山东重力网建设综述与优化设计＊

陆汉鹏 王锋吉 李树鹏 李国一 韩海华

（山东省地震局，山东济南 250014）

引言

山东流动重力观测开始于1975年，1980年改为临清—威海、东明—平邑两条测线。1980年苏、鲁、皖3省地震部门开展联防协作，组成苏、鲁、皖高精度重力网和由54个测点组成的鲁南高精度重力网[1]。1989年以来，统一使用LCR-G型重力仪进行观测，并增加了安丘网31个测点与鲁南测网54个测点及临清—威海测线24个测点，连接成网。1993年安丘网停测，1994—2008年山东组成鲁南测网（54个）和胶东测网（原临清—威海测线），其中胶东测网由原来的24个测点增加到70个测点，并与鲁南网连接形成山东测网。2008年胶东测网增加潍坊—烟台测线、莱阳—即墨测线，共增加8个测点，12个测段。

2008年汶川“5•12”8.0级特大地震发生后，为加强华北地区，尤其是首都圈地区的震情监视，实施“强化华北地区强震监视跟踪工作”。山东承担了华北地区地震强化监测重力测量约160段，其中，鲁南测网57测段，53测点；胶东测网72测段，66测点；连接河北测网海兴、黄骅，物探中心施测的鲁西测网安居、嘉祥等测点。山东省地震局在2005年和2008年施测工作量的基础上，新增柳桥—淄博—焦庙—泰安测线和潍坊—乔官—临朐测线，联测区域内的陆态网站、中国及山东地壳运动观测网络点，并由中国地震局地震研究所施测泰安、日照两点的绝对重力测量。2015—2017年开展了中国地球物理场观测—大华北地震行业科研专项，增加了烟台站绝对观测，增加了综合地球物理场观测跨海测量任务，至2016年共完成172测段，158个测点任务。

为了加强山东省防震减灾社会服务能力提升工程项目（“十三五”规划），保证山东流动重力“成网成场”及在山东地区全覆盖，2017年进行了重力网扩建项目，至2017年底，山东重力网共拥有405个测点，实现了山东及周边地区重力点全覆盖。

1 山东重力网优化的必要性和可行性

依据《地震重力测量规范》的要求，并结合山东地区的地质构造特点，根据“三纵（郯庐断裂带的沂沭带、聊考断裂带、南黄海构造带）一横”（渤海—威海地震活动构造带）活动构造特点进行测网布设。基于以上地质构造特点，重力点位的布设最大限度地反映山东地区“三纵一横”地质构造特点及其地球物理场背景信息，以捕捉地震前兆信息，为地震预测预报提供基础资料。

鲁西聊考断裂带上的菏泽老震区、濮阳小震集中区有感地震频繁，存在重力观测空白，鲁北地区重力观测点位也明显薄弱。为了达到地球物理场观测“成网成场”的目的，充分提取地球物理前兆信息，在现有山东重力网的基础上进行优化改造。山东省陆域总面积15.79万平方千米，原有的180个测点仅覆盖了省域面积的2/3。胶东测网和鲁南测网精度高，网型合理，能较好地控制胶东半岛地区及鲁南地区的重力异常信息，但对鲁西地区及鲁北地区的监控能力明显不足。虽然华北重力网在上述地区存在一定的监控能力，但点位数量不足，布局不甚合理。为及时准确地获取山东地区重力背景场数据，提高数据资料的利用率，并保证整个测网的系统精度及满足平差的要求，在充分利用大华北重力网部分山东境内测点、山东GNSS网络重力测点及山东现有重力网测点的基础上，调整布局，适当增加重力监测点数量。在保留现有180个测点的基础上，再新增测点225个，共计405个。其中，利用华北重力网测点20个（物探中心12个、河北省地震局8个），跨断层场地测点16个，新建测点33个，新测测点108个（国土局及地震局CORS站56个、省气象局12个、国家大地控制点AB点40个），埋设标石31个、恢复重建原安丘网测点17个。使整个山东测区组成比较完备的重力观测环，达到对全省100%全覆盖（图1）。

图1 山东重力观测网联测路线图Fig. 1 Joint test road map of gravity surveying network in Shandong

优化调整后测点间距约10—20 km，基本满足《地震重力测量规范》要求，同时达到对整个山东地区重力观测“成网成场”并提高观测精度的目标。对山东境内的主要断裂构造基本能够达到重点监控，建立跨断层的重力监控网络，以便快速获取重力信息，能够达到具有5级左右地震的监测能力，进行震情研判，为地震预报工作和活动断裂研究提供第一手资料。测量总点数根据实际情况再及时调整，具体点位及点数量可能有所增减。

