)和分析方法分析gPhone在2017-03-01～2021-03-01的觀測(cè)數(shù)據(jù),修正得到測(cè)站海潮模型,用SPOTL程序[11]計(jì)算同址對(duì)比測(cè)試時(shí)段的重力海潮負(fù)荷改正值,并應(yīng)用于這3臺(tái)儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù),得到精確海潮改正后的殘差時(shí)間序列(圖2(a))。可以看出,gPhone在地震頻段的噪聲水平顯著高于CG-5和CG-6,這是由于廈門臺(tái)的地脈動(dòng)噪聲較強(qiáng)[12],而CG-5和CG-6數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波對(duì)高頻噪聲的抑制比gPhone數(shù)據(jù)的最小二乘濾波更好。

圖2 海潮改正后的觀測(cè)殘差及頻譜Fig.2 The observation residuals and amplitude spectrums after ocean tidal correction

由于海潮主要的8個(gè)分潮(振幅最大的4個(gè)半日分潮M2、S2、N2、K2和4個(gè)全日分潮K1、O1、P1、Q1)的頻率分別集中在2 CPD和1 CPD附近,而實(shí)際測(cè)量中單個(gè)測(cè)點(diǎn)(絕對(duì))或測(cè)段(相對(duì))的觀測(cè)大多在2～3 d之內(nèi)完成,所以對(duì)重力觀測(cè)精度影響最大的頻率成分在2 CPD和1 CPD附近。因此,對(duì)殘差時(shí)間序列作傅里葉變換,將0.5～5 CPD間的振幅譜繪制成圖2(b)?？梢钥闯?總體上gPhone的殘差振幅最小,CG-6次之,CG-5最大。CG-6在2～5 CPD頻段內(nèi)振幅與gPhone相當(dāng),0.5～2 CPD頻段內(nèi)振幅介于gPhone和CG-5之間。從時(shí)間域來(lái)看,3種儀器的非線性漂移皆不相關(guān),可排除大氣負(fù)荷或風(fēng)暴潮等因素的影響,漂移特性的差異可能源于儀器內(nèi)部溫度控制性能。此次實(shí)驗(yàn)中辦公樓內(nèi)的溫度波動(dòng)顯著大于山體洞室,在野外工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),CG-5讀數(shù)對(duì)環(huán)境溫度的變化較為敏感,而CG-6由于內(nèi)溫較高(60℃)且溫度控制系統(tǒng)的靈敏度較高,受環(huán)境溫度的影響較小。在關(guān)鍵的1.9 CPD和1.0 CPD頻率點(diǎn)附近,殘差振幅最大的CG-5約為0.5 μGal和1.0 μGal,而廈門臺(tái)的海潮負(fù)荷約為7.5 μGal,因此可認(rèn)為CG-5的非線性漂移(自噪聲水平)對(duì)短時(shí)潮汐觀測(cè)影響較小,數(shù)據(jù)可滿足主要的半日分潮和全日分潮分析需要。

2 平潭島的海潮改正實(shí)驗(yàn)

2022-08-21～22中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心使用A-10型絕對(duì)重力儀在平潭島進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量,發(fā)現(xiàn)雖然該測(cè)點(diǎn)離海岸線超過3 km,且觀測(cè)時(shí)段為小潮,但仍受到較大的海潮影響。由于該測(cè)點(diǎn)尚未部署連續(xù)重力儀,因此使用CG-5型重力儀在2022-09-26～30進(jìn)行88 h的重力潮汐觀測(cè),利用此次觀測(cè)數(shù)據(jù)修正對(duì)平潭島適應(yīng)性較好的FES2014海潮模型[13-14],得到測(cè)站海潮模型,并回測(cè)絕對(duì)重力觀測(cè)時(shí)段的海潮負(fù)荷值。海潮改正前后的絕對(duì)重力組均值殘差序列見圖3。可以看出,改正前殘差波動(dòng)較大,標(biāo)準(zhǔn)差為4.8 μGal,其時(shí)間序列與FES2014海潮模型的形態(tài)和相位均有一定差異,改正后標(biāo)準(zhǔn)差為2.7 μGal;測(cè)站海潮模型回測(cè)值與海潮改正前殘差較為符合,改正后標(biāo)準(zhǔn)差減小至1.8 μGal。由此可見,測(cè)站海潮模型精度較FES2014海潮模型大幅提高,驗(yàn)證了利用CG-5型重力儀的短時(shí)潮汐觀測(cè)數(shù)據(jù)提取海潮調(diào)和常數(shù)的可靠性。

圖3 海潮改正前后平潭島絕對(duì)重力觀測(cè)殘差序列Fig.3 Residual sequences of absolute gravity observation before and after ocean tide correction at Pingtan island

3 結(jié) 語(yǔ)

通過同址對(duì)比測(cè)試得出,目前常用的CG型便攜式重力儀靜態(tài)觀測(cè)時(shí)在1 CPD和2 CPD附近的噪聲水平較低,滿足主要的全日分潮和半日分潮的調(diào)和常數(shù)計(jì)算的需要。在平潭島的實(shí)際應(yīng)用證明,即使是使用非線性漂移較大的CG-5進(jìn)行短時(shí)重力潮汐觀測(cè),仍能建立較高精度的測(cè)站海潮模型,回測(cè)35 d前的海潮負(fù)荷值與絕對(duì)重力觀測(cè)組均值殘差序列符合較好,改正效果較FES2014海潮模型有較大提升,由此驗(yàn)證了CG型重力儀用于海潮負(fù)荷觀測(cè)的可行性與有效性。

利用便攜式重力儀進(jìn)行海潮負(fù)荷觀測(cè)時(shí)應(yīng)注意以下2點(diǎn):1) CG-5在環(huán)境溫度不穩(wěn)定的臨時(shí)測(cè)站中可能出現(xiàn)較大的非線性漂移,應(yīng)盡可能使用漂移特性更好的CG-6。由于CG型重力儀的非線性漂移幅值較大,應(yīng)通過最小二乘法建立法方程來(lái)修正海潮模型,不可直接將讀數(shù)變化視作海潮負(fù)荷。2) 海洋潮汐除了主要的全日分潮和半日分潮外,還包括一些長(zhǎng)周期潮波;另外,大氣負(fù)荷和風(fēng)暴同樣可能引起較強(qiáng)的振幅,所以利用短時(shí)潮汐觀測(cè)數(shù)據(jù)修正的海潮模型仍有一定的誤差。因此在海岸線附近進(jìn)行微重力觀測(cè)時(shí),宜同步進(jìn)行重力潮汐觀測(cè)。

下一步可嘗試在測(cè)站環(huán)境溫度控制較好的條件下,使用CG-6作較長(zhǎng)時(shí)間(28 d以上)的重力潮汐觀測(cè),分析其用于提取長(zhǎng)周期潮波的可行性。