山東重力網建設綜述與優化設計＊

陸漢鵬 王鋒吉 李樹鵬 李國一 韓海華

（山東省地震局，山東濟南 250014）

引言

山東流動重力觀測開始于1975年，1980年改為臨清—威海、東明—平邑兩條測線。1980年蘇、魯、皖3省地震部門開展聯防協作，組成蘇、魯、皖高精度重力網和由54個測點組成的魯南高精度重力網[1]。1989年以來，統一使用LCR-G型重力儀進行觀測，并增加了安丘網31個測點與魯南測網54個測點及臨清—威海測線24個測點，連接成網。1993年安丘網停測，1994—2008年山東組成魯南測網（54個）和膠東測網（原臨清—威海測線），其中膠東測網由原來的24個測點增加到70個測點，并與魯南網連接形成山東測網。2008年膠東測網增加濰坊—煙臺測線、萊陽—即墨測線，共增加8個測點，12個測段。

2008年汶川“5?12”8.0級特大地震發生后，為加強華北地區，尤其是首都圈地區的震情監視，實施“強化華北地區強震監視跟蹤工作”。山東承擔了華北地區地震強化監測重力測量約160段，其中，魯南測網57測段，53測點；膠東測網72測段，66測點；連接河北測網海興、黃驊，物探中心施測的魯西測網安居、嘉祥等測點。山東省地震局在2005年和2008年施測工作量的基礎上，新增柳橋—淄博—焦廟—泰安測線和濰坊—喬官—臨朐測線，聯測區域內的陸態網站、中國及山東地殼運動觀測網絡點，并由中國地震局地震研究所施測泰安、日照兩點的絕對重力測量。2015—2017年開展了中國地球物理場觀測—大華北地震行業科研專項，增加了煙臺站絕對觀測，增加了綜合地球物理場觀測跨海測量任務，至2016年共完成172測段，158個測點任務。

為了加強山東省防震減災社會服務能力提升工程項目（“十三五”規劃），保證山東流動重力“成網成場”及在山東地區全覆蓋，2017年進行了重力網擴建項目，至2017年底，山東重力網共擁有405個測點，實現了山東及周邊地區重力點全覆蓋。

1 山東重力網優化的必要性和可行性

依據《地震重力測量規范》的要求，并結合山東地區的地質構造特點，根據“三縱（郯廬斷裂帶的沂沭帶、聊考斷裂帶、南黃海構造帶）一橫”（渤海—威海地震活動構造帶）活動構造特點進行測網布設。基于以上地質構造特點，重力點位的布設最大限度地反映山東地區“三縱一橫”地質構造特點及其地球物理場背景信息，以捕捉地震前兆信息，為地震預測預報提供基礎資料。

魯西聊考斷裂帶上的菏澤老震區、濮陽小震集中區有感地震頻繁，存在重力觀測空白，魯北地區重力觀測點位也明顯薄弱。為了達到地球物理場觀測“成網成場”的目的，充分提取地球物理前兆信息，在現有山東重力網的基礎上進行優化改造。山東省陸域總面積15.79萬平方千米，原有的180個測點僅覆蓋了省域面積的2/3。膠東測網和魯南測網精度高，網型合理，能較好地控制膠東半島地區及魯南地區的重力異常信息，但對魯西地區及魯北地區的監控能力明顯不足。雖然華北重力網在上述地區存在一定的監控能力，但點位數量不足，布局不甚合理。為及時準確地獲取山東地區重力背景場數據，提高數據資料的利用率，并保證整個測網的系統精度及滿足平差的要求，在充分利用大華北重力網部分山東境內測點、山東GNSS網絡重力測點及山東現有重力網測點的基礎上，調整布局，適當增加重力監測點數量。在保留現有180個測點的基礎上，再新增測點225個，共計405個。其中，利用華北重力網測點20個（物探中心12個、河北省地震局8個），跨斷層場地測點16個，新建測點33個，新測測點108個（國土局及地震局CORS站56個、省氣象局12個、國家大地控制點AB點40個），埋設標石31個、恢復重建原安丘網測點17個。使整個山東測區組成比較完備的重力觀測環，達到對全省100%全覆蓋（圖1）。

圖1 山東重力觀測網聯測路線圖Fig. 1 Joint test road map of gravity surveying network in Shandong

優化調整后測點間距約10—20 km，基本滿足《地震重力測量規范》要求，同時達到對整個山東地區重力觀測“成網成場”并提高觀測精度的目標。對山東境內的主要斷裂構造基本能夠達到重點監控，建立跨斷層的重力監控網絡，以便快速獲取重力信息，能夠達到具有5級左右地震的監測能力，進行震情研判，為地震預報工作和活動斷裂研究提供第一手資料。測量總點數根據實際情況再及時調整，具體點位及點數量可能有所增減。