2 山东测网、测线设计概况

流动重力监测的主要目的就是监测构造活动区重力场随时间、空间的非潮汐变化。重力测量有合理的测网布设是达到测量目的的前提，必须有明确的原则并根据地震活动趋势加以调整[1]。对“十三五”规划新增的3个测网分区就其测网、测线和测点的布设特点进行详细阐述。

2.1 鲁西地区

鲁西主要分布有聊考断裂带（聊城—兰考），鲁西测网首先在测网中心由南向北沿断裂带方向布设了菏泽—鄄城—范县—莘县—聊城测线，15个测点，这条重力测线与鲁西流磁测线基本一致；在成武—东明断裂布设了菏泽—定陶—成武—单县测线；在北东向并行的曹县断裂、巨野断裂附近布设了成武—巨野—郓城—梁山—平阴测线。

考虑到地震活动性和震情，在河南濮阳地震集中区与范县区域加密布设东西向浚县—濮阳—范县—台前重力测线，约7个测点。另外，在鄄城区域加密布设鄄城—郓城约8个测点与豫北测网连接成网。在菏泽老震区沿东西向布设东明—菏泽—巨野—济宁测线，约11个测点，并与豫北测网连接成网。此布设的东西向3条测线可以监测鲁西南重点监视区的重力场异常变化及布格异常特点。

在鲁西测网外围西边界沿用豫鲁测网的测点和河北测网的测点连接成网（约13个测点），在南边界增加曹县—单县—沛县—枣庄测线，是利用了豫鲁测网经过江苏与鲁南测网连接形成闭合网络，这也是跨微山湖的南部测线，在微山湖中部增加了金乡—鱼台—滕州测线，使得跨微山湖有两条测线可以监测微山湖周围地面沉降和塌陷变化情况。

鲁西测网的东边界是利用山东测网济南—泰安—曲阜—枣庄测线（约13个测点），测线北部与临清—禹城测线连接成网，南部与曹县—枣庄连接成网。

另外，在非重点监测区布设了3条测线使得鲁西测网测点布设比较均匀并且覆盖各市县。它们是单县—济宁—平阴测线、聊城—泰安测线、冠县—聊城—济南测线。

新增鲁西测网能够填补历年山东西部地区重力测网的空白，为密切监视山东西部聊考断裂带附近的重力变化提供有力保障。

2.2 鲁北地区

鲁北地区是山东平原地区，断裂带较少常年不作为重点监视区，除淄博—滨州—黄骅测线外，鲁北一直是山东流动测量的空白地区。2017年在鲁北地区增加了“两横四纵”测线。“两横”为：馆陶—临清—德州—宁津—大山测线（位于山东西北部边界，南部连接河北测网，北部与鲁北老线连接），临清—禹城—临邑—惠民—滨州—东营测线（原临清—威海测线的延伸）；“四纵”由西向东依次为：焦庙—禹城—德州测线，济南—临邑—宁津测线（沿用河北测网），周村—惠民—大山测线，新河—东营—沾化测线（环渤海测线，东边与胶东网连接，西边与鲁北老线连接闭合）。鲁北测网建成后可与河北测网联合计算，增加山东鲁北平原重力变化的可靠性。

2.3 鲁中地区

在鲁中地区增加纵横两条测线：纵线为淄博—莱芜—蒙阴（南边与鲁南网连接），横线为泰安—莱芜—马站（东边与老安丘网连接）。

安丘网1992年停止观测，2009年华北强化监测恢复了安丘网中的潍坊—沂水测线，2017年“十三五”规划新增安丘网剩余测点23个。安丘网与鲁南网连接可以很好地监测沂沭带的重力变化。全网有15段通过断层，119°E以西断裂比以东断裂多，西部测段20 km，东部30 km[2]。

通过以上3个空白测区的扩建优化，使鲁西、鲁北、鲁中及已测鲁南、胶东形成5个测区。扩建优化后的山东测网共形成61个闭合环，405个测点，461个测段的“成网成场”的山东重力网雏形。

3 山东重力网网型设计

山东重力网扩建增加225个测点与原来常规测点180个达到405个测点，覆盖整个山东地区及河北、河南、江苏等邻省地区。经过优化设计把山东测网设计成为5个闭合测网，它们分别是鲁南测网、胶东测网、鲁中测网、鲁北测网和鲁西测网。图2为5个测网设计图。

图2 山东重力网分区联测图Fig. 2 Partition joint survey map of gravity surveying network in Shandong

