泉州地震臺 g-Phone 重力儀觀測資料干擾因素分析

陳珊樺　蔡佩蕊　陳新興　謝文杰　王建新

摘要通過對泉州地震臺 g-Phone 重力儀自正式運行以來觀測資料的干擾因素進行總結，發現數采死機對數據影響較小，但斷電造成的儀器內部溫度的改變會導致原始數據漂移，從而降低數據的內在質量，建議應盡量避免人為操作如斷電等造成的內部溫度變化；臺風影響使得數據噪聲變大，表現為觀測曲線變粗，呈紡錘狀。希望研究結果可以為進一步利用重力資料提取地震前兆信息提供一定的參考。

關鍵詞重力觀測；干擾因素；g-Phone 重力儀

中圖分類號： P315.63文獻標識碼： A文章編號：2096-7780（2023）04-0159-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-122

Analysis of interference factors of g-Phone gravimeter observation data at Quanzhou seismic station

Chen Shanhua，Cai Peirui，Chen Xinxing，Xie Wenjie，Wang Jianxin

（Quanzhou Earthquake Monitoring Center Station of Fujian Earthquake Agency， Fujian Quanzhou 362000， China）

Abstract ThispapersummeduptheinterferencefactorsofQuanzhouseismicstationg-phonegravimeter observation data. It is considered that the change of working state and the influence of meteorological factors are the main interference factors. The change of the internal temperature of the instrument has a great influence on the data，so it is necessary to avoid the change of the internal temperature caused by manual operation such as power failure. The rainfall and the change of air pressure caused by typhoons increased the noise of the data.

Keywordsgravity observation; interference factors; g-Phone gravimeter

引言

陸地重力測量是研究地殼內部物質運移和屬性變化的重要手段之一，地球重力場變化能反映地下物質的遷移及運動分布狀況，在地殼運動過程中，由多種因素引起的區域構造應力場變化在重力圖像中都有展現[1-2]。目前對臺站重力連續數據的研究著重于潮汐理論研究和潮汐分析，取得了很多重要的成果，推動相關學科的發展[3-6]。韋進等[4]利用中國大陸運行較好的51個重力站潮汐觀測數據，采用國際標準潮汐處理方法和軟件，分析計算了中國大陸主要潮波潮汐因子的空間分布；翟麗娜等[5]對大連臺重力數據受海潮負荷影響大小進行海潮負荷改正計算；李興堅等[6]對高臺地震臺重力觀測數據的潮汐參數進行了分析。

全國地震臺站較多使用 Micro-g LaCoste公司生產的 g-Phone相對重力儀進行地球各點重力隨時間變化測量[7]。該重力儀具有高精度、低漂移率、高采樣等特點，既可以用來記錄長周期的信號又可以觀察非周期性的高頻振動事件，如地震活動等[8]。

泉州地震臺（以下簡稱泉州臺）g-Phone 相對重力儀于2015年12月22日安裝投入試運行，2017年12月19日正式接入前兆數據庫，運行以來數據連續，狀態良好，可記錄到清晰、完整的固體潮汐，對國內外震級較大地震也有良好的映震能力。重力儀器日常觀測資料中包含有固體潮汐、儀器零漂、各種干擾和與地球內部的物理因素相關的成分，同時包含與地震孕育有關的信息[9-10]。本文對泉州臺 g-Phone相對重力儀正式運行以來的觀測資料中的干擾因素進行歸納整理，結合中國地震局重力學科對數據內118°E

在質量的月評價，了解各干擾因素對數據質量的影響，為進一步利用重力資料提取地震前兆信息提供一定的參考。

1 重力臺址與觀測儀器

1.1 重力臺址

泉州臺為國家基準地震臺（圖1），隸屬福建省地震局，目前運行有 g-Phone相對重力儀一套，安裝于臺站東南方向約5 km 外的清源山人防1號洞形變觀測區內。山洞地處長樂—詔安斷裂帶中段，洞體基巖為新鮮花崗巖，巖體完整致密，海拔高程約78 m，洞頂覆蓋厚52.5—95.5 m。觀測山洞進深達190 m，洞內安裝有多道不銹鋼隔門，防止空氣對流，洞內溫度極為恒定，重力觀測室位于山洞內段，年溫差約 0.5℃ ， 日溫差小于0.1℃。山洞周邊環境為國家 5A 級風景區，觀測環境優良，無干擾，且交通、供電、通信條件均十分便利、可靠，適合開展重力觀測。

