泉州地震台 g-Phone 重力仪观测资料干扰因素分析

陈珊桦　蔡佩蕊　陈新兴　谢文杰　王建新

摘要通过对泉州地震台 g-Phone 重力仪自正式运行以来观测资料的干扰因素进行总结，发现数采死机对数据影响较小，但断电造成的仪器内部温度的改变会导致原始数据漂移，从而降低数据的内在质量，建议应尽量避免人为操作如断电等造成的内部温度变化；台风影响使得数据噪声变大，表现为观测曲线变粗，呈纺锤状。希望研究结果可以为进一步利用重力资料提取地震前兆信息提供一定的参考。

关键词重力观测；干扰因素；g-Phone 重力仪

中图分类号： P315.63文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）04-0159-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-122

Analysis of interference factors of g-Phone gravimeter observation data at Quanzhou seismic station

Chen Shanhua，Cai Peirui，Chen Xinxing，Xie Wenjie，Wang Jianxin

（Quanzhou Earthquake Monitoring Center Station of Fujian Earthquake Agency， Fujian Quanzhou 362000， China）

Abstract ThispapersummeduptheinterferencefactorsofQuanzhouseismicstationg-phonegravimeter observation data. It is considered that the change of working state and the influence of meteorological factors are the main interference factors. The change of the internal temperature of the instrument has a great influence on the data，so it is necessary to avoid the change of the internal temperature caused by manual operation such as power failure. The rainfall and the change of air pressure caused by typhoons increased the noise of the data.

Keywordsgravity observation; interference factors; g-Phone gravimeter

引言

陸地重力测量是研究地壳内部物质运移和属性变化的重要手段之一，地球重力场变化能反映地下物质的迁移及运动分布状况，在地壳运动过程中，由多种因素引起的区域构造应力场变化在重力图像中都有展现[1-2]。目前对台站重力连续数据的研究着重于潮汐理论研究和潮汐分析，取得了很多重要的成果，推动相关学科的发展[3-6]。韦进等[4]利用中国大陆运行较好的51个重力站潮汐观测数据，采用国际标准潮汐处理方法和软件，分析计算了中国大陆主要潮波潮汐因子的空间分布；翟丽娜等[5]对大连台重力数据受海潮负荷影响大小进行海潮负荷改正计算；李兴坚等[6]对高台地震台重力观测数据的潮汐参数进行了分析。

全国地震台站较多使用 Micro-g LaCoste公司生产的 g-Phone相对重力仪进行地球各点重力随时间变化测量[7]。该重力仪具有高精度、低漂移率、高采样等特点，既可以用来记录长周期的信号又可以观察非周期性的高频振动事件，如地震活动等[8]。

泉州地震台（以下简称泉州台）g-Phone 相对重力仪于2015年12月22日安装投入试运行，2017年12月19日正式接入前兆数据库，运行以来数据连续，状态良好，可记录到清晰、完整的固体潮汐，对国内外震级较大地震也有良好的映震能力。重力仪器日常观测资料中包含有固体潮汐、仪器零漂、各种干扰和与地球内部的物理因素相关的成分，同时包含与地震孕育有关的信息[9-10]。本文对泉州台 g-Phone相对重力仪正式运行以来的观测资料中的干扰因素进行归纳整理，结合中国地震局重力学科对数据内118°E

在质量的月评价，了解各干扰因素对数据质量的影响，为进一步利用重力资料提取地震前兆信息提供一定的参考。

1 重力台址与观测仪器

1.1 重力台址

泉州台为国家基准地震台（图1），隶属福建省地震局，目前运行有 g-Phone相对重力仪一套，安装于台站东南方向约5 km 外的清源山人防1号洞形变观测区内。山洞地处长乐—诏安断裂带中段，洞体基岩为新鲜花岗岩，岩体完整致密，海拔高程约78 m，洞顶覆盖厚52.5—95.5 m。观测山洞进深达190 m，洞内安装有多道不锈钢隔门，防止空气对流，洞内温度极为恒定，重力观测室位于山洞内段，年温差约 0.5℃ ， 日温差小于0.1℃。山洞周边环境为国家 5A 级风景区，观测环境优良，无干扰，且交通、供电、通信条件均十分便利、可靠，适合开展重力观测。

