武漢九峰地震臺超導重力儀觀測分析研究

韋 進，李 輝，劉子維，康開軒，郝洪濤

1中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢 430071 2武漢大學測繪學院，武漢 430079

武漢九峰地震臺超導重力儀觀測分析研究

韋 進1，2，李 輝1，劉子維1，康開軒1，郝洪濤1

1中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），武漢 430071 2武漢大學測繪學院，武漢 430079

連續重力觀測和GPS的技術結合能夠監測到物質遷移和地殼垂直形變之間的量化關系.和相對重力測量以及絕對重力測量技術相比，其避免了時間分辨率和觀測精度低，無法精細描述觀測周期內的物質遷移過程問題.本文利用武漢九峰地震臺超導重力儀SGC053超過13000h連續重力觀測數據；同址觀測的絕對重力儀觀測結果；氣壓數據；周邊GPS觀測結果；GRACE衛星的時變重力場；全球水儲量模型等資料，采用同址觀測技術、調和分析法、相關分析方法在扣除九峰地震臺潮汐、氣壓、極移和儀器漂移的基礎上，利用重力殘差時間序列和GPS垂直位移研究物質遷移和地殼垂直形變之間的量化關系.結果表明：在改正連續重力觀測數據的潮汐、氣壓、極移的影響后，不僅準確觀測到2009年的夏秋兩季由于水負荷引起的約（6～8）×10－8m·s－2短期的重力變化.而且在扣除2.18×10－8（m·s－2）/a儀器漂移和水負荷的影響后，驗證了本地區長短趨勢垂直形變和重力變化之間具有一致的負相關性規律.同時長趨勢表明該地區地殼處于下沉，重力處于增大過程，增加速率約為1.79×10－8（m·s－2）/a.武漢地區重力梯度關系約為－354×10－8（m·s－2）/m.

SGC053超導重力儀，FG5－232絕對重力，陸地水負荷，地殼垂直形變

1 引 言

由于近年來隨著大地震的頻發，導致地殼垂直形變和物質遷移之間的關系的問題越來越成為科學研究的熱點［1－3］.傳統的研究方法采用的是流動重力測量方法對某地區進行多年反復重力聯測，對多年來重力和地殼垂直位移的觀測數據進行分析獲得兩者之間的相互變化規律［4］.然而隨著GPS技術的不斷進步，絕對重力測量精度不斷提高，該熱點問題又有了新的解決方案.中國科學院利用絕對重力測量、GPS觀測、GRACE等現代大地測量的方式證實了青藏高原隆升和阿拉斯加東南部冰后回彈等的地球動力學事件［5－6］.然而無論是上述的相對重力聯測法還是絕對重力測定法，都不可避免地遇到時間分辨率和觀測精度低下的問題，以至于無法精細描述測量周期內的物質遷移過程的問題.這些都給地球物理解釋帶來了極大的障礙和困擾.隨著生產工藝不斷進步，一種高精度和高穩定度的連續重力觀測儀－超導重力儀生產出來.中國科學院利用早期的超導重力儀檢測出海潮、極移、氣壓［7－8］對重力的影響，而且利用改正后的重力殘差來探測例如地球自由震蕩、Slichter模等可能加雜在環境噪聲內的微弱信號［9－13］.與此同時，在 GPS、絕對重力、衛星重力和全球水儲量模型［14－16］等現代大地測量方法和全球環境監測技術的不斷應用，超導重力儀不僅能連續穩定地觀測到某地區的重力季節性變化，而且能夠分析該地區的地殼形變和重力變化之間中長期［17］相互關系.這為研究地殼運動和物質遷移之間關系這一熱點問題又提供了新的觀測手段和分析方法.

本文利用SGC053超導重力儀上正式觀測到首次進行冷頭維護的超過1年半的觀測數據（13000h），結合臺站氣壓數據，絕對重力觀測數據，周邊的GPS觀測結果，衛星重力和全球水儲量等輔助監測手段，在改正了武漢九峰地震臺環境因素，儀器漂移的影響后，研究武漢地區的地殼垂直運動和地下物質遷移之間中短期量化關系.