4 山东重力网监测能力评价

从各方面的资料研究结果和经验来说，重力网的监测能力强弱主要由以下几方面引起。

4.1 测网的空间分布范围和分辨率

理论和实践结果表明，地震多发生在重力场变化的梯度带上，地震震级越大，在地震孕育过程中重力场变化的范围也越大。要想完整的探测到地震的震中位置，必须构绘出震中周围足够大空间范围内重力场变化图像，即测网空间分布范围大小同地震震级成正比，以一个6级地震为例，测网空间范围需要达到600 km×600 km左右。同时，重力场变化的形态与地质构造有关，重力变化梯度带多受到活动断裂带的控制，在参考测区历史地震和现今地震活动的基础上，测网空间应覆盖不同块体交界和主要活动断裂带。测网空间分辨率与重力测点间距有关，地震震级越小，所需测点间距越小；震级越大，测点间距越大。如果要观测出4级地震的异常区形状，测点间距最大约10 km[3-5]。

4.2 测网的观测精度

测网观测精度的高低决定了测网对异常信息的分辨能力，测网观测精度高，有利于监测到中强地震前的构造活动异常信息。研究结果表明，区域重力测网目前的测网单位权重误差和重力点值中误差可以达到10×10-8m/s2，如果以2.5倍中误差作为限差时，测网能够分辨出发生在监测区内40×10-8m/s2左右的重力相对变化[3-5]。

布设测网时进行精度设计是为了保证重力网有足够的精度，具备辨别一定量级的重力变化的能力，根据测网内地质、地形和交通等条件进行测网设计[1]。

“十三五”项目增加了鲁西测网，鲁西地区是重点监视区。假如在鲁西测网布设一个分辨能力为±40×10-8m/s2的监测网。其精度设计过程见图3。

图3 鲁西重力网测点路线图Fig. 3 Survey point road map of gravity surveying network in western Shandong

由图3可以看出，鲁西测网的中心位置在巨野附近，薛城、焦庙、馆陶、码头位于测网边缘的顶端。根据测网布设的精度设计，测点相对于起算点的重力值的相对精度可用下式估算[1]：

式中，S为观测点i距起始点的距离，mg为测点与相邻点间段差值的中误差。已知相邻点间段差值中误差mg=±8×10-8m/s2，各边缘点相对于巨野的点值精度见表1。

表1 测网边缘测点精度统计表Table 1 Statistical table of accuracy of measuring point in edge measuring network

距离起算基点越远精度越低，所以布设测网时尽量保证全网有足够精度，具有辨别一定量级的重力变化能力[6]。

4.3 稳定、可靠的重力起算基准

区域重力场的变化始终相对于某一时空基准而言，选择不同的时空基准就会产生不同的变化结果。因此，时空基准的合理性将直接影响区域重力场变化研究结果的正确性。现行的重力资料处理，一般有经典平差、拟稳平差、自由网平差3种方法。多数区域重力网采用相对简单实用的经典平差方法来处理观测资料，所得到的重力变化结果均是相对于起算基准点而言的。因此，选择稳定、可靠的起算基准显得十分重要。比较理想的是，用起算基准点与测网同期观测的绝对重力测量结果作为起算基准，采用经典平差方法处理资料，从而获得可靠的重力分析结果[7]。

4.4 测网的映震能力

地震重力监测的最终目的，主要是为地震的预测预报及相关科研服务。测网对于发生在监测区内的中强地震前兆异常应该具有较好的响应能力。研究结果表明，根据重力变化异常区的范围和幅度、重力异常变化梯度大小及特征，可以研究地震的趋向

及未来强震可能分布的地点和震级[8]。因此，具有较强监测能力的测网，应该能够监测到发生在网内中强地震前后重力场的动态变化图像，并据此进行地震趋势的预测研究。

5 结论

扩建优化前，山东测网主要集中在鲁南、胶东及鲁中、鲁北的部分支线测量，难以监测山东西部大部分区域。扩建优化后，山东重力网监测范围除了山东地区各市县全覆盖之外，还与江苏、河南、安徽及河北邻省有效连接成线，提高了山东重力监测的空间分辨率，有利于山东及邻省的整体分析和研究。

优化改造后的山东重力网，实现了对鲁南、胶东、鲁西、鲁北及鲁中地区的全覆盖，空间监测范围达到600 km×600 km，具备对发生在网内6级地震的监测能力，山东地区测点平均间距为10—20 km，能够观测到网内4—5级地震的异常区形状。

另外，增加了山东地区及邻省的国土、气象部分的CORS站，能够进行重力、水准及GPS的联合分析。把山东省地震预警点作为重力埋石测点也起到了“十三五”规划的防灾减灾的宣传效力。联测到“十二五”跨断层水准点上，可以进行长期的加密观测及重力、水准的联合分析。

致谢

感谢武汉重力管理部及物探中心、江苏省地震局、河北省地震局等单位给予的技术指导，也特别感谢国土测绘及气象局给予的配合和支持。另外，也感谢山东各市县地震部门在野外踏勘及埋石中的帮助。