重力仪一次项系数对重力场动态变化的影响研究

梁伟锋 刘 芳 祝意青 徐云马 郭树松 赵云峰 刘 练

1 中国地震局第二监测中心，西安市西影路316号，710054

《地震重力测量规范》规定，G 型相对重力仪（CG－5、Burris等类型的高精度重力仪也适用此规范）的一次项系数一般每隔3a须使用重力长基线或短基线标定一次。但在相对重力数据的处理工作中发现，CG－5型相对重力仪的一次项系数逐年变化，应每年进行实测标定。在此思路基础上，利用2011～2013喜马拉雅项目在南北地震带北段获得的10多个绝对重力值作为基准，运用甘肃、宁夏和河西3个重力网的实测数据［1－6］对各重力仪的一次项系数进行重新解算，然后对3个重力网2011～2013多期的相对重力测量资料进行统一基准的系统性整体解算，获得南北地震带北段近年来较大空间尺度的区域重力场动态变化图像，研究重力仪一次项系数对重力场动态变化的影响及南北地震带北段重力场动态变化的特征和规律，获取南北地震带北段的大尺度重力异常信息，探索重力变化和地壳运动及构造活动和地震发生的关系。

1 资料处理

对南北地震带北段3个相互独立观测和分析研究的宁夏地震重力网、甘肃地震重力网和河西地震重力网2011～2013多期的相对重力测量资料，选取合适的拟稳点，使用基线标定的重力仪一次项系数进行统一基准的系统性整体解算，获得南北地震带北段近年来较大空间尺度的区域重力场动态变化图像。利用2011～2013喜马拉雅项目在南北地震带北段获得的10多个绝对重力值作为基准，对甘肃、宁夏和河西3个重力网的数据进行仪器一次项的重新解算，然后进行统一基准的系统性整体解算，剔除不稳定的点位，获得重力场动态变化。

2 南北地震带北段2011～2013的重力场变化

利用2011～2013喜马拉雅项目在南北地震带北段获得的13个绝对重力点（西宁、岸门村、西宁基、西宁环2、中卫、灵武、石嘴山、民和、景泰、西安州、双墩、武都、豆坪）为基准，对甘肃、宁夏和河西3个重力网的数据重新解算仪器的一次项后，再利用新解算的仪器一次项对3个重力观测网组成的测网进行统一基准的系统性整体经典网平差解算，获得南北地震带北段的重力场动态变化。

2.1 半年尺度的重力场变化

图1（a）显示，2012－05～2012－10重力变化具有分区特征：1）甘东南总体为正负相间的变化，岷县地区存在40μGal变化的局部重力异常；2）宁夏地区自南向北出现由负向正的趋势性变化，并在海原、固原和隆德地区出现局部重力异常区；3）河西走廊地区重力变化不大，在±30μGal以内。

图1（b）显示，2012－10～2013－06重力变化非常剧烈，具有以下3个特征：1）甘东南地区重力出现显著差异运动，临夏重力正值变化，岷县、天水重力负值变化，重力差异变化达150μGal，并沿岷县－隆德形成重力变化高梯度带，岷县6.6级地震则发生在重力变化高梯度带上；2）宁夏地区自南向北出现由正向负的趋势性变化，并沿固原、隆德出现局部重力异常区及重力变化梯度带；3）河西走廊地区重力变化不大，在±30μGal以内。

2.2 1a和2a尺度的重力场变化

2011－05～2012－05重力场（图2（a））反映出，青藏高原深部物质向北东运移过程中出现自西南向东北、由负向正的大空间尺度的趋势性显著重力变化，并沿祁连－海原大断裂带出现重力变化高梯度带，该地区具有强地震发生的背景。

图1 南北地震带北段半年尺度的重力场变化Fig.1 The gravity varition during half an year scale of northern segment of north－south seismic belt

图2 南北地震带北段1a尺度的重力场变化Fig.2 The gravity varition during 1year scale of northern segment of north－south seismic belt

2012－05～2013－06 重力变化比较复杂（图2（b）），具有以下3个特征：1）甘东南地区重力出现显著差异运动，临夏重力正值变化，岷县、天水重力负值变化，变化差异达150μGal，并沿岷县－隆德形成重力变化高梯度带，岷县6.6级地震发生在重力变化高梯度带上；2）宁夏地区自南向北出现由负向正的趋势性变化，在海原、隆德出现与上期反向变化的重力局部异常；3）河西走廊地区在门源－天祝和祁连－民乐出现两个局部重力异常区，并沿祁连山构造带出现重力变化梯度带。

图3 南北地震带北段2a尺度的重力场变化Fig.3 The gravity varition during 2ascale of northern segment of north－south seismic belt