2 超導重力儀的潮汐分析

由于地殼垂直運動和物質遷移對研究地震有重要意義，2009年中國地震局數字地震觀測網絡項目引進了由美國GWR公司生產的型號為SGC053的超導重力儀安裝在武漢九峰地震臺觀測室中.臺站配備了氣壓、溫度和降雨三要素作為輔助觀測.該儀器于2008年9月13日開始安裝，9月26日完成安裝測試.運行穩定后于2009年2月開始正式連續重力觀測.

2.1 SGC053的潮汐分析

SGC053采用重力和氣壓同址觀測，采樣率均為1s/次.觀測數據的降采樣采用的是加漢寧窗的數字低通濾波器將秒采樣數據濾波為分鐘采樣，再利用國際固體潮中心推薦的軟件系統在重力殘差時間序列上對諸如缺記部分、地震影響部分的數據采用線性或者3次多項式擬合，以減小或者消除非中長周期因素對殘差時間序列的影響，最后恢復預處理后的分鐘值固體潮觀測數據.本文采用國際固體潮中心推薦的ETERNA33潮汐分析軟件對武漢臺SGC053的2009年2月16日至2010年07月23日連續觀測預處理的整時值資料進行分析.同時利用VAV03潮汐分析軟件進行比較（分析結果見表1）.

表1 VAV03、ETERNA33主要潮波的振幅因子及其相位Table 1 Harmonic analytical results and their comparison of tidal gravity parameters between VAV03and ETERNA33

從潮汐分析結果表明：兩套分析軟件所獲得的潮汐參數和白噪聲水平基本一致，SGC053觀測到的白噪聲約為（±1.14～1.40）×10－8m·s－2；而最優潮汐參數結果能夠達到0.1‰以上的精度.這表明，在九峰臺±1×10－8m·s－2左右的噪聲水平下，SGC053超導重力儀儀器運行狀態穩定，能夠精確地進行潮汐觀測.

根據上述兩套潮汐分析軟件獲得的潮汐參數和Dehant的理論潮汐模型進行比較表明（參見表2），實際觀測振幅因子普遍大于理論振幅因子（約－1%～－2%）.經過海潮改正后，八個主潮的振幅因子與Dehant的理論值的差異均很大程度地減小（均縮小至－0.1～－0.6%）.這些都表明兩套軟件系統計算的八個潮汐參數在一個量級上.它們經過海潮改正后的振幅因子和Dehant理論值基本一致.海潮負荷影響量級較小，兩套軟件系統都能夠提供高精度潮汐分析結果和潮汐改正模型.本文利用VAV03的潮汐分析模型進行合成潮改正.

表2 海潮改正后的八個主要潮波振幅因子與理論值的比較Table 2 The eight main tidal gravity parameters after ocean tidal model Nao99derived from the theoretical ones

2.2 SGC053潮汐影響和改正

本文海潮負荷采用日本氣象廳提供的Nao99模型中21個潮波的全球數字海潮圖，利用負荷格林函數全球積分計算九峰地震臺的海潮負荷影響量級.計算表明九峰地震臺2009年至2010年海潮對重力的影響最大變幅只有3×10－8m·s－2.

從國際地球自轉服務（IERS）的網站下載每日極移觀測數據計算極移對重力的影響［18］.利用線性函數內插成為小時值作為改正.計算結果表明九峰地震臺2009年至2010年極移引起的重力變化最大變幅為10×10－8m·s－2.

分析氣壓對重力的影響通常有兩類方法［19］.第一種方法是利用格林函數法或球諧函數法，進行全球積分獲得該地區的氣壓對重力的影響，第二種方法是利用該地區的氣壓變化時間序列來直接改正.本文采用氣壓導納值－0.34×10－8（m·s－2）/mbar和同址觀測的氣壓數據對重力殘差時間序列進行改正.計算結果表明九峰地震臺2009年至2010年氣壓引起的重力變化最大變幅為12×10－8m·s－2.

