CG型重力儀用于海潮負荷觀測的可行性

王 筍 楊錦玲 林鴻杰 黨學會 葉友權

1 福建省海洋地震觀測中心,廈門市盛光路669號,361021 2 福建省地震臺,福州市華鴻路7號,350003 3 中國地震局第一監測中心,天津市耐火路7號,300180

在沿海和島嶼區域進行微重力觀測須考慮海潮的影響[1-3]。由于近岸淺水區的潮汐運動較復雜,現有的海潮模型在海岸線附近精度均較低[4],特別是相位誤差較大,須用驗潮數據進行修正[5]。

由于連續重力臺站較少,難以對漫長的海岸線進行有效控制,利用便攜式相對重力儀布設流動測站是目前最為經濟可行的觀測方式。但與固定臺連續重力儀相比,便攜式相對重力儀的零漂率較大且非線性較強,非線性零漂難以完全校正,在計算調和常數時可能引入較大誤差。有學者將Burris重力儀用于重力潮汐觀測實驗[6-7],但對于國內裝備數量更多的CG型重力儀(CG-5、CG-6)只有定性討論,沒有定量分析。為此,在廈門地震臺測試CG型重力儀在潮汐頻段的噪聲,用長期觀測的gPhone型連續重力儀數據建立測站潮汐模型,預測出同址對比測試時段的海潮負荷值,將海潮負荷值作為已知量,分離得到gPhone、CG-5、CG-6的殘差時間序列,并進行頻譜分析,檢查這3種儀器的非線性漂移在潮汐頻段的量級。

1 CG型重力儀的適用性實驗

實驗地廈門地震臺離海岸線約700 m,gPhone重力儀(SN:056)安裝在山體洞室內,采樣間隔為1 s,CG-5(SN:1 316)和CG-6(SN:414)重力儀置于地面辦公樓內,采樣間隔分別為44 s和60 s。用于對比的數據時段為2022-11-16～22。使用Tsoft程序[8]進行數據預處理,首先統一采樣率至60 s,對地震造成的突跳、臺階等進行處理,然后進行固體潮、氣壓和線性漂移改正(圖1)。

圖1 海潮改正前的gPhone、CG-5、CG-6重力儀觀測殘差Fig.1 The observation residuals of gPhone, CG-5 and CG-6 gravimeters before tidal correction

選擇在廈門臺適用性較好的FES2004海潮模型[9-10],應用Venedikov調和分析方法分析gPhone在2017-03-01～2021-03-01的觀測數據,修正得到測站海潮模型,用SPOTL程序[11]計算同址對比測試時段的重力海潮負荷改正值,并應用于這3臺儀器的觀測數據,得到精確海潮改正后的殘差時間序列(圖2(a))。可以看出,gPhone在地震頻段的噪聲水平顯著高于CG-5和CG-6,這是由于廈門臺的地脈動噪聲較強[12],而CG-5和CG-6數據的卡爾曼濾波對高頻噪聲的抑制比gPhone數據的最小二乘濾波更好。

圖2 海潮改正后的觀測殘差及頻譜Fig.2 The observation residuals and amplitude spectrums after ocean tidal correction

由于海潮主要的8個分潮(振幅最大的4個半日分潮M2、S2、N2、K2和4個全日分潮K1、O1、P1、Q1)的頻率分別集中在2 CPD和1 CPD附近,而實際測量中單個測點(絕對)或測段(相對)的觀測大多在2～3 d之內完成,所以對重力觀測精度影響最大的頻率成分在2 CPD和1 CPD附近。因此,對殘差時間序列作傅里葉變換,將0.5～5 CPD間的振幅譜繪制成圖2(b)。可以看出,總體上gPhone的殘差振幅最小,CG-6次之,CG-5最大。CG-6在2～5 CPD頻段內振幅與gPhone相當,0.5～2 CPD頻段內振幅介于gPhone和CG-5之間。從時間域來看,3種儀器的非線性漂移皆不相關,可排除大氣負荷或風暴潮等因素的影響,漂移特性的差異可能源于儀器內部溫度控制性能。此次實驗中辦公樓內的溫度波動顯著大于山體洞室,在野外工作實踐中發現,CG-5讀數對環境溫度的變化較為敏感,而CG-6由于內溫較高(60℃)且溫度控制系統的靈敏度較高,受環境溫度的影響較小。在關鍵的1.9 CPD和1.0 CPD頻率點附近,殘差振幅最大的CG-5約為0.5 μGal和1.0 μGal,而廈門臺的海潮負荷約為7.5 μGal,因此可認為CG-5的非線性漂移(自噪聲水平)對短時潮汐觀測影響較小,數據可滿足主要的半日分潮和全日分潮分析需要。

2 平潭島的海潮改正實驗

2022-08-21～22中國地震局第一監測中心使用A-10型絕對重力儀在平潭島進行絕對重力測量,發現雖然該測點離海岸線超過3 km,且觀測時段為小潮,但仍受到較大的海潮影響。由于該測點尚未部署連續重力儀,因此使用CG-5型重力儀在2022-09-26～30進行88 h的重力潮汐觀測,利用此次觀測數據修正對平潭島適應性較好的FES2014海潮模型[13-14],得到測站海潮模型,并回測絕對重力觀測時段的海潮負荷值。海潮改正前后的絕對重力組均值殘差序列見圖3。可以看出,改正前殘差波動較大,標準差為4.8 μGal,其時間序列與FES2014海潮模型的形態和相位均有一定差異,改正后標準差為2.7 μGal;測站海潮模型回測值與海潮改正前殘差較為符合,改正后標準差減小至1.8 μGal。由此可見,測站海潮模型精度較FES2014海潮模型大幅提高,驗證了利用CG-5型重力儀的短時潮汐觀測數據提取海潮調和常數的可靠性。

圖3 海潮改正前后平潭島絕對重力觀測殘差序列Fig.3 Residual sequences of absolute gravity observation before and after ocean tide correction at Pingtan island

3 結 語

通過同址對比測試得出,目前常用的CG型便攜式重力儀靜態觀測時在1 CPD和2 CPD附近的噪聲水平較低,滿足主要的全日分潮和半日分潮的調和常數計算的需要。在平潭島的實際應用證明,即使是使用非線性漂移較大的CG-5進行短時重力潮汐觀測,仍能建立較高精度的測站海潮模型,回測35 d前的海潮負荷值與絕對重力觀測組均值殘差序列符合較好,改正效果較FES2014海潮模型有較大提升,由此驗證了CG型重力儀用于海潮負荷觀測的可行性與有效性。

利用便攜式重力儀進行海潮負荷觀測時應注意以下2點:1) CG-5在環境溫度不穩定的臨時測站中可能出現較大的非線性漂移,應盡可能使用漂移特性更好的CG-6。由于CG型重力儀的非線性漂移幅值較大,應通過最小二乘法建立法方程來修正海潮模型,不可直接將讀數變化視作海潮負荷。2) 海洋潮汐除了主要的全日分潮和半日分潮外,還包括一些長周期潮波;另外,大氣負荷和風暴同樣可能引起較強的振幅,所以利用短時潮汐觀測數據修正的海潮模型仍有一定的誤差。因此在海岸線附近進行微重力觀測時,宜同步進行重力潮汐觀測。

下一步可嘗試在測站環境溫度控制較好的條件下,使用CG-6作較長時間(28 d以上)的重力潮汐觀測,分析其用于提取長周期潮波的可行性。