張家口地震臺連續重力異常分析

屈 曼， 侯曉真，陳建國，王曰風，朱振興，周 亞，劉仲韜

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021 ；2. 河北省地震局張家口中心地震臺，河北 張家口 075000)

0 引言

在地殼運動中, 由于各種原因, 中國大陸構造應力場發生強弱變化，重力場圖像也會跟著出現時空變化, 重力場變化與活動斷裂構造密切相關[1]。連續重力觀測可以得到三方面的信息, 即重力場緩慢變化、重力潮汐變化和疊加在潮汐曲線上的高頻信息[2]，其能精確探測到地球內部物質遷移引起的重力變化效應[3]。連續重力觀測精度遠高于流動觀測，從理論上來講，流動重力能觀測到的震前重力變化信號,連續重力也可觀測到。許多學者利用連續重力數據對震前異常進行分析論證[4]。王新勝等[5]分別對蒼梧Ms5.4地震和呼圖壁Ms6.2地震震前的連續重力觀測數據進行分析研究，發現震前重力數據出現了一定的異常現象。喻節林等[6]根據M2波潮汐因子的月變化曲線及加卸載響應比，討論了印尼Ms8.7地震可能引起的重力趨勢性變化。黃雅等[7]以2013年蘆山7.0級地震為例，探討了重力固體潮參數的時空分布特征與地震孕育的關系，發現蘆山地震前M2波潮汐因子趨勢變化空間分布大體呈現上升與下降趨勢的四象限分布。

張家口地震臺(以下簡稱張家口臺)gPhone連續重力觀測儀M2波潮汐因子自2016年6月出現持續下降的趨勢變化，累計下降變化量達到7×10-3。相同時間段內，重力時序變化和重力非潮汐變化均比較平穩，未出現明顯的同步異常變化(見圖1)。為更準確地判定張家口重力潮汐因子異常的性質，從觀測數據可靠性、觀測環境干擾等方面進行分析論證。

圖1 2015-2017年M2波潮汐因子時間序列圖Fig.1 Time series map of M2 tidal factor from 2015 to 2017

1 重力觀測背景資料

張家口重力測點處在陰山東西向構造帶與山西地震帶北段、張渤地震帶西北段的交匯部位，地質構造復雜，斷裂較多。主要斷裂有NE向蔚縣山前大斷裂、桑干河斷裂、懷安-宣化斷裂等。連續重力觀測屬洞室型連續重力觀測站，洞室深度65 m，通道近似“W”形(見圖2)，覆蓋層達30 m以上，觀測室內干燥、整潔、無滲水返潮現象。臺基巖性屬侏羅紀石英粗面巖和石英角礫巖。重力觀測墩完好，未出現下沉、開裂等現象，儀器和觀測墩表面潔凈。

連續重力觀測站2009年9月始建；2010年8月開始觀測，同年張家口重力儀處于穩定階段；2011年儀器處于試運行階段，數據可信度較低；2012-2013年重力觀測質量較好，在全國觀測質量評比中獲獎；2015年重力觀測儀出現故障，9月4日更換新的CF卡， 11月23日工程中心進行遠程調試。調試之后重力觀測曲線出現大幅下降變化，一直持續到2016年4月，目前儀器運行正常。

圖2 重力觀測儀器布設示意圖Fig.2 Layout of gravity observation instruments

2 重力潮汐因子數據分析

2.1 數據處理

2.2 數據質量分析

通過重力殘差時間序列的數據變化情況，可佐證重力觀測數據的穩定性。圖1是由中國地震局重力臺網中心提供的數據結果，可以看出，在2016年6月重力潮汐因子異常出現期間，殘差變化曲線變化平穩，未出現明顯的同步趨勢下降異常變化，說明張家口重力觀測數據比較可靠，反映出潮汐因子的異常變化是比較真實的。表1為張家口重力數據質量評價統計表，該表統計時間為2015年1月至2017年12月，對張家口重力進行了月尺度的M2波潮汐因子中誤差計算。結果顯示，M2波潮汐因子中誤差均小于0.001，說明張家口重力觀測質量較好，數據較可靠。

表1 張家口臺重力數據質量評價統計表Table 1 Statistical table for quality evaluation of gravity data of Zhangjiakou station

2.3 儀器調零對潮汐因子的影響分析

從張家口臺2015-2017年重力觀測原始曲線對比圖來看(見圖3)，2015年11月工程中心對重力儀進行遠程調試之后，數據出現快速下降變化，可能是儀器調零后的零漂現象，該下降變化一直持續到2016年4月，5月以后數據緩慢上升，逐漸恢復到調零前的變化趨勢。

圖3 張家口地震臺2015-2017年重力觀測原始曲線對比圖Fig.3 Comparison of gravity observation original curves from 2015 to 2017 of Zhangjiakou station