從上述內容可知，無論是變幅大小還是周期長度，在扣除合成潮影響后，影響超導重力儀的年周期信號的主要原因是氣壓和極移.利用同址觀測的氣壓數據，以及IERS提供的極移服務能較好地改正這兩個方面的影響.

圖1 SGC035超導重力儀2009－02－16至2010－07－24的預處理數據、外界因素影響和殘差時間序列（a）SGC053超導重力儀數據預處理數據；（b）利用Nao99全球海潮模型模擬的九峰地震臺海潮負荷；（c）利用IERS提供的極移服務模擬的九峰地震臺極移潮；（d）本地氣壓負荷影響；（e）固體潮、氣壓潮和極移潮改正后的重力殘差時間序列.Fig.1 The SGC053datum of preprocess，ocean tidal loading，polar tide，air pressure correction and the residual gravity from 2009－02－16to 2010－07－24（a）The preprocessing data of SGC053；（b）The ocean load by Nao99ocean model in Jiufeng seismic station；（c）Pole tide；（d）Atmospheric loading effects；（e）The residual gravity corrected by solid earth tides，atmospheric loading effects and pole tide.

3 重力變化和地殼的垂直運動

3.1 儀器的漂移改正

超導重力儀漂移測定的唯一方法是和絕對重力儀多次、大時間跨度的同址觀測［20－21］.從2009年至2010年SGC053和FG5－232在武漢九峰地震臺冬春兩季進行了4次同址觀測（如圖2）.超導重力儀的殘差時間序列表明：冬春季沒有發生明顯的重力異常現象（變幅約為（2～3）×10－8m·s－2），該結果和4次絕對重力測量結果基本一致.考慮超導重力儀的一次項系數，計算絕對重力測量擬合趨勢為1.79×10－8（m·s－2）/a，可以推算出SGC053儀器漂移約為：2.18×10－8（m·s－2）/a.在絕對重力儀觀測精度為±2×10－8m·s－2的情況下，漂移改正后的超導重力儀重力殘差時間序列和絕對重力儀的觀測結果更加吻合.

3.2 水負荷對重力的影響和改正

CPC（Climate Prediction Center）是美國 NOAA的氣候預測中心提供的一種全球水儲量模型，時間分辨率為1個月的0.5°×0.5°土壤濕度網格數據.GLDAS（global land data assimilation systems）是美國NASA的CSR實驗室提供的全球大陸數據融合系統.該系統中的水儲量模型的空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為1個月.

本文利用圖2中經過漂移改正后的重力殘差時間序 列，GRACE（the Gravity Recovery and Climate Experiment satellite mission）不同濾波半徑的時變重力場模型、CPC和GLDAS水負荷模型之間的相關分析［22－25］.比較表明（結果見表3）全球模型和臺站特定地域差異形成了兩者之間約1～2個月的時間滯后，兩者時變重力相關性優于80%.本文利用GLDAS的滯后32天，GRACE的滯后42天、CPC的52天來修正全球模型和臺站特定地域引起的差異如圖3.

圖2 利用FG5－232絕對重力測定法測定SGC053的觀測漂移黑色實線為SGC035重力殘差時間序列；黑色虛線為殘差時間序列的擬合，由gSGC053表示；灰色實線為漂移改正后重力殘差時間序列；灰色虛線為絕對重力線性擬合，由gFG5－232表示；黑色圓圈為絕對重力觀測結果；圖2公式中t單位為h.Fig.2 The drift correction of residual gravity in SGC053observed by FG5－232 The black solid line represents the gravity residual of SGC053；the black dotted trend line represents the linear fitting of the gravity residual SGC053（gSGC053）；the gray solid line represents the gravity residual corrected by drift；the gray dotted trend represents the linear fitting from the four times absolute gravity observations（gFG5－232）；the red circle represents the absolute gravity observations；the unit of tis hour in this picture.

