兰州十里店地震台连续重力观测资料分析

史小平 王小娟 王静波

1）中国甘肃 730046 兰州观象台

2）中国兰州 730000 甘肃省地震局

0 引言

兰州十里店地震台（以下简称十里店台）始建于1987年，是兰州观象台的子台，观测设备有DSQ型水管倾斜仪、SS-Y型洞体应变仪、SSY-Ⅱ型洞体应变仪、SSQ-2A型石英水平摆倾斜仪、PET型相对重力仪、SD-3A型测氡仪等。PET型相对重力仪2007年安装，2008年1月正式观测，产出的重力观测资料精度如何，受到哪些干扰因素影响，如何才能获得更好的观测资料，在地震预测及科学研究中是否能提供连续、可靠的观测资料？本文将从潮汐变化和非潮汐变化，对十里店台重力观测资料进行系统分析，检验其映震效果。

1 观测资料内在质量检验

2008年1月1日兰州十里店台重力观测正式运行，选取2008—2013年重力观测数据，共3 156 480条分钟值数据进行研究。

Nakai拟合检验是固体潮观测检验内在质量的常用方法。Nakai方法是多项式拟合法，应用Nakai拟合模型，对固体潮整点值观测数据进行拟合检验。 2008—2013年重力观测资料的Nakai检验结果见表1，表中：“组数”表示1年当中参与计算的数据量（两天数据为1组），E为拟合残差，计算结果为拟合残差分布情况。由表1可知：有91.6%的拟合残差小于1×10-8/s2，表明仪器观测噪声比较小，观测效果较好；2008—2013年，小于1×10-8/s2的拟合残差逐年增多，表明重力观测资料总体呈日趋稳定的状态。

2 潮汐变化调和分析

连续重力观测数据包含潮汐变化信息，也包含非潮汐变化信息。一般，分析潮汐变化信息主要使用观测时序值序列进行调和分析。本文采用观测时序值序列，以48小时为滑动步长，30天为窗长，采用月长度进行调和分析，解算潮汐因子和相位滞后的参数变化。

2008年5月和2008年11月，由于工作人员进洞调试仪器造成较大干扰，M2波计算结果变化较大，为了明显显示M2波变化趋势，绘图时将两个月的数据做缺数处理；2013年4月由于停电造成的缺数较多，未对此月数据做调和分析，按缺数处理。

表1 Nakai检验结果（单位10-8·s-2）Table1 Results of Nakai tests(Unit:10-8·s-2)

2008—2013年重力资料潮汐因子及相位滞后曲线见图1。由图1(a)可见，潮汐因子较稳定，在1.163—1.167变化；个别数据变化较大，如：2008年5月为1.111105、2008年9月为1.171 690、2008年11月为1.138 274、2010年2月为1.158 631、2013年7月为1.171 868。经查证，以上时间均有工作人员进洞检修、调试仪器。由图1(b)可见，2011年7月相位滞后，出现大幅异常变化，至2012年8月，滞后幅度是2010年5月至2011年6月的9.1倍；2012年9月相位滞后再次出现大幅异常变化，至2013年6月，滞后幅度是2011年7月至2012年8月的2.2倍；2013年7月异常结束，迅速恢复到正常值上下波动， 7月22日发生甘肃省岷县、漳县交界MS6.6地震。

图1 潮汐变化时序（a）潮汐因子序列；（b）相位滞后序列Fig.1 Time sequences diagram of the tidal changes

3 非潮汐变化漂移分析

非潮汐变化部分包含仪器零漂、人为干扰、自然环境（如气温、气压和降水量等）干扰、地球内部物理因素干扰（韦进等，2012）。分析非潮汐变化，需要剔除重力观测数据中的潮汐变化。去除潮汐变化常用的简单方法是日均值法，可以滤去97%的潮汐成分，分离出的非潮汐信息能客观反映其趋势性变化规律。因此，本文直接使用“十五”数据库中的日均值进行分析。由原始日均值曲线[图2(a)]可以看出，观测值受到停电和仪器调试的干扰较大，必须剔除干扰信息，即修正因停电和仪器调试造成的台阶。修正后日均值曲线见图2(b)。台站重力观测受大气压效应，为消减其影响，使用气压变化值ΔP乘大气导纳常数A作为观测重力的气压改正，A值一般约-0.3×10-8m·s-2/hPa，由气压引起的重力变化幅度一般在(2—3)×10-8范围内（徐建桥等，1999），气压改正效果不明显，因此本文直接采用-0.3×10-8m·s-2/hPa。气压修正后重力观测日均值曲线见图2(c)，总体呈上升漂移趋势，2008—2013年共漂移1 967.788×10-8m·s-2，平均每年漂移327.965×10-8m/s2，每月漂移27.330×10-8m·s-2，远小于重力仪给定的一般每月漂移小于500×10-8m/s2的技术指标，表明仪器弹簧系统工作状态稳定，观测资料真实可靠。虽然弹簧重力仪在短期内呈线性漂移规律（韦进等，2012），但由于本文分析2008—2013年重力资料长趋势漂移，漂移特性呈现非线性特征，故采用一般多项式分段曲线，自动分段进行拟合，残差时间序列见图2(d)。由图2(d)可知：自2009年下半年起，残差时间序列呈现“冬天变化幅度大，夏天变化幅度小”的规律。