2 山東測網、測線設計概況

流動重力監測的主要目的就是監測構造活動區重力場隨時間、空間的非潮汐變化。重力測量有合理的測網布設是達到測量目的的前提，必須有明確的原則并根據地震活動趨勢加以調整[1]。對“十三五”規劃新增的3個測網分區就其測網、測線和測點的布設特點進行詳細闡述。

2.1 魯西地區

魯西主要分布有聊考斷裂帶（聊城—蘭考），魯西測網首先在測網中心由南向北沿斷裂帶方向布設了菏澤—鄄城—范縣—莘縣—聊城測線，15個測點，這條重力測線與魯西流磁測線基本一致；在成武—東明斷裂布設了菏澤—定陶—成武—單縣測線；在北東向并行的曹縣斷裂、巨野斷裂附近布設了成武—巨野—鄆城—梁山—平陰測線。

考慮到地震活動性和震情，在河南濮陽地震集中區與范縣區域加密布設東西向浚縣—濮陽—范縣—臺前重力測線，約7個測點。另外，在鄄城區域加密布設鄄城—鄆城約8個測點與豫北測網連接成網。在菏澤老震區沿東西向布設東明—菏澤—巨野—濟寧測線，約11個測點，并與豫北測網連接成網。此布設的東西向3條測線可以監測魯西南重點監視區的重力場異常變化及布格異常特點。

在魯西測網外圍西邊界沿用豫魯測網的測點和河北測網的測點連接成網（約13個測點），在南邊界增加曹縣—單縣—沛縣—棗莊測線，是利用了豫魯測網經過江蘇與魯南測網連接形成閉合網絡，這也是跨微山湖的南部測線，在微山湖中部增加了金鄉—魚臺—滕州測線，使得跨微山湖有兩條測線可以監測微山湖周圍地面沉降和塌陷變化情況。

魯西測網的東邊界是利用山東測網濟南—泰安—曲阜—棗莊測線（約13個測點），測線北部與臨清—禹城測線連接成網，南部與曹縣—棗莊連接成網。

另外，在非重點監測區布設了3條測線使得魯西測網測點布設比較均勻并且覆蓋各市縣。它們是單縣—濟寧—平陰測線、聊城—泰安測線、冠縣—聊城—濟南測線。

新增魯西測網能夠填補歷年山東西部地區重力測網的空白，為密切監視山東西部聊考斷裂帶附近的重力變化提供有力保障。

2.2 魯北地區

魯北地區是山東平原地區，斷裂帶較少常年不作為重點監視區，除淄博—濱州—黃驊測線外，魯北一直是山東流動測量的空白地區。2017年在魯北地區增加了“兩橫四縱”測線。“兩橫”為：館陶—臨清—德州—寧津—大山測線（位于山東西北部邊界，南部連接河北測網，北部與魯北老線連接），臨清—禹城—臨邑—惠民—濱州—東營測線（原臨清—威海測線的延伸）；“四縱”由西向東依次為：焦廟—禹城—德州測線，濟南—臨邑—寧津測線（沿用河北測網），周村—惠民—大山測線，新河—東營—沾化測線（環渤海測線，東邊與膠東網連接，西邊與魯北老線連接閉合）。魯北測網建成后可與河北測網聯合計算，增加山東魯北平原重力變化的可靠性。

2.3 魯中地區

在魯中地區增加縱橫兩條測線：縱線為淄博—萊蕪—蒙陰（南邊與魯南網連接），橫線為泰安—萊蕪—馬站（東邊與老安丘網連接）。

安丘網1992年停止觀測，2009年華北強化監測恢復了安丘網中的濰坊—沂水測線，2017年“十三五”規劃新增安丘網剩余測點23個。安丘網與魯南網連接可以很好地監測沂沭帶的重力變化。全網有15段通過斷層，119°E以西斷裂比以東斷裂多，西部測段20 km，東部30 km[2]。

通過以上3個空白測區的擴建優化，使魯西、魯北、魯中及已測魯南、膠東形成5個測區。擴建優化后的山東測網共形成61個閉合環，405個測點，461個測段的“成網成場”的山東重力網雛形。

3 山東重力網網型設計

山東重力網擴建增加225個測點與原來常規測點180個達到405個測點，覆蓋整個山東地區及河北、河南、江蘇等鄰省地區。經過優化設計把山東測網設計成為5個閉合測網，它們分別是魯南測網、膠東測網、魯中測網、魯北測網和魯西測網。圖2為5個測網設計圖。

圖2 山東重力網分區聯測圖Fig. 2 Partition joint survey map of gravity surveying network in Shandong