1.2 觀測儀器

g-Phone 重力儀是由美國 Micro-g LaCoste公司基于反饋式電子歸零系統設計生產的一種金屬零長彈簧相對重力儀，該儀器的系統分辨率為0.01μGal，系統精度為1μGal，可調量程為7000 mGal，采樣率為1 Hz[11]。為了保護重力傳感器即金屬零長彈簧系統不受環境溫度變化的影響，將其安裝在一個絕熱很好的雙膽容器中，利用加熱控制板保持傳感器處于恒溫狀態，同時采用3層密封裝置確保傳感器不受濕度和氣壓的影響[12]。

儀器使用 UPS 不間斷電源供電，電壓穩定。儀器共有10個測項，分別是重力潮汐觀測值、重力潮汐濾波觀測值、縱水準、橫水準、外部溫度、內部溫度、外部氣壓、內部氣壓、擺位讀數和儀器狀態。觀測數據通過網絡傳輸至臺站服務器，可在行業網內進行共享。

重力觀測資料的完整性、穩定性、可靠性是衡量觀測資料質量的重要指標[13]。觀測資料只有達到觀測技術標準要求時，才能更好地用于地震前兆信息的分析提取。泉州臺 g-Phone 重力儀自2017年12月19日正式觀測以來，連續率良好，在中國地震局重力學科臺網每月進行的內在質量評價中多數月份被評為“優”。圖2為泉州臺 g-Phone 重力儀日常觀測曲線圖。

2 干擾分析

自正式運行以來，泉州臺 g-Phone重力儀觀測的2種主要干擾因素有儀器觀測系統故障和臺風影響。

2.1 儀器觀測系統故障

泉州臺 g-Phone 重力儀觀測系統故障主要有數采死機、電源故障等。對重力觀測影響較大的是電源故障，因為儀器斷電會造成儀器內部溫度的變化，當儀器內部溫度變化時觀測數據曲線會出現漂移，溫度發生變化的時間越長，恢復到正常狀態所用的時間也越長。下面對數采死機和電源故障造成的數據影響進行詳細說明。

2.1.1 數采死機

2020年7月9 日01：51—7月10日08：41、8月7日09：21—8 日08：59因重力儀數采死機，數據缺記，重啟后恢復。數采死機時，只是儀器的記錄模塊出現故障，重力儀本體仍在正常工作，內部溫度等工作狀態未發生改變，而重啟只是短時間斷電，對內部溫度的影響幾乎可以忽略，因此數采死機除了缺記會造成連續率、完整率下降外，不會對儀器的觀測產生明顯影響。2020年7—9月的數據曲線并未因這2次數采死機重啟造成上漂、突跳、階躍等現象（圖3）。中國地震局重力學科對泉州臺2020年7月和8月的重力觀測內在質量月評價均為“優”，可見非長時間的數采死機對于數據的月質量影響不大。

2.1.2 電源故障

2021年8月19日07：37—14：27因 UPS 電源故障，儀器斷電停止工作。原來靠內部加熱控制板維持的恒定內部溫度（52.66℃）開始下降，14：28恢復供電后，重力儀本體開始工作，重新對儀器內部進行加溫，但數采因故障無法啟動，導致數據依舊缺記。經過維修后于17：00恢復數據記錄，此時已工作了2小時32分鐘的重力儀內部溫度值為49.72℃ ， 與原來的恒定溫度仍相差2.94℃。由于儀器斷電后內部溫度下降，造成重啟后重力潮汐觀測值數據大幅階躍，其階躍幅度約為7561×10?8 m/s2。直至20日05：30重力儀內部溫度才重新達到52.66℃并保持恒溫（圖4）。由于重力觀測所用的傳感器即零長彈簧對溫度很敏感，在儀器內部溫度上升期間觀測數據曲線出現快速漂移，漂移量約為6233.36×10?8 m/s2遠超正常日變幅，同時儀器的縱水準、橫水準以及內部氣壓也發生了大幅變化（圖5）。

