黑龍江省重力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化與2018年吉林松原MS 5.7地震的對應(yīng)關(guān)系

李俊秋 周 晨 張雁翔 趙建通 張思萌

（中國哈爾濱150090黑龍江省地震局）

0 引言

重力場是地球基本場之一，其時空變化是地球動力學(xué)的重要組成部分，對研究地震孕育過程、了解深部地殼環(huán)境變化具有重要作用（褚慶忠等，2014）。通過對地球重力場的觀測，可研究地球質(zhì)量分布、地球運(yùn)動及自身變形規(guī)律。而局部地殼的應(yīng)變、地震的形成過程、地下流體的運(yùn)動，均可能引起地面重力場發(fā)生非潮汐變化。利用重力儀可以觀測地球固體潮變化，地震臺站目前廣泛應(yīng)用PET/gPhone型重力儀（曾華霖，1999）進(jìn)行重力監(jiān)測，重力觀測記錄的主要成分即為固體地球潮汐分量，采用Venedikov調(diào)和分析方法（下文簡稱VAV方法）進(jìn)行固體潮分析，即可獲得非潮汐結(jié)果（田桂娥等，2005）。Venedikov調(diào)和分析方法是在原有最小二乘法基礎(chǔ)上發(fā)展的固體潮分析軟件，目前應(yīng)用較廣（Ducarme et al，2004）。

2018年5月28日吉林省松原市寧江區(qū)發(fā)生MS5.7地震，本文基于波形初動、延遲時間、同震形態(tài)、最大形變幅度以及同震持續(xù)時間等，分析黑龍江省漠河、牡丹江地震臺重力監(jiān)測數(shù)據(jù)的同震響應(yīng)特征，并利用Venedikov調(diào)和分析方法，分析牡丹江地震臺（下文簡稱牡丹江臺）重力固體潮非潮汐變化，捕捉其與地震的對應(yīng)關(guān)系。

1 黑龍江省重力監(jiān)測臺站概況

黑龍江省目前設(shè)有牡丹江和漠河2個重力監(jiān)測臺站，其中牡丹江臺采用PET型重力儀、漠河臺采用gPhone型重力儀進(jìn)行觀測。2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，無需調(diào)整量程，秒采樣，可長期觀測，儀器靈敏度較高，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，對全球6.0級左右地震均有較明顯的同震響應(yīng)。以2個臺站2018年2月1日—3日的連續(xù)重力觀測數(shù)據(jù)為例，分析重力固體潮特征，結(jié)果見圖1，由圖可見，重力記錄固體潮形態(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。

圖1 黑龍江省重力監(jiān)測臺網(wǎng)“三日”重力潮汐觀測曲線Fig.1 “Three-day” gravity tide observation curves of the Gravity Seismic Network in Heilongjiang Province

2 黑龍江省重力監(jiān)測的同震響應(yīng)特征分析

北京時間2018年5月28日1時50分，在吉林省松原市寧江區(qū)發(fā)生MS5.7地震，震源深度13 km。黑龍江省牡丹江和漠河臺2套重力儀均記錄到此次地震，其中牡丹江臺PET重力儀震中距約392 km，漠河臺gPhone重力儀震中距約927 km，地震波形記錄曲線見圖2。由圖2(a)可見，此次地震發(fā)生后1 min，即1時51分，牡丹江臺重力觀測曲線出現(xiàn)同震脈沖，無階躍，波的初動方向向下，同震響應(yīng)最大變化幅度為25035.05×10-8cm/s2，持續(xù)時間約19 min。由圖2(b)可見，此次地震發(fā)生后2 min，即1時52分，漠河臺重力儀秒值觀測曲線出現(xiàn)同震響應(yīng)，波的初動方向向下，同震響應(yīng)觀測曲線表現(xiàn)形態(tài)為脈沖，最大變化幅度為5928.91×10-8cm/s2，持續(xù)時間約28 min。

圖2 黑龍江省重力臺站重力儀記錄的吉林松原MS 5.7地震觀測曲線(a)牡丹江重力儀地震響應(yīng)曲線；(b)漠河重力儀地震響應(yīng)曲線Fig.2 Observation curves of the Jilin Songyuan MS 5.7 earthquake recorded by gravimeters at Gravity Station in Heilongjiang Province

