廬山重力短基線場初值測定

邢樂林　王林海　孫少安　玄松柏　汪　健　談洪波

1　中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2　中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢市洪山側路40號，430071

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廬山重力短基線場初值測定

邢樂林1,2王林海1，2孫少安1,2玄松柏1,2汪健1,2談洪波1,2

1中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢市洪山側路40號，430071 2中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢市洪山側路40號，430071

利用FG5絕對重力儀對廬山基線場的3個基點和九江地震臺的1個基準點進行絕對重力測定，使用7臺CG-5相對重力儀對24個基點和1個基準點進行2個往返閉合測量。基于絕對重力控制解算的結果表明，基點點值精度均優于±5.0 μGal，相鄰各段段差精度均優于±3.0 μGal。該基線場初值測定方法是一種嶄新和現代的方法，具有科學意義和經濟效益。

基線場；標定；絕對重力測量；相對重力測量

隨著絕對重力觀測技術的發展，絕對重力控制下的相對重力聯測解算為基線場的初值測定提供了一條嶄新的途徑。始建于1985年的廬山重力短基線場由24個基點沿廬山北山公路布設而成[1-3]，部分測點(1、2、7、10、13和21)目前已遭嚴重破壞，需進行升級改造。2011年，中國地震局地震研究所聯合陜西省地礦局第二綜合物探大隊對其進行踏勘和選埋。本文嘗試聯合FG5絕對重力儀與CG-5相對重力儀對廬山短基線場進行初值測定。結果表明，基線場各基點點值精度均優于±5.0 μGal。

1　測量概況

廬山短基線場位于九江市廬山風景區，由24個基點和4個絕對點構成，如圖1所示。廬山位于長江南岸，東臨鄱陽湖，廣布湖泊、河流、峰巒與坡地，地貌特征呈現多樣化，為斷塊結構。

2015-01-07～12中國地震局地震研究所使用7臺CG-5相對重力儀(SN:207、217、221、231、511、834和845)和1套FG5絕對重力儀(SN：232)對廬山短基線場進行測量。其中4個絕對點(引點位于九江地震臺，其他3個位于基點)利用FG5絕對重力儀進行絕對重力測定，同時利用2臺CG-5相對重力儀進行重力垂直梯度測定，以便將絕對重力值歸算至地面，為相對重力聯測提供起算基準；相對重力聯測則利用7臺CG-5相對重力儀，對24個基點進行2個往返閉合測量。

圖1　廬山基線場測點分布Fig.1　The distribution of the stations at Lushan gravimeter scale calibration field

2　數據處理及結果

FG5絕對重力儀的標稱精度優于5 μGal，且不同儀器之間的較差為1～2 μGal，不存在明顯的系統偏差[4-5]。使用FG5絕對重力儀進行4個點的絕對重力測量，每次觀測至少25 h，每h測量1組，每組100次下落，每臺儀器在每個測站的有效落體數不少于2 400次，各組重力值標準差要求優于±5 μGal。利用2臺CG-5相對重力儀進行重力垂直梯度測量。為保證測量結果的精度，在每個測站上地面與130 cm高度處至少進行5個高-低-高或低-高-低的往返閉合測量。

為了得到高精度的地面絕對重力值，利用g9絕對重力測量數據處理軟件對加速度進行改正，包括大氣壓力、極移、梯度歸算和潮汐等改正，結果見表1。

重力網平差中，絕對點觀測結果以5.0 μGal精度定權；相對重力聯測由于各臺CG-5重力儀的性能和精度不一致，觀測值的權重按儀器觀測資料確定。對各臺儀器聯測觀測值的權以15.0 μGal精度定權，根據試算結果定出其后驗中誤差mN0，以此精度重新定權作整體平差，進行2～3次迭代后可獲得精度趨于穩定的結果。平差后各基點重力值、段差及其精度見表2。

表1　絕對點重力值

表2　廬山基線場各測站重力值及相鄰測站間重力段差結果

3　結果比較與分析

3.1結果比較

由表2可見,平差后24個基點的重力值精度均優于±5.0 μGal，平均精度為±3.0 μGal；各測段段差精度均優于±3.0 μGal，優于設計精度±5.0 μGal。2000聯測與本次觀測結果的比較見表3和圖2。13個測段中，絕對值最大變化為40.0 μGal，最小為4.0 μGal，平均為18.8 μGal，其中10個測段的變化值均在±20.0 μGal范圍內。盡管廬山短基線場地質條件穩定，但存在一定的構造運動、地球物理事件(如2005-11-26九江MS5.7地震)以及基點附近的地形、地物變化等，均會引起重力變化。

表3　廬山基線場相鄰測站間重力段差觀測結果的比較

圖2　廬山基線場相鄰測站間重力段差觀測結果的比較Fig.2　Comparison between observations of gravity differences at adjacent stations of Lushan gravimeter scale calibration field

3.2變化分析

地球系統質量分布的時空變化會產生時變重力場，能夠反映各種地球動力學過程或地球物理事件，如構造運動、活動斷裂孕震過程、地球自轉變化、冰川均衡調整和氣候變化過程伴隨的地表質量變化等。在歷次重力觀測數據處理中，都考慮了重力固體潮、大氣壓力、海潮負荷和極移等改正，故基線場基點重力點值變化主要受構造運動、陸地水儲量等因素影響。2005-11-26基線場周邊發生5.7級地震，勢必會對該地區造成一定程度的永久性重力變化。但由于無位錯模型，本文無法給出其具體影響量級及大小[6]。構造運動包括同震引起的重力變化影響會對基線場產生同步效應，但地震對山體產生的影響，如塌方等會引起地物變遷并造成局部質量再分布，會影響基點間的重力段差。