2015年11月調零后重力觀測數據出現的大幅變化可能會對潮汐因子產生一定程度的影響，為排除此影響，分別計算了去零漂前后潮汐因子的變化情況(見圖4)。雖然去零漂前后兩條曲線結果數值不是完全相同，但數據變化基本相差不大，變化趨勢較一致。在2016年6月之后均出現同步下降變化，所以認為此次異常并非由儀器調零后的零漂造成。

圖4 2015年-2017年零漂改正前后潮汐因子對比圖Fig.4 Comparison of tidal factors before and after zero drift correction from 2015 to 2017

2.4 新建樓房對重力觀測的影響分析

經過現場調查發現，在重力觀測山洞周圍存在一項明顯的環境變化。在山洞的西南方向400 m左右，有一處新建辦公樓施工的工程。該工程2017年5月6日開工，6月4日做地基處理，7-8月施工蓋樓。在施工過程中，地基處理進行了少量的挖方，建樓房的過程中造成大量荷載增加。相對于挖方，建樓房引起的荷載增加量遠大于挖方量，所以，對于此項干擾可以大致認為新建樓房的荷載增加量為主要因素。重力潮汐因子異常出現的時間為2016年6月，工程施工的時間在異常出現之后，為更確切地排除此項干擾，進行新建樓房載荷引起重力變化的定量計算。根據王謙身(2003年)編寫的重力學中的正演模擬任何形狀的外重力影響公式：

建立新建樓房引起的重力變化模型。新建樓房距離重力觀測室400 m左右，所處山體距新建樓房的高差為70 m左右，樓房的長寬高分別為14 m、40 m、27 m，鋼筋混凝土密度為2 551 kg/m3。如果樓房是實心的，樓房總體質量約為3.86×107kg，實際上樓房是空心物體。將樓房的總質量近似看成是實心樓房的三分之一，則樓房的實際質量約1.29×107kg。樓房的底面積為560 m2，可以粗略地將樓房看成高度為9 m、底面積依然為560 m2的實心物體?？梢詫⑵錃w結為長方體重力正演模型(見圖5)。對x1,x2,y1,y2,z1和z2為邊界的長方體重力正演，結果方程式為：

圖5 樓房模型和臺站相對位置示意圖Fig.5 Schematic diagram of relative position of building model and station

將新建樓房看成一個立方體，其中心距離重力觀測室400 m，立方體的長寬高分別為14 m、40 m、9 m。根據cuboids_gravity(x1,x2,y1,y2,z1,z2,density)程序計算參數如下：x1=-7,x2=7,y1=400,y2=440,z1=0,z2= 70,ρ=2 551 kg/m3。計算結果Δg為0.31微伽，說明新建樓房的荷載變化僅能引起0.31微伽的重力變化，從量級上來看，新建樓房對于重力觀測的影響較弱。圖6為重力殘差曲線圖，黑框內曲線為樓房干擾時段的曲線變化情況，施工期間變化幅度約5微伽，從數據變化量級來看，施工干擾較小，不足以對重力觀測造成明顯影響。此外，新建樓房施工干擾與重力異常的時間相關性較差，異常出現的時間為2016年6月至2017年7月，施工時間主要為2017年5-8月，異常出現在施工之前。故從影響量級和時間相關性上，均判定新建樓房施工并非重力異常的主要原因。

圖6 重力殘差曲線圖Fig.6 Gravity residual curve

3 結語

張家口重力潮汐因子異常出現之后，經過現場異常核實，儀器工作狀態穩定可靠，氣象三要素未出現大幅同步變化。從觀測數據可靠性、重力殘差曲線圖分析，異常出現時同期殘差數據穩定，未出現同步異常變化。從去零漂前后潮汐因子的變化情況進行對比分析，發現潮汐因子變化趨勢一致，排除儀器調零影響，說明觀測曲線比較可靠。

通過核實臺站附近環境干擾，發現新辦公樓工程的施工時間在異常出現之后，時間相關性較差；通過定量計算，新建樓房的荷載變化僅能引起0.31微伽的重力變化，說明新建樓房對重力觀測的影響較弱。故從影響量級和時間相關性上可排除周圍環境荷載變化、施工干擾對此次異常造成的影響。綜合分析認為，張家口重力潮汐因子的下降趨勢異常有可能為前兆異常，需要加強跟蹤分析。

張家口連續重力觀測自2011年試運行以來，無較好的震例對應情況。自安裝重力儀以來，河北地區未發生過5級以上地震，故很難應用重力潮汐因子的變化情況對河北及鄰近地區地震進行相關的預測研究，還需不斷積累資料，繼續探索。對于張家口重力潮汐因子的異常情況仍需要加強關注和深入研究，進一步判定其異常性質。

感謝中國地震局重力臺網中心提供的部分數據產品！