沈阳PET型重力异常分析

翟丽娜，贾晓东，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛，贾丽华

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

沈阳PET型重力异常分析

翟丽娜，贾晓东，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛，贾丽华

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

沈阳台PET型重力仪2015年4月重力开始持续下降。2015年6月仪器供电故障后，这一重力持续下降趋势还在继续，直到2015年10月这一趋势开始回升。经过现场考察、分析和讨论后，认为沈阳地震台PET型重力仪异常变化并非人为干扰、降雨干扰及环境干扰等因素导致，而是由于电源故障断电导致的数据异常情况。

PET型重力仪;重力异常;概率密度分析;环境干扰

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.001

1674-8565（2017）04-0001-06

地震星火计划项目（XH14014Y）；中国地震局2017年度震情跟踪青年课题（2017010223）

2017-06-18

2017-09-07

翟丽娜（1986-），女，吉林省长春市人，2012年毕业于吉林大学地球探测与科学技术学院，硕士，工程师，现主要从事地震预测预报方面的研究工作。

0 引言

在地震孕育过程中,断层活动和局部地壳应力集中产生地壳变形和密度(质量)变化,从而导致重力场随时间的变化[1]。重力观测结果是对地下不同深度、不同尺度和不同形状的不均匀密度体所形成的场在地表的综合反映[2]。台站重力观测是一种定点观测方法，对重力加速度进行连续观测进而得到重力潮汐资料并分析获取潮汐和非潮汐结果 ，产出的结果用于活动断层、地壳运动、地震监测和海潮等地球动力学现象的深入研究[3]（中国地震局监测预报司）。目前，全国大陆连续重力观测台站共有75个，不同型号重力仪80套运行产出数据，空间分辨率可达400km左右，为我国的地震监测预报事业发挥着重要作用。

沈阳地震台PET型重力仪自2007年8月观测以来，该台仪器运行状态良好，多年观测资料连续稳定可靠。从2015年4月开始重力持续下降，2015年5月27日重力数据缺失无更新，持续到5月31日，共计5天，6月1日开始，数据出现大幅度突跳，开始明显下降，下降速率较快，重力仪仪器记录日志显示UPS电源故障，维修后数据下降情况持续到6月底，共计变化253.483×10-8ms-2。异常出现后对观测各个环节进行检查，对该异常进行分析研究[4-7]认为这一异常情况为仪器断电，数据零漂，回稳过程，排除地震前兆异常情况（图1）。

图1 沈阳重力异常非潮汐变化Fig.1 Shenyang gravity anomaly non-tidal changes

1 区域地质构造及历史地震概况

沈阳地震台位于沈阳市东陵区天柱山西南麓，台址在地质构造上在沈阳块状隆起上，浑河断裂北6.5km处。浑河断裂在沈阳地区横切沈阳块状古隆起。其西端于沈阳市苏家屯区西南与营口—佟二堡断裂相接，向东沿浑河谷经抚顺、清原一直往北东、北北方向延伸。在台址周围0.25km2范围内，地层比较简单，有前震旦系（AnZ）鞍山群及第四系上更新统（Q3）。混合花岗岩分布在地震台后山上，出露较好。岩面呈肉红色，致密块状，表面及裂隙中有褐铁矿染及土状物。区域地质调查报告介绍，该混合花岗岩应属前震旦系鞍山群通什村组毛燕段，因遭到强烈混合岩化和花岗岩化作用，加之地质构造的干扰，形成了如今的混合花岗岩。该地层在区域上大面积出露，厚度达几千米，为沈阳市结晶基底岩石（图2）。

图2 沈阳地震台地理位置图Fig.2 Geographic location of Shenyang Seismic Station

在历史上，沈阳台所在地区属于弱震区。据历史文献记载，1765年3月15日在距离15km的沈阳市故宫附近，发生过一次5.5级地震，2013年1月23日辽阳发生5.1级地震，是近年来沈阳周边近距离范围内发生的较大地震。

