黑龍江重力儀器對松原地震的同震響應分析

李俊秋 張雁翔 周 晨 高雙玲 張思萌

（黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱150090）

重力場是地球基本場之一，重力場隨時間、空間變化。通過對地球重力場的觀測，可研究地球質(zhì)量的分布、地球運動及地球自身變形規(guī)律。因而，重力場時空變化是地球動力學的重要組成部分，對研究地震孕育過程，了解深部地殼環(huán)境的變化，十分重要[1]。重力儀是研究固體潮最主要的觀測儀器，PET/gPhone型重力儀是目前世界上應用最廣泛的金屬彈簧重力儀[2]。臺站重力觀測是一種定點觀測方法，觀測記錄中主要成分是固體地球潮汐分量，通過分析獲得非潮汐結果。局部地殼的應變、地震的形成過程、地下流體的運動都將引起地面重力場發(fā)生非潮汐變化。隨著對重力固體潮的深入研究，用于重力固體潮調(diào)和分析計算的方法和軟件也在不斷地完善，保加利亞的Venedikov 發(fā)展的調(diào)和分析方法是應用成功的典型。VAV 方法就是在原有方法基礎上發(fā)展的新固體潮分析軟件，目前應用較廣。

本文針對2018 年5 月28 日發(fā)生在吉林省松原市寧江區(qū)的M5.7 級地震，從黑龍江各重力臺站重力儀記錄到的波形的初動、同震形態(tài)、最大形變幅度以及同震持續(xù)時間等方面研究其對吉林松原M5.7 級地震的同震響應特征，并利用VAV 調(diào)和分析方法研究牡丹江臺重力固體潮的非潮汐變化，捕捉其疑似前兆信息。

1 黑龍江重力臺站基本情況

黑龍江省共有2 個重力觀測臺站，分別位于牡丹江和漠河。牡丹江臺觀測儀器為PET 型重力儀、漠河臺重力觀測儀器為gphone 型，兩套重力儀均為美國勞雷公司生產(chǎn)的金屬彈簧相對重力儀，均為秒采樣觀測儀，儀器均可長期觀測而不用調(diào)整量程。

黑龍江省重力觀測臺網(wǎng)近兩年整體觀測質(zhì)量保持穩(wěn)定。從連續(xù)觀測重力數(shù)據(jù)可見，兩個臺站重力固體潮形態(tài)清晰完整，曲線光滑，日動態(tài)呈現(xiàn)“雙峰雙谷”的周期性變化，且儀器靈敏度較高，對全球6.0 級左右地震均有較明顯的同震反應。

2 吉林松原M5.7 級地震同震響應特征分析

圖1 黑龍江省各重力臺站重力儀記錄的吉林松原M5.7 級地震觀測曲線圖

北京時間2018 年5 月28 日01 時50 分在吉林省松原市寧江區(qū)（北緯45.270，東經(jīng)124.710）發(fā)生了M5.7 源地震，震源深度13km。黑龍江重力臺網(wǎng)2 個臺站2 套重力儀全部記錄到此次地震。黑龍江重力觀測臺網(wǎng)牡丹江臺震中距為392Km、漠河臺震中距927Km。牡丹江臺PET 重力儀01：50- 02：20 記錄到該地震，初動方向向下，同震響應觀測曲線表現(xiàn)形態(tài)為震蕩，同震響應最大變化幅度為25035.05 (10-8×m/s2)，持續(xù)時間為30min。漠河臺gPhone 重力儀01：50- 02：25 記錄到該地震，初動方向向下，同震響應觀測曲線表現(xiàn)形態(tài)為突跳和向下階變，最大變化幅度為5928.91 (10-8×m/s2)，持續(xù)時間為35min。各臺站重力儀記錄到的吉林松原M5.7 級地震觀測曲線圖如圖1。

黑龍江重力臺網(wǎng)記錄到這次地震同震響應主要表現(xiàn)形態(tài)為震時的曲線脈沖震蕩。牡丹江臺PET 型重力儀記錄的最大同震響應變化幅度比漠河臺gPhone 型重力儀記錄的大很多，原因主要在于牡丹江臺震中距小，能量衰減少，最大同震響應變化幅度就相對較大，此外，地震波傳播路徑及地下地質(zhì)結構的差異，也會導致地震波能量衰減程度不同，從而記錄的最大同震響應變化幅度也會不同。牡丹江臺和漠河臺兩個臺站記錄到的初動方向均向下，從震源機制解可以判斷，此次事件為走滑型地震，而重力儀記錄到的地震初動方向也恰好與之相對應，綜上可以認為，PET 和gPhone 型重力儀記錄得到的地震波信息頻段與地震儀記錄到的比較接近，初動方向也比較可靠。