圖3 GRACE、CPC和GLDAS時間滯后校準前后和SGC053、FG5－232觀測比較紫紅色線條為1000km濾波半徑的GRACE時變重力場時間序列；灰色線條為SGC053的重力殘差時間序列；藍色線條為利用GLDAS全球陸地水模型模擬的水負荷影響；紅色線條為利用CPC全球陸地水模型模擬的水負荷影響；黑色線條為SGC053的重力殘差時間序列的月均值；紅色圓圈表示四次絕對重力觀測.Fig.3 The comparison between gravity variation and GRACE，CPC，GLDAS before and after the time lag correction The magenta line is the GRACE time－variable gravity field filtering by 1000km；the gray line is the gravity residuals of SGC053；the blue line is the hydrology loading from GLDAS；the red line is the hydrology loading from CPC；the black line is the monthly mean of the gravity residuals of SGC053；the red circle is the absolute gravity observations.

表3 重力殘差時間序列和全球水儲量模型以及GRACE時變重力的相關分析Table 3 The correlation analysis amount the gravity residual，global continental water storage and GRACE time－variable gravity data

在武漢九峰地震臺冬春季節的4次絕對重力測量結果（（1～3）×10－8m·s－2左右的變化）表明，絕對重力測量時段重力變化較為平穩且和SGC053的連續重力觀測結果基本一致；而在2009年7月至2010年1月夏秋兩季SG重力儀產生了超過（6～8）×10－8m·s－2的重力異常，該重力異常變化和GRACE、GLDAS、CPC模型計算的結果具有超過80%的一致性［26］，這一時段正值武漢的雨季，結合GRACE、GLDAS和CPC的物理含義說明水負荷是引起夏秋季重力異常變化的主要原因.

3.3 重力變化和地殼垂直運動的關系

考慮到SGC053在冬春兩季水負荷對重力的影響不明顯的特點，利用2009－02－16至2009－06－25和2010－03－02至2010－07－23兩個冬春兩季時變重力過程（（2～3）×10－8m·s－2）和九峰地震臺周邊2個GPS站（武漢IGS站－WUHN IGS和武漢九峰站－WHJF）的垂直位移時變過程研究兩者之間的關系，如圖4.

圖4表明，雖然兩個時段的重力變化和垂直位移的線性擬合斜率之間的比值、相關系數都和物理大地測量中垂直位移和重力變化規律的－302×10－8m·s－2/m略有差異，然而該季節內的短期重力變化和地殼垂直位移之間出現的明顯的負相關規律和上述理論規律一致（地殼下沉，重力增加），分析表明該地區重力和地殼垂直位移的變化態勢為重力處于上升趨勢，地殼處于下沉趨勢，兩者關系和理論值的量化差異主要是由于外界環境因素所致.

根據上述分析除重力儀漂移外，影響中短期重力殘差時間序列的主要因素是水負荷的影響.因此在扣除重力儀的漂移2.18×10－8（m·s－2）/a后，本文利用相關系數超過80%的GLDAS和GRACE進行了水負荷改正.將水負荷改正后重力殘差時間序列和武漢九峰地震臺周邊的相距不到15km的WUHN ISG以及WUJF站的垂直位移時間序列進行比較，如圖5.

圖4 冬春季重力殘差時間序列和GPS垂直位移之間時間序列的比較（a）從2009－02－16至2009－06－25時段重力殘差和GPS垂直位移之間的一元線性回歸參數，以及它們擬合線一元線性回歸參數之間的比值分別為：－338×10－8（m·s－2）/m和－226×10－8（m·s－2）/m；（b）從2010－03－03至2010－07－23時段重力殘差和 GPS垂直位移之間的一元線性回歸參數，以及它們擬合線回歸參數之間的比值分別為：－172×10－8（m·s－2）/m和－468×10－8（m·s－2）/m；本圖公式中t的單位是h.Fig.4 The gravity residual derived from vertical displacement of GPS from winter to spring（a）The one－dimensional linear regression parameter between the gravity residual and the vertical displacement of GPS is about－338×10－8（m·s－2）/m；And the ratio between their one－dimensional linear regression parameter is about－226×10－8（m·s－2）/m from 2009－02－16to 2009－06－25；（b）The one－dimensional linear regression parameter between the gravity residual and the vertical displacement of GPS isabout－1 7 2×1 0－8（m·s－2）/m；And the ratio between their one－dimensional linear regression parameter is about－4 6 8×1 0－8（m·s－2）/m from 2010－03－03to 2010－07－23；the unit of t is hour in this picture.