脈沖是由連續(xù)定點(diǎn)形變觀測到的地震傳播到地面的震動信號的表現(xiàn)形式。地震波遠(yuǎn)距離傳播形成面波，當(dāng)面波的頻率與形變觀測儀器自振頻率接近時會產(chǎn)生脈沖的共振現(xiàn)象。說明重力儀的自振周期與地震波的優(yōu)勢周期相近（郭明瑞等，2013）。

基于地震波的初動方向、延遲時間、同震響應(yīng)變化最大振幅及持續(xù)時間，對比分析牡丹江和漠河臺重力數(shù)據(jù)在此次松原地震中的同震響應(yīng)特征。

2.1 地震波的初動方向

黑龍江牡丹江、漠河臺與2018年吉林松原MS5.7地震的相對位置分布見圖3，圖中示出此次地震的震源機(jī)制解。由重力儀波形記錄曲線（圖2）可知，牡丹江臺和漠河臺記錄的重力波形曲線顯示P波初動方向均向下。同時，吉林松原MS5.7地震的震源機(jī)制解（圖3中震源球）顯示破裂類型為走滑型，其中牡丹江臺P波初動向下記錄清晰，而漠河臺因震中距較遠(yuǎn)，P波初動記錄不清晰。綜上可以認(rèn)為，PET和gPhone型重力儀記錄的地震波信息頻段與地震儀記錄較接近，表明重力記錄波形初動方向比較可靠。

圖3 黑龍江重力臺站與吉林松原MS 5.7地震位置分布Fig.3 Location of Heilongjiang Gravity Station and Jilin Songyuan MS 5.7 earthquake

2.2 地震波傳播的延遲時間

地震波在巖石中的傳播時間與其傳播距離成正比，延遲時間長短一般可以反映震中距的遠(yuǎn)近（楊婕等，2010）。漠河臺與此次吉林松原地震震中相距更遠(yuǎn)，故牡丹江臺重力儀記錄的同震響應(yīng)波的延遲時間為1 min，而漠河臺重力儀記錄的同震形變波延遲時間較長，為2 min。

2.3 同震響應(yīng)最大振幅

黑龍江省牡丹江和漠河臺重力儀記錄的此次吉林松原地震波形曲線顯示，同震響應(yīng)形態(tài)主要表現(xiàn)為脈沖震蕩，且牡丹江臺PET型重力儀記錄的最大同震響應(yīng)變化幅度較大，主要是因?yàn)樵撆_震中距較小，地震波在傳播過程中能量衰減較小，故同震響應(yīng)變化幅度較大。當(dāng)然，地震波傳播路徑及地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異也會影響地震波能量的衰減程度，從而導(dǎo)致記錄的最大同震響應(yīng)變化幅度也會不同（林俊等，2017）。

2.4 同震響應(yīng)持續(xù)時間

同震響應(yīng)持續(xù)時間與觀測儀器的分辨率有關(guān)，分辨率越高，對微小變化的反應(yīng)越靈敏。據(jù)重力記錄觀測曲線（圖2），牡丹江臺同震響應(yīng)持續(xù)時間約19 min，漠河臺同震響應(yīng)持續(xù)時間約28 min。這是因?yàn)椋优_gPhone重力儀分辨率更高，故同震響應(yīng)持續(xù)時間較長，當(dāng)然，也可能與地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

3 牡丹江臺重力固體潮非潮汐變化

基于以上同震響應(yīng)特征，認(rèn)為黑龍江省重力測項(xiàng)觀測到2018年吉林松原MS5.7地震觸發(fā)記錄。以牡丹江臺重力數(shù)據(jù)為例，采用Venedikov調(diào)和分析方法，分析吉林松原MS5.7地震發(fā)生前后重力固體潮非潮汐變化。

（1）方法原理。據(jù)Venedikov調(diào)和分析方法，t時刻的重力觀測值y(t)為

式中，s(t)為重力潮汐，d(t)為漂移，p(t)為非潮汐變化影響，?(t)為觀測噪聲。

采用逐步回歸模型對漂移量d(t)進(jìn)行擬合，將觀測數(shù)據(jù)分為T組，每組數(shù)據(jù)長度為24小時，每組漂移值保持穩(wěn)定且相互獨(dú)立。采用低階多項(xiàng)式，對組內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行漂移擬合，設(shè)第T個時間窗內(nèi)數(shù)據(jù)的漂移為d(T+t)，則有