4 山東重力網監測能力評價

從各方面的資料研究結果和經驗來說，重力網的監測能力強弱主要由以下幾方面引起。

4.1 測網的空間分布范圍和分辨率

理論和實踐結果表明，地震多發生在重力場變化的梯度帶上，地震震級越大，在地震孕育過程中重力場變化的范圍也越大。要想完整的探測到地震的震中位置，必須構繪出震中周圍足夠大空間范圍內重力場變化圖像，即測網空間分布范圍大小同地震震級成正比，以一個6級地震為例，測網空間范圍需要達到600 km×600 km左右。同時，重力場變化的形態與地質構造有關，重力變化梯度帶多受到活動斷裂帶的控制，在參考測區歷史地震和現今地震活動的基礎上，測網空間應覆蓋不同塊體交界和主要活動斷裂帶。測網空間分辨率與重力測點間距有關，地震震級越小，所需測點間距越小；震級越大，測點間距越大。如果要觀測出4級地震的異常區形狀，測點間距最大約10 km[3-5]。

4.2 測網的觀測精度

測網觀測精度的高低決定了測網對異常信息的分辨能力，測網觀測精度高，有利于監測到中強地震前的構造活動異常信息。研究結果表明，區域重力測網目前的測網單位權重誤差和重力點值中誤差可以達到10×10-8m/s2，如果以2.5倍中誤差作為限差時，測網能夠分辨出發生在監測區內40×10-8m/s2左右的重力相對變化[3-5]。

布設測網時進行精度設計是為了保證重力網有足夠的精度，具備辨別一定量級的重力變化的能力，根據測網內地質、地形和交通等條件進行測網設計[1]。

“十三五”項目增加了魯西測網，魯西地區是重點監視區。假如在魯西測網布設一個分辨能力為±40×10-8m/s2的監測網。其精度設計過程見圖3。

圖3 魯西重力網測點路線圖Fig. 3 Survey point road map of gravity surveying network in western Shandong

由圖3可以看出，魯西測網的中心位置在巨野附近，薛城、焦廟、館陶、碼頭位于測網邊緣的頂端。根據測網布設的精度設計，測點相對于起算點的重力值的相對精度可用下式估算[1]：

式中，S為觀測點i距起始點的距離，mg為測點與相鄰點間段差值的中誤差。已知相鄰點間段差值中誤差mg=±8×10-8m/s2，各邊緣點相對于巨野的點值精度見表1。

表1 測網邊緣測點精度統計表Table 1 Statistical table of accuracy of measuring point in edge measuring network

距離起算基點越遠精度越低，所以布設測網時盡量保證全網有足夠精度，具有辨別一定量級的重力變化能力[6]。

4.3 穩定、可靠的重力起算基準

區域重力場的變化始終相對于某一時空基準而言，選擇不同的時空基準就會產生不同的變化結果。因此，時空基準的合理性將直接影響區域重力場變化研究結果的正確性。現行的重力資料處理，一般有經典平差、擬穩平差、自由網平差3種方法。多數區域重力網采用相對簡單實用的經典平差方法來處理觀測資料，所得到的重力變化結果均是相對于起算基準點而言的。因此，選擇穩定、可靠的起算基準顯得十分重要。比較理想的是，用起算基準點與測網同期觀測的絕對重力測量結果作為起算基準，采用經典平差方法處理資料，從而獲得可靠的重力分析結果[7]。

4.4 測網的映震能力

地震重力監測的最終目的，主要是為地震的預測預報及相關科研服務。測網對于發生在監測區內的中強地震前兆異常應該具有較好的響應能力。研究結果表明，根據重力變化異常區的范圍和幅度、重力異常變化梯度大小及特征，可以研究地震的趨向

及未來強震可能分布的地點和震級[8]。因此，具有較強監測能力的測網，應該能夠監測到發生在網內中強地震前后重力場的動態變化圖像，并據此進行地震趨勢的預測研究。

5 結論

擴建優化前，山東測網主要集中在魯南、膠東及魯中、魯北的部分支線測量，難以監測山東西部大部分區域。擴建優化后，山東重力網監測范圍除了山東地區各市縣全覆蓋之外，還與江蘇、河南、安徽及河北鄰省有效連接成線，提高了山東重力監測的空間分辨率，有利于山東及鄰省的整體分析和研究。

優化改造后的山東重力網，實現了對魯南、膠東、魯西、魯北及魯中地區的全覆蓋，空間監測范圍達到600 km×600 km，具備對發生在網內6級地震的監測能力，山東地區測點平均間距為10—20 km，能夠觀測到網內4—5級地震的異常區形狀。

另外，增加了山東地區及鄰省的國土、氣象部分的CORS站，能夠進行重力、水準及GPS的聯合分析。把山東省地震預警點作為重力埋石測點也起到了“十三五”規劃的防災減災的宣傳效力。聯測到“十二五”跨斷層水準點上，可以進行長期的加密觀測及重力、水準的聯合分析。

致謝

感謝武漢重力管理部及物探中心、江蘇省地震局、河北省地震局等單位給予的技術指導，也特別感謝國土測繪及氣象局給予的配合和支持。另外，也感謝山東各市縣地震部門在野外踏勘及埋石中的幫助。