2011－05～2013－06重力场（图3）反映出，青藏高原深部物质向北东运移过程中出现自西南向东北、由负向正的大空间尺度趋势性显著重力变化，重力变化非常剧烈，具有以下3个特征：1）甘东南地区重力在自南向北、由负向正的变化过程中，沿岷县、天水之间形成重力变化高梯度带，岷县6.6级地震发生在重力变化高梯度带上；2）宁夏地区在隆德出现幅值较大的局部重力异常，沿海原、隆德出现重力变化梯度带；3）河西走廊地区沿祁连断裂带出现重力变化高梯度带，并在门源、天祝发生转折弯曲。宁夏海原－六盘山断裂带及门源－天祝一带重力变化异常值得进一步跟踪。

3 重力仪一次项对解算结果及重力场变化的影响

3.1 重力仪一次项的解算结果

本次解算是利用2010年以来喜马拉雅项目在南北地震带北段获得的10多个绝对重力值作为基准，重新进行仪器的一次项解算后获得的重力场动态变化。结果显示，LCR－G 型及Burris型金属弹簧重力仪的一次项较稳定（基本不变），CG－5型石英弹簧重力仪的一次项逐年减小，应每年利用绝对基准进行实测标定。

表1 解算过程中使用的一次项系数Tab.1 The first degree coefficient used in the calculating process

3.2 重力仪一次项系数实测标定前后重力场动态图像比较

针对重力仪一次项系数基线标定和利用实测资料进行标定，分别对南北地震带北段2011～2013的重力场变化进行计算，根据计算结果得出重力场动态图像。

1）2012－05～2012－10期间，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态图像总的趋势一致，实测标定后岷县Ms6.6地震震中附近起伏性变化一致，宁夏地区重力变化量级小于标定前，最大差异运动由160μGal减少到110 μGal（图4）。

2）2012－10～2013－06期间，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态图像总的趋势一致，实测标定后岷县Ms6.6地震震中附近变化量级小于标定前，最大差异运动由240 μGal减少到150μGal，宁夏地区重力变化量级小于标定前，最大差异运动由190μGal减少到80 μGal（图5）。

3）2011－05～2012－05期间，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态图像总的趋势一致，实测标定后变化量级略小于标定前，最大差异运动由160μGal减少到120μGal（图6）。

4）2012－05～2013－06期间，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态图像总的趋势一致，实测标定后岷县Ms6.6地震震中附近变化量级小于标定前，最大差异运动由240 μGal减少到150μGal，宁夏北部地区重力变化平缓（图7）。

5）2011－05～2013－06期间，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态累积图像总的趋势一致，实测标定后岷县Ms6.6地震震中附近变化量级小于标定前，最大差异运动由150μGal减少到100μGal，宁夏北部地区重力变化平缓（图8）。

图4 重力仪一次项实测标定前后重力场变化比较（2012－05～2012－10）Fig.4 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－05－2012－10）

图5 重力仪一次项实测标定前后重力场变化比较（2012－10～2013－06）Fig.5 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－10－2013－06）

图6 重力仪一次项实测标定前后重力场变化比较（2011－05～2012－05）Fig.6 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2011－05－2012－05）

图7 重力仪一次项实测标定前后重力场变化比较（2012－05～2013－06）Fig.7 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2012－05－2013－06）

图8 重力仪一次项实测标定前后重力场变化比较（2011－05～2013－06）Fig.8 The gravity variation before and after the first degree coefficient calibrated（2011－05－2013－06）

总之，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态图像总的变化趋势基本一致，只是实测标定后重力变化的量级有所减小，资料分析更加可靠。至于海原－六盘山断裂带附近的重力变化是岷县6.6级地震的响应还是新地震的前兆，有待进一步分析。

4 结 语

利用绝对重力测量结果对相对重力仪一次项系数进行实测标定后发现，LCR－G 型和Burris型金属弹簧重力仪的一次项较稳定，基本保持不变；CG－5型石英弹簧重力仪的一次项逐年减小，应每年利用绝对基准对其进行实测标定。

对南北地震带北段的甘肃、宁夏和河西3个重力网的实测数据进行各重力仪一次项系数解算，再利用计算出的重力仪一次项系数对3个相互独立观测和分析研究的重力网2011～2013多期相对重力测量资料进行统一基准的整体解算，获得南北地震带北段近年来较大空间尺度的区域重力场动态变化图像。结果表明，重力仪一次项系数实测标定前后南北地震带北段重力场动态图像总的变化趋势基本一致，只是重力变化量级有所减小，资料分析更加可靠。对于CG－5 重力仪观测资料，计算分析时应先对实测数据进行一次项系数解算，再利用计算得出的重力仪一次项系数进行平差计算，得到的计算结果更加合理，震情分析更加可靠。

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