為模擬該區域物質再分布引起的地表負荷重力效應，依據經典的表面負荷理論[7-8]，重力負荷函數和負荷質量分布函數的全球卷積積分公式為：

(1)

式中，δg為負荷導致的地面測站(λ,θ)在t時刻的重力變化，S為整個地球表面，Gg(ψ)為重力負荷格林函數，P(λ′,θ′,t)為積分面元dS在t時刻的負荷壓力，(λ′,θ′)為積分面元的經度和緯度。對陸地水儲量而言，負荷壓力P(λ′,θ′,t)為水密度與等效水高的乘積，即負荷面密度。

本文利用水文地球物理模型計算地表負荷重力變化。使用全球陸地數據同化系統(GLDAS)提供的Noah_0.25_M格網月數據(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/hydrology/data-holdings)，其融合了來自地面和衛星的觀察數據，提供最優化、近實時的地表狀態變量[9]。將GLDAS提供的0.25°×0.25°格網點處的積雪數據以及1～4層的土壤水分數據綜合起來得到該處總的水儲存含量，然后扣除均值得到水儲量的變化值。地球表面質量負荷引起的重力變化可以通過上述格林函數積分求得。

以基線場區域中心為計算點，計算自2009年以來的重力時間變化序列及年變率。由圖3可以看出，陸地水儲量引起的重力變化振幅為-5～5 μGal，年變率為-0.5 μGal/a。可見，與氣候緊密相關的陸地水儲量變化，對重力場的季節變化、年變化以及長期變化均有影響。地表垂直形變、基點附近山體和地物變遷等因素，也會對基線場基點重力值或相鄰點重力差值造成影響。值得說明的是，廬山基線場由于廬山風景區道路改造過程中部分基點完全遭到破壞，其他保存完好的2000聯測基點附近及周邊地物變遷也較為嚴重，直接影響了基點附近的質量再分布以及局部環境。測段G8-G9和G14-G15的變化將近40 μGal，對于地質條件穩定的廬山基線場來講，這是由2013年道路施工改造和建設引起的地物變遷造成的。因此，本次重新標定獲得基線場初值是十分必要的。

圖3　陸地水儲量引起的重力變化Fig.3　Gravity changes due to continental water storage

3.3效能評估

高精度基線場的建立，主要用于檢測LCR、Burris和CG-5等類型相對重力儀的性能，包括一次項系數、動態零漂率和動態觀測精度等技術指標的檢驗[10-11]。 其中一次項系數為短基線標定結果，廬山基線場的最大段差為200 mGal，無控制解算與控制解算結果差異約為60 μGal，如圖4所示，則標定精度能夠達到0.03%。若測區量程在該基線場覆蓋范圍，則可滿足技術指標要求，否則還應進行重力長基線標定。

圖4　無控制解算結果與控制解算結果的差值Fig.4　Gravity differences between the results by using datum controlled and without controlled

4　結　語

本文采用基于絕對重力控制的相對重力聯測模式，建立了高精度的廬山短基線標定場。結果表明：1)4個基點的絕對重力測量結果精度優于±5.0 μGal；2)重力網平差后24個基點的重力點值精度均優于±5.0 μGal，平均精度為±3.0 μGal；3)各相鄰測段段差精度均優于±3.0 μGal；4)2000聯測與本次觀測結果相比較(13個測段)，絕對值最大變化為40.0 μGal，最小為4.0 μGal，平均為18.8 μGal，其中10個測段的變化值均在±20.0 μGal范圍內。

廬山重力基線場初值測定結果表明，與以往的基線場測定方法相比，基于絕對重力控制的相對重力聯測方法具有可行性強、精度高、測量方便和經濟效益高的優點。

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Foundation support:Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No. IS201326130; Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508006, 201308004.

About the first author:XING Lelin, PhD,associate researcher, majors in gravity observation and data processing,E-mail:xinglelin@163.com.

Determination of Gravity Values for Lushan Short Gravity Calibration Baseline

XINGLelin1,2WANGLinhai1,2SUNShaoan1,2XUANSongbai1,2WANGJian1,2TANHongbo1,2

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics,CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

Using the FG5 absolute gravimeter, absolute gravity values are determined at three base gravity sites in Lushan and one datum site in Jiujiang seismic station to determine the Lushan calibration baseline.Further, twenty-five sites are determined using seven CG-5 relative gravimeters with two return measurements. The results show that the accuracy of gravity values at all of the base sites is better than ±5.0 μGal.The application of FG5 absolute gravimeter along with several relative gravimeters to construct short calibration baselines is a new and modern approach which has scientific significance as well as economic value.

baseline; calibration; absolute gravity measurements; relative gravity measurements

2016-03-26

邢樂林，博士，副研究員，主要從事重力觀測及數據處理研究，E-mail:xinglelin@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.001

1671-5942(2016)09-0753-04

P312

A

項目來源：中國地震局地震研究所所長基金(IS201326130)；中國地震局地震行業科研專項(201508006,201308004)。