琼中台连续重力观测记录地震特征分析*

李　盛　解晓静　郭昱琴　黄天保

1) 海南省地震局，海南海口570203

2) 琼中基准地震台，海南琼中572900



琼中台连续重力观测记录地震特征分析*

李盛1)解晓静1)郭昱琴2)黄天保2)

1) 海南省地震局，海南海口570203

2) 琼中基准地震台，海南琼中572900

摘要利用以琼中台为圆心，半径为3500 km范围内2009—2014年MS≥2.0地震目录资料，统计分析琼中台连续重力观测数据曲线与地震的对应情况，并对有关震例在连续重力原始秒数据曲线中产生的地震波进行特征分析，总结规律，得出琼中台连续重力观测对震中距3500 km以内地震的记录能力。同时分析了地震事件对重力观测数据、 潮汐和非潮汐参数的影响，认为地震不仅在重力观测数据曲线上产生脉冲或阶跃，在非潮汐重力残差曲线上也会产生脉冲，而对重力M2波潮汐因子产生的影响较小。

关键词重力观测； 同震响应； 震中距； 记录地震

引言

重力观测数据是地下不同深度、 不同尺度和不同形状的密度不均匀体所形成的场在地表的综合反映[1]。台站重力测量是一种定点观测，通过对重力加速度的连续观测得到重力潮汐资料，通过分析获得潮汐和非潮汐结果[2]。经过中国地震局“十五”项目和背景场项目的实施，目前，全国共有75个重力观测台站，80套重力仪在运行产出数据，空间分辨率达400 km，正为我国的地震监测预报事业发挥着重要作用。所谓记录地震能力，简单说就是一般情况下，某观测手段能够在不同震中距记录到地震事件的最小震级，或不同震级条件下记录到地震的最远距离[3]。对于连续重力观测记录地震的能力，目前国内尚无系统研究和明确结论。而其他观测仪器方面，师娅芳等对贵阳台钻孔应变观测资料分析认为贵阳台钻孔应变观测能清晰记录固体潮变化、 全球中强以上及周边中小地震同震应变变化[4]； 张清秀等对永春井水位观测资料分析认为水位同震效应最大震幅总体上与震级成正比，与震中距成反比[5]。

琼中台连续重力观测项目是中国地震局“十五”重点项目，所用仪器是LCR-PET型重力仪，于2008年3月29日安装完毕并产出数据。

1台站和仪器概况

1.1　台站概况

琼中基准地震台位于海南省琼中县县城营根镇东南，处于海南岛中部五指山区木头山东北侧的小山间盆地内，属国家Ⅰ类台，隶属于海南省地震局； 受亚热带季风气候影响，高温多雨的气候特征显著，年降水量达2000 mm，年温度在8～37℃，月温差为10℃，每年4～10月为雷雨季节，7～10月为台风季节。台站周围10 km内无大断裂通过，地处区域性基底隆起的花岗岩侵入地区，地壳稳定性很好，岩基为海西—印支期花岗岩，岩性致密坚硬，该基岩属混合花岗岩。

1.2　仪器介绍

琼中台连续重力观测所用的LCR-PET型重力仪是由美国Micro-g LaCoste，Inc公司生产的一种全自动型重力仪，可用于测量地球各点重力随时间的变化，也可以检测周期从秒到若干年的地球物理、 地球动力学效应所导致的微小的重力场变化。仪器主要技术指标如表1所示。

表1　LCR-PET重力仪主要技术指标

2研究资料的选取

2.1　重力观测数据的选取

2008年3月29日至12月31日，琼中重力观测数据因仪器故障的原因缺数较多，在此不作分析。本文研究的琼中重力观测数据时间区间是2009年1月至2014年12月。2009年1月以来，琼中台重力仪运行稳定，数据可靠，仪器运行率达99.1%，观测数据固体潮清晰，具有明显的日变形态(如图1所示)。

图1　2009年2月1日琼中台重力观测预处理分钟值数据曲线

2.2　地震目录的选取

本文所采用的地震目录主要以中国地震局统一快报目录为主要地震目录来源，对于在研究中涉及到我国境外的地震，则还参考美国地震信息中心地震目录(从http：∥earthquake.usgs．gov/regional/neic/下载)，若二者有不同之处，则以美国地震信息中心地震目录为准，地震目录的范围是2009—2014年以琼中台(109.8°E，19.02°N)为圆心，半径为3500 km范围内所有MS≥2.0地震以及全球MS7.0以上地震，时间为北京时。