2 PET型重力仪观测情况简介

1970年建成定点形变观测专用洞室，洞体岩石完整，观测仪器布设在山洞内，山洞面积为236m2。山洞进深50m，覆盖层厚30m，侧覆盖大于50m。山洞全长79.6m，呈马蹄形，从山根水平掘进（表1）。周围5km范围内无大型河流、水库、湖泊和深层抽水工程，无采矿、爆破等强震动干扰源。无大型仓库等强荷载干扰源，无大型输变电站、大功率发射塔台等强电磁干扰源，无明显干扰源（表3、图 3）。

表1 观测山洞情况表

表2 沈阳地震台形变山洞附近主要干扰源

图3 沈阳地震台山洞平面图Fig.3 Shenyang seismological cave site plan

沈阳前兆仪器正常运行并纳入国家台网的有两台套，分别为PET型潮汐重力仪，SSQ-2型水平摆倾斜仪。其中PET型重力仪为美国进口仪器，由劳雷公司生产，是用于测量地球各点重力随时间变化的高精度仪器。该仪器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。PET型重力仪仪器观测系统共有三部分组成：装有数据采集系统的仪器箱、装有UPS和定时模块的电子箱和一台运行控制软件的笔记本电脑，从2007年8月正式运行。SSQ-2型水平摆倾斜仪安装时间较早，但是一直没有纳入前兆管理系统，从2010年3月开始正式对数据进行预处理及分析工作。

3 异常分析

分析沈阳台PET型重力仪破年变成因，主要从降雨、周边观测条件改变和孕震机理等方面进行了分析研究[8-15]（图1）。

3.1 气象因素的调查

沈阳地震台无气象三要素观测测项，附近地区亦无可参考的台站气象三要素辅助观测。对沈阳地区气象因素进行调查得知，2015年5月，该地区气温变化基本平稳，最高气温32℃，最低气温4℃（图4），整月出现6天雨水天气，气候变化基本正常；2015年6月，该地区气温稳步回升，最高气温31℃，最低气温11℃，整月出现15天雨水天气，与往年气候变化水平基本保持一致。由于此两月气象均无明显异常变化，均未出现明显的气象异常现象，因此，综合气象因素对水温变化造成干扰较小。

山洞洞室内温度、湿度、气压较稳定，未出现异常变化情况。

图4 沈阳地区气温及天气情况统计图（引自：http://lishi.tianqi.com）Fig.4 Shenyang area temperature and weather statistics

3.2 同山洞水平摆倾斜仪对比分析

沈阳地震台水平摆倾斜观测为2007年“十五”增上SSQ-2型水平摆数字化新上自动观测测项，因仪器问题，2010年开始稳定运行，被纳入中国地震前兆台网管理系统，并开始做数据预处理工作。一直以来仪器运行比较稳定，降雨对其影响较大。（图5）

3.3 数据差分处理分析

通过对重力仪2009年到2016年的数据进行差分处理分析，2010年底的一次突跳是由于进山洞调节仪器造成短时干扰波动较大，而2015年5月底6月初的数据突跳异常时间段与仪器电源UPS故障断记时间段完全吻合，在断电前一段时间，数据并未有大幅转折和突跳状态，说明这次异常情况非短期形变异常情况，而是仪器断电影响，断电后的数据趋势异常是一种重力仪长期断电后的回稳过程（图6-7）。

图5 水平摆倾斜观测曲线Fig.5 Balcony horizontal pendulum tilt observation curves

图6 PET型重力仪2015年5—6月观测曲线Fig.6 PET-type gravity meter from May to June 2015 observation curve

图7 重力潮汐数据差分处理变化曲线Fig.7 Variation curves of gravity tidal data processing

3.4 概率密度方法分析

截取沈阳重力潮汐分钟值数据（20150101—20160531），对其进行概率密度分析（图8）。其原理是首先运用小波分析方法对原始数据进行去趋势分析，提取出短周期高频信息，一般短周期的高频信息在无其他干扰因素的条件下，多表现为一种服从正态分布的随机信号X（t）～N（0，σ）,σ为高频信息的标准差。在理想状态下，高频信息的标准差σ相对稳定，此时干扰信息的λ值接近于零，但如果地震孕育期间构造应力状态存在变化，σ值就会发生变化，那么高频信息的概率密度就会偏离正态分布，干扰信息的λ值就会大于零[11-13]。根据前人研究成果，可将概率密度分布的数学式表达为[16,19]：