圖5 重力殘差時間序列和GPS垂直位移時間序列的比較（a）進行GLDAS水負荷改正后殘差時間序列及其趨勢項gres；（b）進行高斯濾波半徑為1000km的GRACE時變重力場改正后的殘差時間序列及其趨勢項gres；（c）WUHN IGS的GPS觀測到的本地區垂直位移變化；（d）WHFN的GPS觀測到的本地區垂直位移變化及其趨勢項hz；本圖公式中t單位為h.Fig.5 The gravity residual of SGC053corrected by GLDAS and GRACE derived from vertical displacement of GPS（a）The gravity residual corrected by the hydrology loading from GLDAS and the trend line（gres）；（b）The gravity residual corrected by the GRACE time－variable gravity field of filtering 1000km radius and the trend line（gres）；（c）The vertical displacement of GPS in WUHN IGS；（d）The vertical displacement of GPS in WHFN and the trend line（hz）；the unit of t is hour in this picture.

圖5中相距15km的2個GPS站觀測數據在2009－09－28到2009－10－30之間出現同步抬升，后同步下沉的一致事件，這表明中國科學院九峰站的GPS垂直位移可以表達該地區的垂直位移特征，而全部觀測數據顯示該地區處于下沉趨勢.利用兩個全球模型（GLDAS和GRACE）修正九峰地震臺的SGC053殘差時間序列表明：雖然在短期變化上兩者并不同步，但是長期看表現出重力增加的特點.利用GLDAS模型改正后重力殘差和地殼垂直形變的比值為－434×10－8（m·s）－2/m，略低于中國科學院的結果［27］.GRACE的改正結果為－354×10－8（m·s－2）/m，則幾乎和中國科學院的分析結果一致.雖然短期由于外界環境因素的干擾，導致地殼產生的重力梯度值不完全一致，但是無論是短期還是長期觀測結果都表明武漢地區地殼處于下沉趨勢，這樣的構造形變引起了該地區重力上升趨勢.

4 結論與討論

本文利用武漢九峰地震站SGC053的首次13000h的連續重力觀測數據、臺站及其周邊的輔助觀測數據，全球陸地水模型以及GRACE數據進行綜合分析，九峰站在噪聲水平約為±1.1×10－8（m·s－2）/m的情況下，最優潮汐參數能夠達到優于0.1‰的精度.利用Nao99全球海潮模型改正后的潮汐參數和Dehant的理論潮汐模型處于同一個量級內，利用FG5－232和SGC053的4次比較測量計算的SGC053的漂移量只有2.18×10－8m·s－2·a－1.這些都表明SGC053重力儀在首次連續重力觀測中海潮負荷影響量級小，潮汐觀測具有極高的穩定性，潮汐分析結果能夠用于潮汐改正.

在經過合成潮（海潮3×10－8m·s－2）、最大變幅為10×10－8m·s－2的極移、氣壓導納值為－0.348×10－8（m·s－2）/mbar的氣壓負荷和2.18×10－8（m·s－2）/a的儀器漂移改正后，GLDAS和GRACE的重力效應和SGC053的殘差時間序列之間存在超過80%的相關性，這表明在2009年夏秋雨季產生的（6～8）×10－8m·s－2的重力變化主要是由于水負荷產生的.再比較2009和2010年兩次同時段非雨季的重力殘差時間序列和GPS垂直位移觀測的結果，以及比較水負荷改正后重力殘差和GPS垂直位移觀測時間序列，都表明無論是短期還是長期都存在重力變化和垂直位移之間明顯的負相關規律.從長期趨勢來看兩者關系反映出構造應力引起的武漢地區地殼下沉，重力增加（1.79×10－8（m·s－2）/a）的物理過程.其重力梯度約為 －354（m·s－2）/m.