3 牡丹江臺重力固體潮殘差異常變化

2018 年5 月28 日21：19 吉林松原 M5.7 級地震發(fā)生時，黑龍江部分區(qū)域有明顯震感，地震發(fā)生后，黑龍江局立即啟動地震應急預案，黑龍江前兆臺網(wǎng)中心對全臺網(wǎng)觀測儀器進行掃描，評價了前兆臺網(wǎng)運行情況，黑龍江重力臺網(wǎng)針對前期產(chǎn)出的事件分析記錄，組織前兆臺網(wǎng)部人員對牡丹江和漠河臺的前3 個月重力測項資料均進行了重新梳理和認真分析，未發(fā)現(xiàn)不明原因事件或疑似前兆異常，未填寫預報卡。

針對牡丹江地震臺PET 型相對重力儀2016 至2018 年8 月的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，利用VAV 調(diào)和分析方法，去除儀器零漂和氣壓的變化對重力的影響，得到牡丹江重力數(shù)據(jù)非潮汐變化特征，發(fā)現(xiàn)牡丹江固體潮殘差值自2017 年8 月開始出現(xiàn)下降趨勢，下降幅度15 微伽/月，總降幅200 微伽。且自2018 年起，殘差下降速率高于2017 年。

針對此次出現(xiàn)的固體潮非潮汐變化，前兆工作人員進洞檢查，重力儀器未出現(xiàn)底腳繡蝕現(xiàn)象，輔助觀測測項顯示儀器工作正常，儀器墩未出現(xiàn)開裂沉降現(xiàn)象，山洞未出滴水滲漏潮濕現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。牡丹江臺站10 公里內(nèi)無大型水庫、河流、大型抽水站等干擾源。臺站山洞直線距離30 米有鄉(xiāng)村公路，經(jīng)對比其他儀器受過往車輛影響情況下，未對重力觀測造成顯著干擾影響。山洞東南方向自2011 年開始大量興建居民樓，距離測點1 公里左右。該工程目前已建成樓房100 余棟，還在不斷施工，并向測點靠近。但從牡丹江臺周邊開發(fā)情況圖圖形對比上看，工程施工對重力觀測影響不大。牡丹江地震臺有氣溫、氣壓和降雨氣象三要素的輔助觀測。從三要素曲線圖可以看出，氣壓和溫度都是年的季節(jié)性變化規(guī)律，雖然降雨從2017 年以來表現(xiàn)出降雨量增大的特征，但仍然呈現(xiàn)年的季節(jié)性變化規(guī)律，同時未見人為因素導致的重力非潮汐變化異常，認為此次變化和人為干擾無關。

PET 重力儀的UPS 指示燈正常，從內(nèi)部溫度氣壓曲線圖可以看出，儀器內(nèi)溫恒定在53.45℃，但內(nèi)部氣壓呈下降趨勢，月均下降0.95Pa。牡丹江臺PET 重力儀自2007 年安裝以來，已運轉(zhuǎn)11 年，服務年限過長，應考慮儀器彈簧工作狀態(tài)是否有所變化。在排除自然環(huán)境、場地環(huán)境及人為干擾后，認為牡丹江臺重力固體潮非潮汐的異常變化與儀器內(nèi)部氣壓下降有關。

4 結論

黑龍江省重力觀測臺網(wǎng)從2016 年起的近三年整體觀測質(zhì)量保持穩(wěn)定。并能記錄到絕大多數(shù)地震的同震響應。黑龍江重力臺網(wǎng)記錄到吉林松原M5.7 級這次地震的同震響應表現(xiàn)形態(tài)大致相同，僅最大同震響應變化幅度不同。這與震中距、地震波傳播路徑及地質(zhì)結構都有一定關系，從而導致記錄的最大同震響應變化幅度不同。兩臺站重力儀記錄到的地震初動方向與地震儀記錄到的一致，地震波信息頻段與地震儀記錄到也比較接近。

關于牡丹江臺2017 年7 月起重力固體潮殘差的下降變化，可以排除地震前兆異常的可能，認為與儀器內(nèi)壓一直呈下降趨勢，儀器彈簧工作狀態(tài)變化有關，其相關性有待進一步研究。