重力变化的检测是地震监测的重要环节，对震前、同震及震后的重力变化检测有助于了解震源机制，进行地震中短期预测^[1-2]。而重力场是反映地球介质密度变化和各种环境下(固体地球潮汐、内部热流、固体和液体之间质量的交换、表面负荷和地震构造运动等)地球动力学特征的最基本和最直接的物理量^[3]。因此，在地壳运动中，由于各种原因导致区域构造应力场发生强弱的变化时，重力场图像也会出现相应变化^[4]。

1 台站及仪器介绍

泰安台位于泰山南麓，地处鲁中隆起、泰山山前第四纪活动断裂北侧，台基为太古代花岗片麻岩，为结晶基底，台站周围各地质时代地层发育较为齐全。台址岩体完整、致密、均匀，地脉动水平低，波导性良好，测量信噪比高，可靠性好。台站为全国一类形变台。仪器洞室主洞进深约76 m，最大覆盖厚度约29 m，室温年变幅小于0.5 ℃。除了PET潮汐重力仪以外，洞内还安装了SS-Y伸缩仪、DSQ水管倾斜仪、SSQ-2水平摆倾斜仪和VS垂直摆倾斜仪等形变仪器。同时台站布设有JCZ-1甚宽频带数字地震仪。

泰安台重力仪于2008-03-21安装完成，采样率为秒采样，有完整的固体潮记录并能记录到清晰的地震波形^[5]。仪器基本不受降雨、年温度变化等气候条件造成的长周期干扰信号影响，但能记录到台风等气压波动引起的高频扰动过程^[6]。仪器安装初期月漂移量较大，随着运行时间的增长其逐渐减小，尤其是2009-08以后，月漂移量值均在200 μGal左右，基本为线性漂移，说明仪器已经处于比较稳定的工作状态。

2 异常趋势特征描述

泰安重力观测值自观测以来总体呈趋势上升变化，2013-07-22岷县漳县6.6级地震后上升速率减缓，2013-09-11开始出现比较明显的趋势下降变化，下降幅度为83 μGal。2013-10-03下降速率减缓，呈波动式下降变化，2013-10-15变化了81 μGal后转折恢复，2013-10-16后转为上升变化，2013-11中旬之后恢复正常上升速率，半月后发生莱州3.0级地震，这类变化在以往未曾出现过。至2014-01-31，观测值一直保持与正常观测时段(速率约7 μGal/d)较一致的变化速率。但2014-01后逐渐呈加速上升态势，2014-02以来上升速率明显加快，为观测历史上速率最大时段(图 1)。通过计算，2013-03-01~03-31的漂移速率为5.46 μGal/d，属于正常值范围, 2013-11~2014-01速率为10.34 μGal/d，2014-02-01~03-04速率为28.07 μGal/d，2014-03-04~03-17速率为61.70 μGal/d。

2014-03月底速率有所放缓，但随后又急剧上升，2014-04-04发生乳山4.0级地震，地震后重力仪趋势加速漂移，到2014-05趋势逐渐恢复到正常状态。针对异常现象，对环境干扰、人为影响、场地等因素进行现场调查，未发现明显异常。

数据处理的过程中发现重力曲线多次发生2~20 μGal的陡然错动(掉格)现象，而当天并没有明显的可知干扰源。2012年后台阶掉格逐渐增多，到2013-10起掉格表现为加速增多状态。由于泰安重力仪可以记录到1 s以上高频信号，其远震震波、台风扰动等高频信号与地震仪有很好的对应，因此高频台阶突跳(周期1 s以上)变化也应反映在地震仪观测曲线上^[5]。而实际观测中日渐增多的台阶突跳却在与之对比的甚宽频带地震仪上无同步记录，说明了重力仪突跳信号的非客观性，反映了大量的台阶突跳应是仪器工作状态不正常造成的。

3 重力仪异常信息提取

研究表明，重力台阶突跳均表现为高频特征，而且在台阶突跳现象出现后往往伴随方向转折及速率改变^[7]。2013-12~2014-04曲线错动掉格现象突出，通过对比掉格频次与重力观测整体趋势发现，重力仪掉格方向全部为向下，掉格频次的增加与重力加速上升的趋势是对应的，掉格频次越高，趋势上升速率越大。经过仪器调试，解决了信号线潮湿的问题，掉格现象基本消失，达到正常的数据观测状态，与之对应的重力变化趋势逐渐恢复正常，仪器漂移速率也逐渐维持在6~7 μGal/d的平均值附近。这一状态与卢双苓等^[8]在本台重力仪的最佳运行状态时得出的数值完全一致。

仪器掉格现象对日漂移量的影响需要进行量化衡量，量化需要在环境和映震事件干扰较少的时段进行。通过对比，选取掉格频次较突出、趋势变化最明显的2014-03中25 d的数据进行掉格影响日变幅度的量化计算，结果见表 1。

本文主要掉格幅度都小于20 μGal。台阶频次的确定，在人工选取统计中的标准就是台阶幅度在5~20 μGal范围内。这些掉格幅度非常接近，方便统计，且影响的作用量相似，在量化过程中可直接以频次作为参量计算。小于5 μGal的掉格虽然也存在，但由于掉格幅度太小，对趋势改变及漂移速率的影响也不大，且这里仅作量化对比，在数据处理方式上是一致的，因此不列入统计范围。

