张家口地震台连续重力异常分析

屈 曼， 侯晓真，陈建国，王曰风，朱振兴，周 亚，刘仲韬

(1.河北省地震局，河北 石家庄 050021 ；2. 河北省地震局张家口中心地震台，河北 张家口 075000)

0 引言

在地壳运动中, 由于各种原因, 中国大陆构造应力场发生强弱变化，重力场图像也会跟着出现时空变化, 重力场变化与活动断裂构造密切相关[1]。连续重力观测可以得到三方面的信息, 即重力场缓慢变化、重力潮汐变化和叠加在潮汐曲线上的高频信息[2]，其能精确探测到地球内部物质迁移引起的重力变化效应[3]。连续重力观测精度远高于流动观测，从理论上来讲，流动重力能观测到的震前重力变化信号,连续重力也可观测到。许多学者利用连续重力数据对震前异常进行分析论证[4]。王新胜等[5]分别对苍梧Ms5.4地震和呼图壁Ms6.2地震震前的连续重力观测数据进行分析研究，发现震前重力数据出现了一定的异常现象。喻节林等[6]根据M2波潮汐因子的月变化曲线及加卸载响应比，讨论了印尼Ms8.7地震可能引起的重力趋势性变化。黄雅等[7]以2013年芦山7.0级地震为例，探讨了重力固体潮参数的时空分布特征与地震孕育的关系，发现芦山地震前M2波潮汐因子趋势变化空间分布大体呈现上升与下降趋势的四象限分布。

张家口地震台(以下简称张家口台)gPhone连续重力观测仪M2波潮汐因子自2016年6月出现持续下降的趋势变化，累计下降变化量达到7×10-3。相同时间段内，重力时序变化和重力非潮汐变化均比较平稳，未出现明显的同步异常变化(见图1)。为更准确地判定张家口重力潮汐因子异常的性质，从观测数据可靠性、观测环境干扰等方面进行分析论证。

图1 2015-2017年M2波潮汐因子时间序列图Fig.1 Time series map of M2 tidal factor from 2015 to 2017

1 重力观测背景资料

张家口重力测点处在阴山东西向构造带与山西地震带北段、张渤地震带西北段的交汇部位，地质构造复杂，断裂较多。主要断裂有NE向蔚县山前大断裂、桑干河断裂、怀安-宣化断裂等。连续重力观测属洞室型连续重力观测站，洞室深度65 m，通道近似“W”形(见图2)，覆盖层达30 m以上，观测室内干燥、整洁、无渗水返潮现象。台基岩性属侏罗纪石英粗面岩和石英角砾岩。重力观测墩完好，未出现下沉、开裂等现象，仪器和观测墩表面洁净。

连续重力观测站2009年9月始建；2010年8月开始观测，同年张家口重力仪处于稳定阶段；2011年仪器处于试运行阶段，数据可信度较低；2012-2013年重力观测质量较好，在全国观测质量评比中获奖；2015年重力观测仪出现故障，9月4日更换新的CF卡， 11月23日工程中心进行远程调试。调试之后重力观测曲线出现大幅下降变化，一直持续到2016年4月，目前仪器运行正常。

图2 重力观测仪器布设示意图Fig.2 Layout of gravity observation instruments

2 重力潮汐因子数据分析

2.1 数据处理

2.2 数据质量分析

通过重力残差时间序列的数据变化情况，可佐证重力观测数据的稳定性。图1是由中国地震局重力台网中心提供的数据结果，可以看出，在2016年6月重力潮汐因子异常出现期间，残差变化曲线变化平稳，未出现明显的同步趋势下降异常变化，说明张家口重力观测数据比较可靠，反映出潮汐因子的异常变化是比较真实的。表1为张家口重力数据质量评价统计表，该表统计时间为2015年1月至2017年12月，对张家口重力进行了月尺度的M2波潮汐因子中误差计算。结果显示，M2波潮汐因子中误差均小于0.001，说明张家口重力观测质量较好，数据较可靠。

表1 张家口台重力数据质量评价统计表Table 1 Statistical table for quality evaluation of gravity data of Zhangjiakou station

2.3 仪器调零对潮汐因子的影响分析

从张家口台2015-2017年重力观测原始曲线对比图来看(见图3)，2015年11月工程中心对重力仪进行远程调试之后，数据出现快速下降变化，可能是仪器调零后的零漂现象，该下降变化一直持续到2016年4月，5月以后数据缓慢上升，逐渐恢复到调零前的变化趋势。

图3 张家口地震台2015-2017年重力观测原始曲线对比图Fig.3 Comparison of gravity observation original curves from 2015 to 2017 of Zhangjiakou station