式中，Z表示观测数据，P为该数据的概率密度分布，σ为符合正太分布的标准差，λ为未知干扰信号的标准差。

实际应用时，首先统计出原始数据的概率密度，然后依据（1）式求得干扰信号的标准差，一般用最大似然法或最小二乘法获得，即下式[4]:

式中，P（Z）表示观测数据的概率密度分布，σ为标准差，PCastaing为利用（1）式计算得到的概率密度，σCastaing为其相应的标准差。

将原始数据计算得到的和根据（1）式计算的概率密度分布，利用（2）式可得到二者之间的相似度，当（2）式中的X2最小时，进而求得干扰项的标准差λ。

对沈阳重力潮汐变化原始数据以15天为窗长，3天为步长进行滑动，以4阶db_5滤波器进行分析得到相应的高频信息和概率密度的λ值，从图11可以看出，高频信息未出现新异常变化，比较平稳，求得的λ值在2015年05月以后变化同样相对比较平稳，未出现明显的高值异常，因此该变化指示地震孕育期间为构造应力状态变化的可能性较弱，即异常信度较低（图8）。

图8 重力潮汐变化、高频信息及概率密度λ2值变化曲线Fig.8 Curve of gravity tide change、high frequency information and probability density λ2

3.5 流动重力单点时序曲线分析

对沈阳台自2009年5月到2016年5月共计13期测量的流动重力观测华北测网沈阳测点的数据值做单点时序曲线（图9），发现近几年沈阳测点数据较稳定，与PET型重力仪定点测量数据对比后，说明沈阳台附近近年来地下活动情况较稳定，进一步证明沈阳台PET型重力仪2015年5月以后出现的大幅突跳情况是仪器断电引起的较大可能性。

图9 沈阳重力测点点值时序曲线Fig.9 Measurement of Point Measure Time in Shenyang

3.6 流动重力两年三期对比分析

图10 沈阳流动重力2015—2016年三期数据差分处理曲线图Fig.10 Shenyang flow gravity three differential data processing graph from 2015 to 2016

通过对辽宁省2015年5月、2015年10月和2016年5月这三期流动重力数据进行每两期的差分处理图（图10）对比分析，发现该时间段内沈阳地区流动重力数据变化较稳定，说明在这一地区地下地质体活动背景较弱。对比分析认为该地区异常情况不明显，说明沈阳台PET型重力仪2015年5月以后出现的大幅突跳情况是仪器断电引起的可能性较大。

4 结论和讨论

在对沈阳台PET型重力仪各种因素科学合理分析和异常性质论证的基础上，经过现场考察、分析和讨论，排除人为干扰、降雨干扰，认为2015年5月27日—5月31日由于电源故障造成断记，导致仪器内恒温系统受影响，仪器内恒温不稳，导致仪器重新供电后零点漂移较大发生掉格现象，运行一段时间后重新回到一个稳定状态，无外界环境明显干扰源的干扰情况出现，排除后确定为仪器故障导致数据异常，排除沈阳当地地震前兆异常短临情况。

今后会继续对沈阳地震台目前使用的PET型重力仪进行实验性分析，检测分析仪器工作状态的改变可能引起的变化；针对重力仪短时间断电后观测仪器零漂掉格幅值给予定性定量分析，排除对数据的影响，使异常信度提高。

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Analysis of Abnormal PET Type Gravity at Shenyang Seismic Station

ZHAI Li-na, JIA Xiao-dong , KONG Xiang-rui, LI Tong-xia,SHAO Yuan-yuan，JIA Li-hua

（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

Shenyang PET-type gravity meter began to decline in gravity from April 2015, Since the equipment supply fails in June 2015, the declining trend continues among gravity. This trend began to rise from October 2015. Based on the site inspect, analysis and discussion, it is considered that the abnormality of PET gravity meter in Shenyang Seismic Station eliminates human disturbance, rainfall disturbance and environmental disturbance. The Data anomaly is due to the power failure.

PET gravimeter; accelerated incline to north direction; abnormal investigation ; Yingkou Seismic Station