图2 日均值曲线(a)原始日均值；(b)修正后日均值；(c)气压修正后日均值；(d)日均值与一般多项式分段曲线拟合差Fig.2 The average daily value curve

4 高频扰动映震分析

4.1 高频扰动

重力观测的高频扰动信号，是指叠加在潮汐曲线上，反映地面微弱震动的信息，包含重力地脉动。利用快速傅氏变换（FFT），对离散采样的重力观测数据进行频谱分析，计算重力地脉动频谱。图3是2014年1月1日至30日兰州重力观测的地脉动曲线及频谱分析结果，由此可知，地脉动频率范围为0.1—0.5 Hz，优势频率为0.22 Hz，与其他同类研究结果一致（郝晓光等，2008；尹亮等，2011）。

图3 频谱分析(a)时间域；(b)频率域Fig.3 Spectrum analysis

4.2 映震统计

2008—2013年中国大陆共发生6级以上地震31次，地震参数见表2。其中，在震前10天内出现高频扰动现象的地震有9次，映震率为29%。

表2 2008—2013年中国大陆6级以上地震参数Table2 The statistics of the epicenter distance above magnitude 6 in Chinese mainland from the year of 2008 to 2013

4.3 震例分析

高频扰动信号一般出现在地震前10天以内（赵根模等，2001；王新胜等，2013）。2008—2013年中国大陆共发生6级以上地震31次，兰州重力观测在震前10天内出现高频扰动现象的有9次。以2008年5月12日汶川MS8.0地震和2013年7月22日岷县—漳县MS6.6地震为例，检验兰州十里店台重力数据映震情况。利用firls函数设计带通滤波器，消除固体潮干扰，只保留0.08—0.4 Hz的频率成分，发现在汶川MS8.0地震和岷县—漳县MS6.6地震前10天内均有高频扰动现象发生。汶川地震前出现典型的喇叭口现象，而岷县—漳县地震前出现纺锤状现象，见图4。

图4 滤去固体潮成分的高频扰动曲线(a)2008年5月1日—31日；(b)2013年7月1日—31日Fig.4 The high frequency disturbance by filters out the solid tide

5 结论

（1）2008—2013年兰州十里店台重力观测受停电、仪器检修、调试影响，缺记170多小时，形成多次台阶干扰，影响资料分析及应用。剔除潮汐变化和人为干扰，进行气压改正和一般多项式分段拟合，发现该台重力观测资料显示长期正向漂移趋势，重力残差时序变化趋势呈现“冬天变化幅度大，夏天变化幅度小”的规律。

（2）兰州十里店重力观测资料内在质量较高，主要体现在：①利用Nakai拟合检验对观测资料进行检验，发现仪器观测噪声较小，观测效果较好，状态日趋稳定；②利用维尼狄可夫调和分析方法对观测资料进行分析，发现潮汐因子较为稳定，精度较高。

（3）通过对兰州重力2008—2013年的观测资料分析，认为该观测映震效果主要体现在相位滞后和高频扰动上。在2013年7月22日岷县—漳县MS6.6地震前，兰州重力观测出现明显的相位滞后异常，与其同台的洞体应变观测、水管倾斜观测和钻孔倾斜观测均出现了不同程度的异常变化（姜振海，2013）。在2008—2013年中国大陆共发生6级以上地震31次，其中在震前10天内出现高频扰动现象的有9次，映震率为29%。

（4）固体潮台站日常观测发现，大震前常有高频扰动信号叠加在固体潮曲线上，我国地震前兆监测将其作为一种“短临异常”，但此类高频扰动产生机理尚不清楚，今后将积累更多重力观测资料，进行详实分析。

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