3琼中台重力观测记录地震特征分析

限于篇幅，本特征分析仅对记录震中距小于等于3500 km的地震进行特征分析。下面从地震震中距由近及远的角度对记录地震特征进行逐次分析。

3.1　对R≤200 km内地震的记录特征

2009—2014年该区域范围内(本区域范围都位于我国境内，完全采用中国地震局统一快报目录)共发生MS2.0~2.9地震5次，MS3.0~3.9地震1次，为2012年11月5日万宁近海MS3.6地震，未发生MS4.0级以上地震(震中分布如图2所示)。琼中台重力观测对上述5次MS2.0~2.9地震未有记录，但记录到2012年11月5日万宁近海MS3.6级地震(该地震信息如表2所示，重力观测原始秒数据曲线如图3所示)，从图3中可清晰看到地震产生的地震波，且P波和S波清楚，最大振幅时间出现在19:52分，最大振幅为361×10-8m·s-2，因震中距仅129.4 km，地震波到达时间短，在地震发生后的30 s内地震波即已到达，又因震级较小，同震效应持续时间也比较短，约为3 min。

表2　2012年11月5日万宁近海MS3.6地震信息

图2　琼中台200 km内MS≥2.0地震震中分布图(2009-01-01～2014-12-31)

图3　2012年11月5日19:00～20:00时琼中台重力观测原始秒值数据曲线

3.2　对200 km

2009—2014年该区域范围内共发生MS3.0~3.9地震9次，发生MS4.0~4.9地震1次，即为2013年2月20日广西巴马MS4.5地震。琼中台重力观测未记录到上述9次MS3.0~3.9地震，但记录到广西巴马MS4.5地震(该地震信息如表3所示，重力观测原始秒数据曲线如图4所示)。图4上，因观测曲线毛刺较多的原因，无法清晰分辨P波到达时间，地震引起的观测数据最大震幅为67.19×10-8m·s-2，振幅小于万宁近海MS3.6地震引起的振幅，同震效应持续时间约为5 min。

图4　2013年2月20日03:00~04:00时琼中台重力观测秒值原始数据曲线

表3　2013年2月20日广西巴马MS4.5地震信息

3.3　对600 km

2009—2014年该区域范围内共发生MS4.0~9.9地震8次，未发生MS5.0以上地震。上述8次地震中，琼中台重力观测记录到3次，且该3次地震震级均大于MS4.5(地震信息如表4所示)； 其余5次未记录到，地震震级均介于MS4.0~4.3之间。

表4　琼中台重力观测所记录到的地震信息(600 km

3.4　对800 km

2009—2014年该区域范围内共发生MS4.0~4.9地震155次、MS5.0~5.4地震17次和MS5.5~5.9地震12次。琼中台重力观测对其中的MS4.0~4.9地震均未有记录； 对MS5.0~5.4地震记录到12次，5次未记录到； 对MS5.5~5.9地震均有记录。由此可以认为对于震中距大于1200 km的MS4.9以下地震，琼中重力观测无记录能力。

3.5　对1200 km

2009—2014年该区域范围内共发生MS5.0~5.4地震67次、MS5.5~5.9地震27次和MS6.0~6.9地震23次。琼中台重力观测对其中的MS5.0~5.4地震均未有记录；MS5.5~5.9地震中记录到17次，9次未记录到，另有1次地震发生时琼中台重力仪无观测数据，故无法确定是否可以记录到该地震；MS6.0~6.9地震均有记录。由此可以认为，对于震中距大于1500 km的MS5.4以下地震，琼中重力观测无记录能力。

3.6　对1500 km

2009～2014年该区域范围内共发生MS5.5~5.9地震223次，MS6.0~6.4地震110次。琼中台重力观测对于该震中距范围内的MS6.0~6.4地震均有记录，而对于MS5.5~5.9地震，我们分别统计了琼中台重力观测对1500 km

以2012年9月7日云南彝良MS5.7和MS5.6双震(图5)为例进行记录地震特征分析。该双震的震中距分别是1115.9 km和1117.3 km，从图5中可看出，彝良5.7级地震的同震响应振幅、 地震引起的脉冲持续时间明显大于5.6级地震，说明在震中距相同情况下，地震引起的脉冲振幅、 脉冲持续时间与震级成正比。从地震发生到P波初动，耗时约4 min，且地震波结束后数据曲线无阶跃，仪器线性漂移速率也未发生改变。

图5　2012年9月7日11:00～12:00时琼中台重力观测秒值原始数据曲线

表5　琼中台重力观测记录MS5.5~5.9地震的次数与未记录到次数之比

4地震动对重力仪记录数据的影响

连续重力观测的意义在于从重力观测数据中分离出重力潮汐信息和非潮汐信息，对其进行研究，发现可能存在的地震前兆异常, 以应用于地震预测预报，而不在于记录地震。地震在重力观测数据曲线上引起的波动严格意义上讲是一种干扰，这种干扰是否会影响重力数据的应用是一个非常关键的问题。重力观测数据曲线记录地震的表现形式主要有脉冲和同震阶跃两种。对于琼中台连续重力观测数据曲线而言，除2012年4月11日印尼MS8.6地震导致重力仪粘摆(图6)，开摆后观测数据产生阶跃外(阶跃后的线性漂移速率未发生改变)，其他地震产生的同震响应形式均为脉冲。目前为止，重力观测曲线尚未出现不明脉冲而无地震与之对应的情况。