高精度連續重力觀測、GPS和絕對重力測量相結合不僅可以精細地描繪連續重力觀測整個時間跨度的重力演變過程，而且能夠在短時間尺度和小區域內研究地殼運動和地球內部物質遷移關系的科學問題［28］.

致 謝 感謝評審專家對本文提出的建議和大力支持.感謝國家重力臺網中心的工作和研究人員提供的高精度的超導儀、絕對重力儀觀測數據.感謝地殼運動觀測網絡提供的GPS垂直位移的觀測結果.同時也感謝中國科學院測量地球物理研究所周江存博士在GRACE數據分析上的幫助.

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（本文編輯 胡素芳）

Observation of superconducting gravimeter at Jiufeng seismic station

WEI Jin1，2，LI Hui1，LIU Zi－Wei1，KANG Kai－Xuan1，HAO Hong－Tao1
1 Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China 2 School of Geodesy and Geomatics ，Wuhan University，Wuhan 430079，China

The relationship between the mass transfer beneath the earth surface and the vertical deformation could be studied using continuous relative gravimetry and continuous GPS observation.Compared to mobile relative gravimetry and absolute gravimetry，continuous relative gravimetry could be used to monitor the whole process of gravity changes and mass transfer，avoiding low measurement precision and temporal resolution.In this paper，more than 13000hours gravity data recorded at Jiufeng seismic station using superconducting gravimetry（SGC053）are analyzed along with co－located absolute gravimetry data，air pressure，vertical displacement of surrounding GPS stations，WUHN IGS site and WHJF site，GRACE monthly time－variable gravity and two global continental water storage models（GLDAS，CPC）.Gravity variations induced by solid earth tide，air pressure，pole tide and continental water loading arecorrected using harmonic analysis method，atmospheric pressure admittance model，pole tide model and the correlation analysis with GRACE results and/or water storage models，then instrument drift is also corrected using co－located absolute gravity measurements.Based on the above processing，the relationship between the residual gravity time series and GPS vertical deformation is addressed.The harmonic analysis result for SGC053gravity records，spanning about one and half years，shows that the white noise is about 1.14～1.40×10－8m·s－2and the tidal factor errors of dominant tidal groups reach about 0.1‰.Compared to ocean tide loading（3×10－8m·s－2），the gravity due to air pressure（12×10－8m·s－2）and pole tide（10×10－8m·s－2）is much larger.The drift of SGC053，about 2.18×10－8（m·s－2）/a，is estimated using 4absolute gravity co－located records of FG5－232.The result shows that the residual gravity caused by continental water loading in summer and autumn is about（6～8）×10－8m·s－2，by comparing residual gravity variations with both GARCE result and global continental water loading（GLDAS，CPC）.Gravity variations corrected for water loading show perfect negative correlation with the vertical deformation of the GPS station，about 15km away from SGC053，so as to data in spring and winter.And the long－term vertical crustal deformation is subsidence and the gravity change rate is about 1.79×10－8（m·s－2）/a.The ratio of the changes in gravity and altitude related to the local vertical crustal movement is about－354×10－8（m·s－2）/m.

SGC053，FG5－232，Continental water loading，Vertical crustal movement

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.010

P223

2011－10－18，2012－05－16收修定稿

韋進，李輝，劉子維等.武漢九峰地震臺超導重力儀觀測分析研究.地球物理學報，2012，55（6）：1894－1902，

10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.010.

Wei J，Li H，Liu Z W，et al.Observation of superconducting gravimeter at Jiufeng seismic station.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（6）：1894－1902，doi：10.6038/j.issn.0001－5733.2012.06.010.

國家自然科學基金資助項目（41004030；40974015），中國地震局科研運行專項（201101014），全國重力臺網學科中心運行經費（201201008），中國地震局地震研究所所長基金項目（IS201156069）聯合資助.

韋進，男，1981年生，助理研究員，武漢大學在讀博士研究生，主要從事連續重力觀測數據處理及地球物理解釋方面的研究.E－mail：pierce212@163.com