式中，Zj(T)為未知擬合系數(shù)，k為多項(xiàng)式階數(shù)。

采用交叉回歸模型，求解非潮汐信號對重力觀測的影響。設(shè)t時刻非潮汐信號為q(t)，其對重力觀測的影響為p(t)，表示為

式中，ai為回歸系數(shù)，i為交叉回歸次數(shù)。

（2）重力非潮汐變化。選取牡丹江臺PET型相對重力儀2016年1月至2018年8月的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，采用Venedikov調(diào)和分析方法，進(jìn)行儀器零漂和氣壓改正，得到該臺重力數(shù)據(jù)非潮汐變化時間序列，結(jié)果見圖4。由圖4可見，2017年8月起，牡丹江臺固體潮殘差值呈下降趨勢變化，至2018年5月28日吉林松原MS5.7地震發(fā)生，平均每月下降約15×10-8cm/s2，總降幅約158×10-8cm/s2，震后仍呈下降趨勢，總降幅約73×10-8cm/s2，平均每月下降約25×10-8cm/s2，可見該臺重力固體潮非潮汐變化并非只受到此次松原MS5.7地震觸發(fā)作用影響。

圖4 牡丹江臺重力非潮汐變化時間序列Fig.4 Time series of gravity non-tidal change at Mudanjiang Seismic Station

為此，進(jìn)行干擾和故障排查。從據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知：該臺站周邊10 km范圍內(nèi)無大型水庫、河流、大型抽水站等干擾源；距重力監(jiān)測站直線距離約30 m的鄉(xiāng)村公路過往車輛未對重力觀測造成顯著影響；觀測山洞SE方向約1 km處新建居民區(qū)施工場地對重力觀測影響不大。牡丹江臺設(shè)有氣溫、氣壓和降雨氣象三要素輔助觀測測項(xiàng)。由2016年—2018年8月三要素原始觀測曲線（圖5）可見，氣壓、溫度、降雨量均呈以年為單位的季節(jié)性變化規(guī)律。

圖5 牡丹江臺氣象三要素觀測曲線Fig.5 Observation curves of three meteorological elements at Mudanjiang Seismic Station

檢查PET重力儀發(fā)現(xiàn)，UPS指示燈顯示正常，儀器內(nèi)溫恒定。牡丹江臺PET重力儀2007年安裝，儀器元件存在老化問題，靈敏度可能有所下降。因此，重力儀雖然能記錄到此次吉林松原MS5.7地震前后的非潮汐變化，但儀器靈敏度下降導(dǎo)致儀器測量精度的變化，會對記錄到的非潮汐變化也有一定影響。

4 討論與認(rèn)識

黑龍江省牡丹江臺和漠河臺重力儀自2016年起，近3年時間內(nèi)整體觀測質(zhì)量穩(wěn)定，并能記錄到大多數(shù)地震的同震響應(yīng)。針對此次吉林松原MS5.7地震，2套重力儀記錄的同震響應(yīng)形態(tài)基本相同，均為脈沖變化，且P波初動方向與地震儀記錄一致，地震波信息頻段與地震儀記錄也較接近。2臺重力儀同震響應(yīng)延遲時間、最大同震響應(yīng)變化幅度、持續(xù)時間不同，與震中距、地震波傳播路徑、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及儀器分辨率等有一定關(guān)系。

牡丹江臺和漠河臺重力儀均能記錄到清晰固體潮變化。在此次吉林松原MS5.7地震發(fā)生前10個月內(nèi)，牡丹江臺重力非潮汐呈持續(xù)性下降變化，月均變化速度為15×10-8cm/s2，累計(jì)變化158×10-8cm/s2，震后下降變化仍在持續(xù)。由于地震孕育和地下物質(zhì)運(yùn)移過程是緩慢的，難以在短時間內(nèi)形成較大的重力變化。一般而言，值得重點(diǎn)關(guān)注和跟蹤的非潮汐變化，其月均變化幅度一般在（5—10）×10-8cm/s2。

因此，此次牡丹江臺記錄的連續(xù)重力非潮汐變化，在無明顯垂直形變情況下，下降速度過快，除與吉林松原MS5.7地震導(dǎo)致的地球物理場變化有關(guān)，可能也與儀器靈敏度下降有一定關(guān)系，具體相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。

文中使用的重力數(shù)據(jù)來源于中國地震臺網(wǎng)中心及臺站資料，湖北省地震局申重陽研究員和韋進(jìn)副研究員對論文撰寫提出建議，在此一并表示感謝。