图6　2012年4月11日至2012年4月13日琼中台重力观测分钟值预处理数据曲线

地震除了会对重力观测数据产生影响外，对重力潮汐因子和非潮汐重力残差(所谓非潮汐重力残差值就是重力观测数据消除理论固体潮和仪器线性漂移后所获得的数据)会产生什么样的影响，是我们在利用连续重力数据进行地震分析预报中所关心的。在此，以2014年1月至2014年8月琼中台重力预处理数据曲线(图7上)与经计算后获得的重力残差值曲线(图7中)和重力M2波潮汐因子曲线(图7下)为例进行分析，对于在预处理曲线上产生明显同震效应的地震在图上进行了标注。从图中可明显看到，在预处理曲线上产生明显同震效应的地震在重力残差值曲线中亦有同震效应，且在重力残差值曲线中同震效应的表现形式也是脉冲，无阶跃情况发生； 而在M2波曲线上则无明显的同震效应，说明地震对重力潮汐参数的影响较小，对我们利用重力潮汐参数进行地震分析预报的影响不大。

图7　2014年琼中台重力预处理数据、 重力残差值和M2波潮汐因子数据曲线

5认识与讨论

(1) 随着震中距的增加，琼中台重力观测对地震的记录能力减弱。其中，对MS<3.0地震无记录能力； 对震中距超过200 km以上的MS3.0~3.9地震无记录能力； 对震中距超过800 km以上的MS4.0~4.9地震无记录能力； 对震中距超过1200 km以上的MS5.0~5.4地震无记录能力； 对震中距超过3500 km以上MS5.5~5.9地震几乎无记录能力。

(2) 琼中台连续重力观测原始秒数据记录到的地震波具有地震波到达时间延迟、 对重力观测曲线产生干扰且干扰的主要表现形式为脉冲、 同震响应结束后观测曲线的线性漂移不发生改变等特征。

(3) 琼中台重力观测记录到的地震事件对重力观测曲线和非潮汐重力残差值曲线均会产生脉冲形式的干扰，而对M2波潮汐因子产生的影响较小，无明显的同震响应。

以上认识由于地震样本数不是很充足、 地震分布不均匀、 时间范围有限(仅对2009—2014年所发生的地震进行了分析)，且未考虑地震震源深度等因素，结论或有不尽完善之处，今后仍需继续研究以对认识加以修订延伸。

(作者电子信箱，李盛： lishyiyuan@163.com)

参 考 文 献

[1] 重力勘探资料解释手册编写组. 重力勘探资料解释手册. 北京: 地质出版社，1983

[2] 中国地震局监测预报司． 地形变测量． 北京: 地震出版社，2008： 59-61

[3] 师娅芳，师家升，崔庆谷，等. 贵阳台钻孔应变观测记震能力研究. 国际地震动态，2012(9): 20-26

[4] 张清秀，郑小菁，林木金，等. 永春井水位对远大地震的记震能力及同震效应特征分析. 华南地震，2011，31(3): 34-40

[5] 宋茉，邱泽华，唐磊. 钻孔应变台站记震能力研究. 大地测量与地球动力学, 2010，30(增Ⅱ)： 32-35

地震科普

The signature of seismic events recorded by the continuous

gravimeter at Qiongzhong seismic station

Li Sheng1)，Xie Xiaojing1)，Guo Yuqin2)，Huang Tianbao2)

1) Hainan Earthquake Administration，Haikou 570203，China

2) Qiongzhong Seismic Station，Qiongzhong 572900，China

AbstractIn this paper，we used the earthquake catalog(MS≥2.0) from 2009 to 2014 within 3500 km away from the Qiongzhong seismic station to analyze statistically the correlation between the continuous gravity observation data recorded by Qiongzhong station and earthquakes. By investigating the characteristic of the seismic waves generated by earthquakes

in the original second consecutive gravity data，we get the capabilites of Qiongzhong continuous gravity observation to record the earthquake within 3500 km. At the same time，we analyze the influence of earthquakes to the gravity observation data，tidal and non-tidal data parameters. It is considered the earthquakes not only give rise to a pulse or step on the gravity observation data，but also on a non-tidal gravity residual curve，and cause little influence on the gravityM2 tidal factor.

Keywordsgravity observations; the coseismic response; epicentral distance； recorded earthquake

基金项目：中国地震局监测、 预报、 科研三结合课题(152102)和中国地震局地震科技星火计划(XH15034Y)。

收稿日期：*2015-04-21； 采用日期： 2015-10-10。

中图分类号：P315.72+6；

文献标识码：A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2015.12.004