从表 1可以看出，2014-03重力仪日漂移量均大幅度偏离正常理论漂移量(正常范围6~7 μGal/d，这里取6 μGal/d)。将每天的漂移量减去理论漂移量得到仪器的异常漂移量(去漂移量)。可以看出，本月以来仪器日变化均超过了正常范围，个别天数日漂移量是正常值的20倍。通过对比相应日期的掉格频次，发现其存在一个函数对应关系(图 2)。

取正常日均漂移量α为6 μGal，实际漂移量为x，日掉格频次为y，去掉正常漂移量的日漂移量也就是受掉格影响的漂移量为x-α，受掉格影响的日漂移量为β=x-α。因此，通过去漂移量与当日掉格频次就形成了一个对应函数式：

因此排除仪器自身影响后的实际日漂移量为:

为推导公式的准确性，同样选取掉格频次较多、趋势变化较为明显，并且外界干扰较小的2月份进行分析。对其日漂移量及去理论值后的漂移量进行计算，然后通过公式外推得出每天的理论掉格频值(因公式计算所以结果存在小数，这里精确到小数点后一位，理论数据仅作对比用，不存在数理意义)。相关对比频次见表 2。

对比公式外推理论值与实际人工调查值看出，两者是等同的，也就是说推导公式是准确的，相关的系数能够准确应用到重力仪趋势受掉格频次影响的计算中。

应用推导公式对2013-01~2014-05的月修正漂移量进行对比计算，结果见表 3。将17个月的月漂移量减去本月受掉格影响的漂移量，最终得出仪器自身记录到的重力加速度月漂移量，并选取泰安台重力仪2011-01~12的月漂移量作为参考基准。

通过公式外推，减除2013-01~2014-05重力仪受掉格影响的趋势漂移，得到了相对的原始漂移量值，然后与2011年全年的基准月漂移量数据进行对比。图 3为去干扰后月漂移量对比情况。

4 重力趋势变化机理探讨

重力仪观测主要是对地表的重力变化进行实时记录。地表观测点的位置变化、地表整体变形运动以及地球内部因构造块体变形运动的密度变化效应都是引起地表重力变化的主要原因^[9]。地表重力变化的研究对于丰富地球变动和地震运动信息有很大帮助。相关研究表明，重力变化所展现的正重力变化一般反映地表沉降、地下物质增多或其叠加效应，而负重力变化一般反映地表隆升、地下物质减少或其叠加效应^[10]。山东地区动态重力变化图像具有明显的分区特征，可分为鲁南平原、鲁北平原和胶东半岛3个重力变化区，与山东构造运动分区基本一致。近年来，通过山东流动重力测量分析得出，鲁南平原及胶东半岛主要为负值变化，表明鲁中南与胶东半岛地表隆升；鲁北平原重力场为正值变化，反映鲁北平原地表沉降或地下物质增多。目前鲁南平原负值出现逐渐增强的趋势，说明地表隆升作用更加显著；鲁北平原正值变化幅度收缩，说明其沉降幅度减缓；胶东半岛出现大幅度负值上升变化，说明其地下物质增多，密度增加，地下物质受挤压应力增强。

泰安台重力观测趋势变化由正常转为趋势向下变负，当达到负极点后逐渐回升，说明山东地区所处地块东部受太平洋板块向西的俯冲力挤压作用，造成胶东沿海区域地下物质增多、密度增加，也就是地下致密作用明显强于地表隆升。当地表的隆起未满足地应力能量释放的卸载，就会通过地震这一形式进行能量释放，这很好地解释了目前山东省尤其是胶东半岛存在的应力增强，且地震活动水平较高的现象。

5 结语

泰安台所安装的PET重力仪存在仪器数据线连接部位不稳定的情况，这一干扰直接导致连续重力观测数据出现不明原因的掉格和一定的噪声水平。由于台阶突跳均表现为高频特征，台阶突跳现象后往往伴随方向转折及速率改变。通过选定时段进行漂移量分析，得出了掉格对趋势影响的定量关系，通过验证其他时段两者的关联，证明了该定量关系的可靠性。通过该定量关系，进行了近17个月的去干扰提取异常信息的分析，得出泰安地震台重力仪在2013-09~12和2014-02~04两个时间段存在趋势漂移负值异常。

重力趋势异常现象与山东省地震活动性水平增强的两个时段对应。在地震活动增强之前(2013-08前)及地震活动性恢复正常状态时候(2014-05后)，重力观测也一直处在相对稳定的等速率漂移量的阶段。以上现象仅对600 km范围内的地震事件适用，较远的地震事件影响不明显。因此，对泰安台重力仪的密切跟踪很有必要。当再次出现漂移量低于正常水平时，应密切关注山东省范围内的各种宏、微观指标是否正常，其很有可能对应下一轮的地震活动性增强事件。但泰安台重力观测时间还不长，而且山东省范围内近些年地震活动性水平相对不高，重力运行观测时间段内对应山东省的典型地震事件较少，能够提供论证的依据仅限本文介绍的情况。由于没有全国其他地区重力观测出现类似异常情况的学术论文作为借鉴，因此本文结论需要进一步的跟踪研究来加强论证。

致谢: 感谢山东省地震局预报中心王梅老师和中国地震局地震研究所韦进博士的帮助。