在重力儀內部溫度恢復正常后，數據仍存在下漂趨勢，但每天的漂移量逐步減小，這是由于零長彈簧狀態的恢復需要一個緩慢的過程，截至9月10日，數據基本恢復平穩（圖6），在這期間（8月20日05：30—9月10日23：59）數據漂移量約為269.28×10?8 m/s2。中國地震局重力學科對泉州臺2021年8月和9月的重力觀測內在質量月評價分別為“中”和“優”。從此次事件的數據變化情況可看出，儀器內部溫度恒定對重力儀的整體工作狀態起到至關重要的作用，直接影響了觀測數據的可靠性。

在儀器說明書中也列出了儀器斷電時間與恢復到穩定狀態所需時間的對應表（表1），同時還提到在儀器斷電后重新通電加熱期間，數據漂移率會發生快速和不穩定的改變。當停止加熱后，達到正常漂移率可能需要長達一周的時間。泉州臺重力儀此次斷電近7個小時，對數據的影響達到21天，因此在儀器的使用中應盡可能采取措施避免斷電，一旦斷電，儀器內部溫度就會下降，造成數據曲線漂移，斷電時間越久，再次通電后儀器恢復到原來的平穩工作狀態需要的時間就要越長。

2.2 臺風影響

從2018年1月正式運行以來，泉州臺 g-Phone 重力儀在每年的7—10月經常會受臺風影響導致觀測數據中高頻信號增多，觀測曲線變粗呈紡錘形狀。如2019年8月8 日06：00—11日23：59，受第9號臺風“利奇馬”影響，臺站附近云層明顯增厚，風力增大，期間氣壓有明顯下降上升過程（變化幅度約6.83 hPa），降雨量為0.4 mm，原始觀測曲線變粗出現紡錘形狀，最大變化幅度約1982.29×10?8 m/s2，一階差分分析曲線也呈紡錘形狀（圖7）。該月數據雖然受到臺風影響，但在中國地震局重力學科的內在質量月評價中仍為“優”。選取其他受臺風干擾的月份，也發現臺風對觀測內在質量月評價結果影響不大。

3 結論與討論

通過對泉州臺 g-Phone 重力儀的數據進行分析，認為主要干擾因素為儀器觀測系統故障以及臺風影響。

（1）重力觀測的傳感器對溫度非常敏感，正常工作的儀器內部保持恒溫，若溫度發生變化則會影響整體的儀器性能，如數據的漂移率等。短時的斷電重啟，若溫度未發生大幅變動，則數據能較快得到恢復；若溫度發生較大變動（如變化超過1.0℃）且持續時間較長，則供電恢復后會出現較長時間的持續漂移，需要較長的時間數據才能恢復到正常水平，導致儀器的觀測數據內在質量降低。對于觀測數據質量較好的臺站，若想提供更為連續、可靠的數據，可考慮為重力儀再配備若干個蓄電池，在外部 UPS 故障維修時，減少儀器斷電時間。

（2）臺風會造成重力儀觀測曲線變粗，高頻成分增多，出現紡錘形狀。數據受影響程度與臺風強度成正比，與臺風跟臺站的距離成反比。在觀測數據受臺風影響較大的時候，臺風造成的高頻信號幅度甚至會超過數據正常日變幅。雖然重力儀器對氣壓變化有所反映，但對短時間的強對流天氣帶來的氣壓大幅波動并不會像同一山洞內的形變儀器那么敏感，這可能與其獨特的儀器結構有關。

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