1.2 观测仪器

g-Phone 重力仪是由美国 Micro-g LaCoste公司基于反馈式电子归零系统设计生产的一种金属零长弹簧相对重力仪，该仪器的系统分辨率为0.01μGal，系统精度为1μGal，可调量程为7000 mGal，采样率为1 Hz[11]。为了保护重力传感器即金属零长弹簧系统不受环境温度变化的影响，将其安装在一个绝热很好的双胆容器中，利用加热控制板保持传感器处于恒温状态，同时采用3层密封装置确保传感器不受湿度和气压的影响[12]。

仪器使用 UPS 不间断电源供电，电压稳定。仪器共有10个测项，分别是重力潮汐观测值、重力潮汐滤波观测值、纵水准、横水准、外部温度、内部温度、外部气压、内部气压、摆位读数和仪器状态。观测数据通过网络传输至台站服务器，可在行业网内进行共享。

重力观测资料的完整性、稳定性、可靠性是衡量观测资料质量的重要指标[13]。观测资料只有达到观测技术标准要求时，才能更好地用于地震前兆信息的分析提取。泉州台 g-Phone 重力仪自2017年12月19日正式观测以来，连续率良好，在中国地震局重力学科台网每月进行的内在质量评价中多数月份被评为“优”。图2为泉州台 g-Phone 重力仪日常观测曲线图。

2 干扰分析

自正式运行以来，泉州台 g-Phone重力仪观测的2种主要干擾因素有仪器观测系统故障和台风影响。

2.1 仪器观测系统故障

泉州台 g-Phone 重力仪观测系统故障主要有数采死机、电源故障等。对重力观测影响较大的是电源故障，因为仪器断电会造成仪器内部温度的变化，当仪器内部温度变化时观测数据曲线会出现漂移，温度发生变化的时间越长，恢复到正常状态所用的时间也越长。下面对数采死机和电源故障造成的数据影响进行详细说明。

2.1.1 数采死机

2020年7月9 日01：51—7月10日08：41、8月7日09：21—8 日08：59因重力仪数采死机，数据缺记，重启后恢复。数采死机时，只是仪器的记录模块出现故障，重力仪本体仍在正常工作，内部温度等工作状态未发生改变，而重启只是短时间断电，对内部温度的影响几乎可以忽略，因此数采死机除了缺记会造成连续率、完整率下降外，不会对仪器的观测产生明显影响。2020年7—9月的数据曲线并未因这2次数采死机重启造成上漂、突跳、阶跃等现象（图3）。中国地震局重力学科对泉州台2020年7月和8月的重力观测内在质量月评价均为“优”，可见非长时间的数采死机对于数据的月质量影响不大。

2.1.2 电源故障

2021年8月19日07：37—14：27因 UPS 电源故障，仪器断电停止工作。原来靠内部加热控制板维持的恒定内部温度（52.66℃）开始下降，14：28恢复供电后，重力仪本体开始工作，重新对仪器内部进行加温，但数采因故障无法启动，导致数据依旧缺记。经过维修后于17：00恢复数据记录，此时已工作了2小时32分钟的重力仪内部温度值为49.72℃ ， 与原来的恒定温度仍相差2.94℃。由于仪器断电后内部温度下降，造成重启后重力潮汐观测值数据大幅阶跃，其阶跃幅度约为7561×10?8 m/s2。直至20日05：30重力仪内部温度才重新达到52.66℃并保持恒温（图4）。由于重力观测所用的传感器即零长弹簧对温度很敏感，在仪器内部温度上升期间观测数据曲线出现快速漂移，漂移量约为6233.36×10?8 m/s2远超正常日变幅，同时仪器的纵水准、横水准以及内部气压也发生了大幅变化（图5）。