2015年11月调零后重力观测数据出现的大幅变化可能会对潮汐因子产生一定程度的影响，为排除此影响，分别计算了去零漂前后潮汐因子的变化情况(见图4)。虽然去零漂前后两条曲线结果数值不是完全相同，但数据变化基本相差不大，变化趋势较一致。在2016年6月之后均出现同步下降变化，所以认为此次异常并非由仪器调零后的零漂造成。

图4 2015年-2017年零漂改正前后潮汐因子对比图Fig.4 Comparison of tidal factors before and after zero drift correction from 2015 to 2017

2.4 新建楼房对重力观测的影响分析

经过现场调查发现，在重力观测山洞周围存在一项明显的环境变化。在山洞的西南方向400 m左右，有一处新建办公楼施工的工程。该工程2017年5月6日开工，6月4日做地基处理，7-8月施工盖楼。在施工过程中，地基处理进行了少量的挖方，建楼房的过程中造成大量荷载增加。相对于挖方，建楼房引起的荷载增加量远大于挖方量，所以，对于此项干扰可以大致认为新建楼房的荷载增加量为主要因素。重力潮汐因子异常出现的时间为2016年6月，工程施工的时间在异常出现之后，为更确切地排除此项干扰，进行新建楼房载荷引起重力变化的定量计算。根据王谦身(2003年)编写的重力学中的正演模拟任何形状的外重力影响公式：

建立新建楼房引起的重力变化模型。新建楼房距离重力观测室400 m左右，所处山体距新建楼房的高差为70 m左右，楼房的长宽高分别为14 m、40 m、27 m，钢筋混凝土密度为2 551 kg/m3。如果楼房是实心的，楼房总体质量约为3.86×107kg，实际上楼房是空心物体。将楼房的总质量近似看成是实心楼房的三分之一，则楼房的实际质量约1.29×107kg。楼房的底面积为560 m2，可以粗略地将楼房看成高度为9 m、底面积依然为560 m2的实心物体。可以将其归结为长方体重力正演模型(见图5)。对x1,x2,y1,y2,z1和z2为边界的长方体重力正演，结果方程式为：

图5 楼房模型和台站相对位置示意图Fig.5 Schematic diagram of relative position of building model and station

将新建楼房看成一个立方体，其中心距离重力观测室400 m，立方体的长宽高分别为14 m、40 m、9 m。根据cuboids_gravity(x1,x2,y1,y2,z1,z2,density)程序计算参数如下：x1=-7,x2=7,y1=400,y2=440,z1=0,z2= 70,ρ=2 551 kg/m3。计算结果Δg为0.31微伽，说明新建楼房的荷载变化仅能引起0.31微伽的重力变化，从量级上来看，新建楼房对于重力观测的影响较弱。图6为重力残差曲线图，黑框内曲线为楼房干扰时段的曲线变化情况，施工期间变化幅度约5微伽，从数据变化量级来看，施工干扰较小，不足以对重力观测造成明显影响。此外，新建楼房施工干扰与重力异常的时间相关性较差，异常出现的时间为2016年6月至2017年7月，施工时间主要为2017年5-8月，异常出现在施工之前。故从影响量级和时间相关性上，均判定新建楼房施工并非重力异常的主要原因。

图6 重力残差曲线图Fig.6 Gravity residual curve

3 结语

张家口重力潮汐因子异常出现之后，经过现场异常核实，仪器工作状态稳定可靠，气象三要素未出现大幅同步变化。从观测数据可靠性、重力残差曲线图分析，异常出现时同期残差数据稳定，未出现同步异常变化。从去零漂前后潮汐因子的变化情况进行对比分析，发现潮汐因子变化趋势一致，排除仪器调零影响，说明观测曲线比较可靠。

通过核实台站附近环境干扰，发现新办公楼工程的施工时间在异常出现之后，时间相关性较差；通过定量计算，新建楼房的荷载变化仅能引起0.31微伽的重力变化，说明新建楼房对重力观测的影响较弱。故从影响量级和时间相关性上可排除周围环境荷载变化、施工干扰对此次异常造成的影响。综合分析认为，张家口重力潮汐因子的下降趋势异常有可能为前兆异常，需要加强跟踪分析。

张家口连续重力观测自2011年试运行以来，无较好的震例对应情况。自安装重力仪以来，河北地区未发生过5级以上地震，故很难应用重力潮汐因子的变化情况对河北及邻近地区地震进行相关的预测研究，还需不断积累资料，继续探索。对于张家口重力潮汐因子的异常情况仍需要加强关注和深入研究，进一步判定其异常性质。

感谢中国地震局重力台网中心提供的部分数据产品！