在重力仪内部温度恢复正常后，数据仍存在下漂趋势，但每天的漂移量逐步减小，这是由于零长弹簧状态的恢复需要一个缓慢的过程，截至9月10日，数据基本恢复平稳（图6），在这期间（8月20日05：30—9月10日23：59）数据漂移量约为269.28×10?8 m/s2。中国地震局重力学科对泉州台2021年8月和9月的重力观测内在质量月评价分别为“中”和“优”。从此次事件的数据变化情况可看出，仪器内部温度恒定对重力仪的整体工作状态起到至关重要的作用，直接影响了观测数据的可靠性。

在仪器说明书中也列出了仪器断电时间与恢复到稳定状态所需时间的对应表（表1），同时还提到在仪器断电后重新通电加热期间，数据漂移率会发生快速和不稳定的改变。当停止加热后，达到正常漂移率可能需要长达一周的时间。泉州台重力仪此次断电近7个小时，对数据的影响达到21天，因此在仪器的使用中应尽可能采取措施避免断电，一旦断电，仪器内部温度就会下降，造成数据曲线漂移，断电时间越久，再次通电后仪器恢复到原来的平稳工作状态需要的时间就要越长。

2.2 台风影响

从2018年1月正式运行以来，泉州台 g-Phone 重力仪在每年的7—10月经常会受台风影响导致观测数据中高频信号增多，观测曲线变粗呈纺锤形状。如2019年8月8 日06：00—11日23：59，受第9号台风“利奇马”影响，台站附近云层明显增厚，风力增大，期间气压有明显下降上升过程（变化幅度约6.83 hPa），降雨量为0.4 mm，原始观测曲线变粗出现纺锤形状，最大变化幅度约1982.29×10?8 m/s2，一阶差分分析曲线也呈纺锤形状（图7）。该月数据虽然受到台风影响，但在中国地震局重力学科的内在质量月评价中仍为“优”。选取其他受台风干扰的月份，也发现台风对观测内在质量月评价结果影响不大。

3 结论与讨论

通过对泉州台 g-Phone 重力仪的数据进行分析，认为主要干扰因素为仪器观测系统故障以及台风影响。

（1）重力观测的传感器对温度非常敏感，正常工作的仪器内部保持恒温，若温度发生变化则会影响整体的仪器性能，如数据的漂移率等。短时的断电重启，若温度未发生大幅变动，则数据能较快得到恢复；若温度发生较大变动（如变化超过1.0℃）且持续时间较长，则供电恢复后会出现较长时间的持续漂移，需要较长的时间数据才能恢复到正常水平，导致仪器的观测数据内在质量降低。对于观测数据质量较好的台站，若想提供更为连续、可靠的数据，可考虑为重力仪再配备若干个蓄电池，在外部 UPS 故障维修时，减少仪器断电时间。

（2）台风会造成重力仪观测曲线变粗，高频成分增多，出现纺锤形状。数据受影响程度与台风强度成正比，与台风跟台站的距离成反比。在观测数据受台风影响较大的时候，台风造成的高频信号幅度甚至会超过数据正常日变幅。虽然重力仪器对气压变化有所反映，但对短时间的强对流天气带来的气压大幅波动并不会像同一山洞内的形变仪器那么敏感，这可能与其独特的仪器结构有关。

参考文献

［1］祝意青，王庆良，徐云马.我国流动重力监测预报发展的思考[J].国际地震动态，2008（9）：19-25

Zhu Y Q，Wang Q L，Xu Y M. Thoughts on the development of earthquake monitoring and prediction in mobile gravity[J]. Recent Developments in World Seismology，2008（9）：19-25

［2］许厚泽.重力观测在中国地壳运动观测网络中的作用[J].大地测量与地球动力学，2003，23（3）：1-3

Xu H Z. Function of gravimetry inCMONOC[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2003，23（3）：1-3

［3］李宏伟，沈晓松.太原基准地震台连续重力数据非潮汐量的获取及背景噪声分析[J].山西地震，2017（4）：12-15

Li H W， Shen X S. Non tidal volume acquisition of continuous gravity data and background noise analysis in Taiyuan reference seismological station[J]. Earthquake Research in Shanxi，2017（4）：12-15

［4］韦进，申重阳，胡敏章，等.连续重力观测站测定的中国大陆潮汐因子空间分布特征[J].地球科学进展，2021，36（5）：490-499

Wei J，Shen C Y，Hu M Z，et al. Preliminary results of spatial distribution of tidal factors measured by recent continuous gravity stations in mainland China[J]. Advances in Earth Science，2021，36（5）：490-499

［5］翟丽娜，孔祥瑞，杨锦玲，等.大连台重力固体潮受海潮负荷影响特征研究[J].中国地震，2020，36（4）：953-960

Zhai L N，Kong X R，Yang J L， et al. Study on ocean tidal loading correction of tidal gravity at Dalian station[J]. Earthquake Research in China，2020，36（4）：953-960

［6］李兴坚，李建康，冯红武，等.高台地震台 PET 重力潮汐参数观测结果及影响因素的初步分析[J].地震研究，2013，36（1）：63-68

Li X J，Li J K，Feng H W，et al. Preliminary analysis on observation results of PET gravity tide parameter at Gaotai seismic station and its influence factors[J]. Journal of Seismological Research，2013，36（1）：63-68

［7］龔立卓.陆地重力观测环境背景噪声与精度评价研究[D].北京：中国地震局地球物理研究所，2018

Gong L Z. The seismic noise magnitude and precision evaluation on the terrestrial gravity measurement environment[D]. Beijing： Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，2018

［8］张锐，韦进，刘子维，等.用 SGC053超导重力仪观测资料对 gPh058重力仪格值的精密测定[J].大地测量与地球动力学，2011，31（5）：151-155

Zhang R，Wei J，Liu Z W，et al. Accurate determination of scale value of gPh058 gravimeter by use of observations with SGC053 superconducting gravimeter[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31（5）：151-155

［9］赖爱京，徐衍刚.乌什地震台 PET 重力仪观测资料干扰分析[J].地震地磁观测与研究，2014，35（5/6）：156-159

Lai A J，Xu Y G. Analysis the interference of observation data of PET gravimeter in Wushi seismic station[J]. Seismologicaland Geomagnetic Observation and Research，2014，35（5/6）：156-159

［10］梁霄，孙鸿博，徐如刚. CG-5重力仪零漂特性与温度变化的关系分析[J].地震科学进展，2020，50（6）：14-17

Liang X，Sun H B，Xu R G. Analysis of the relationship between the zero drift characteristics and the temperature change of CG-5 gravimeter[J]. Progress in Earthquake Sciences，2020，50（6）：14-17

［11］万禹，江颖，栗宁，等.利用襄樊地震台gPhone重力仪观测数据检测地球自由振荡[J].大地测量与地球动力学，2019，39（增刊2）：47-50

Wan Y，Jiang Y，Li N，et al. Detecting the earth s free oscillations by using the observations of gPhone gravimeter at Xiangfan seismic station[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics，2019，39（S2）：47-50

［12］Micro-g LaCoste. g-Phone 使用手册[M].2008

Micro-g LaCoste. g-Phone user manual[M].2008

［13］陈冬柏，张璐，韩晓飞，等.西安基准地震台 PET 重力仪2011—2013年观测运行分析[J].高原地震，2015，27（2）：35-40

Chen D B，Zhang L，Han X F，et al. Analysis on PET gravimeter data observation operation from 2011 to 2013 at Xi an seismic station[J]. Plateau Earthquake Research，2015，27（2）：35-40