2020, Vol. 41
gPhone连续重力仪可以记录到固体地球潮汐变化，也能记录到由极移、地下水变化、大气变化、自由振荡、地震孕育等引起的长期重力变化及地震动事件等非潮汐变化（Niebauer et al，2011；范文华等，2017）。近年来，许多学者利用gPhone连续重力仪观测数据开展了潮汐或非潮汐变化的研究工作，如：李盛等（2016）分析了热带气旋对琼中地震台重力非潮汐变化的影响；王新胜等（2017）通过分析库尔勒地震台非潮汐变化，研究苍梧MS 5.4地震和呼图壁MS 6.2地震发生前的重力变化特征；杜文成（2018）利用连续重力观测数据进行海潮负荷特征研究；莫佩婵等（2018）通过分析重力台站的重力潮汐因子空间分布，研究广西苍梧5.4级地震前异常变化。
利用连续重力观测数据进行潮汐或非潮汐变化的研究，首先需对观测数据质量和特征进行分析。溧阳重力连续观测台站（下文简称溧阳台）于2009年9月建成，2010年5月采用为gPhone连续重力仪进行观测，自2011年以来，仪器运行较为稳定，已积累大量重力秒采样观测数据，只是较少用于科学研究。本文拟选取溧阳台gPhone连续重力仪2011年1月1日至2018年7月31日记录的整点值观测数据和2017年秒采样观测数据，分析原始观测数据的特点，并在数据预处理基础上，分析观测数据的潮汐和非潮汐变化特征，利用秒采样观测数据，检验仪器对地震事件的响应和记录能力。
1 数据特征及预处理溧阳台gPhone重力仪2010年10月19日产出秒采样数据，2011年起仪器运行趋于稳定。选取2011年1月1日至2018年7月31日重力整点值数据，数据来源于“重力与形变数据共享分中心”。
重力连续观测的原始记录一般存在突跳（尖峰）、台阶、漂移、间断等干扰现象。由溧阳台gPhone连续重力仪2011—2018年原始观测数据曲线可见，重力连续观测记录存在上述干扰[图 1(a)]。利用Tsoft软件进行数据预处理，结果见图 1(b)—(d)，其中：①去尖峰。观测曲线中幅度较大的突跳使得数据无法辨识，一般直接删除，形成间断；此外，某些小幅度突跳可反映地震事件或被当作震前异常（韦进等，2011），此类突跳不作干扰处理；②去台阶。采用Tsoft软件提供的阶跃工具进行修正；③去漂移。数据经突跳和尖峰处理后，基于最小二乘原理的移动窗口多项式拟合方法，进行去漂移处理。
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图 1 溧阳台gPhone连续重力仪原始观测数据预处理 (a)原始数据；(b)去尖峰；(c)去台阶；(d)去漂移 Fig.1 Preprocessed and raw observation data of gPhone continuous gravimeter at Liyang Seismic Station |
经以上处理后，数据存在一些间断，可采取以下手段予以填补：对于数小时的数据间断，可采用插值填补；若间断时间较长，则采用理论固体地球潮汐值进行数据填充。
重力观测数据经上述预处理，潮汐形态清晰，存在的主要问题是数据间断次数较多且时间较长。随着观测的持续进行，溧阳台gPhone重力观测曲线日趋稳定，统计结果见表 1，可知突跳、台阶和间断个数逐年减少。
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表 1 溧阳台gPhone重力仪观测数据干扰信息统计 Table 1 Interference information statistics of gPhone gravimeter observation data at Liyang Seismic Station |
溧阳台2017年重力观测数据连续性较好，无突跳、台阶和间断。因此，选取2017年度重力整点值数据进行固体潮汐与非潮汐变化分析。
对2017年度重力整点值观测数据进行傅里叶功率谱变换，结果见图 2，可见功率谱能量主要集中在0.001 Hz以下、0.04 Hz和0.08 Hz处。
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图 2 溧阳台2017年观测数据功率谱（整点值） Fig.2 The power spectrum of the observation data sampled every hour on the hour at Liyang Seismic Station in 2017 |
M2波潮汐因子中误差可用于评定观测数据质量。采用2日（48小时）调和分析法，分析溧阳台2017年重力整点值观测数据M2波潮汐因子变化，结果见图 3，可见，M2波潮汐因子的变化范围为1.11—1.17，变化幅度为0.06，属正常变化幅度范围。
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图 3 溧阳台gPhone重力仪2017年观测数据M2波潮汐因子（整点值） Fig.3 M2 wave tidal factor of the gPhone gravimeter observation data sampled every hour on the hour at Liyang Seismic Station in 2017 |
M2波潮汐因子相对中误差定义为M2波潮汐因子与其中误差的比值，消除了潮汐因子值的大小对观测精度指标的影响，是评价gPhone重力仪观测数据质量优劣的重要指标（刘春国等，2017）。据地壳形变学科观测资料质量评比办法，M2波潮汐因子相对中误差应大于0.005。溧阳台M2波月潮汐因子相对中误差变化最小值为0.005，最大值为0.013 1，已达到行业规范标准，见表 2。
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表 2 溧阳台M2波潮汐因子和相对中误差变化 Table 2 Variation statistics of tidal factor and root mean square error at Liyang Seismic Station |
以上分析说明，溧阳台gPhone重力仪观测数据的潮汐成分记录是有效的，可以利用该观测资料深入分析潮汐因子变化因素。
2.2 非潮汐分析非潮汐信号中有丰富的低频信号，经傅里叶变换，发现频率主要分布在0—0.001 Hz范围内（图 2）。对溧阳台gPhone重力仪2017年整点值数据进行处理，去掉线性漂移和潮汐信号，得到低频的非潮汐信号，见图 4(a)。非潮汐信号包含地震波信号，如在图 4(a)中①和②处，出现2次幅度较大的高频变化信息，分别对应2017年7月18日7时34分科曼多尔群岛海域发生的MS 7.7地震与11月13日2时18分伊拉克发生的MS 7.8地震。可见，在整点值数据中包含地震波信号，可借此进一步探讨gPhone重力仪是否准确记录到大震的完整波形。
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图 4 溧阳台gPhone重力仪2017年整点值数据非潮汐信号 (a)非潮汐信号；(b)原始观测信号 Fig.4 Non-tidal signals derived from the gPhone observations sampled every hour on the hour at Liyang Seismic Station in 2017 |
gPhone重力仪秒采样数据中包含同震信号记录（周磊等，2013；王梅等，2015）。据李盛等（2015）的研究，gPhone重力仪可记录到距震中3 500 km范围内不同震中距、不同震级的地震。
据中国地震台网中心全国统一编目地震正式报目录，检索2017年度震中距（Δ）3 500 km以内、MS＞5.0的地震事件，得到166次地震，其中震级为MS 5.0—7.0，震中距为750—3 500 km。统计gPhone重力仪对以上166次地震事件的记录，结果见图 5，图中黑色菱形表示记录地震波形完整，浅色方块表示记录地震以突跳波形显示，空心三角形表示未记录到地震。
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图 5 gPhone重力仪对Δ≤3 500 km、MS≥5.0的地震事件记录 Fig.5 Statistics of gPhone gravimeter records for earthquakes with Δ≤3 500 km and MS≥5.0 |
由图 5可见：①当MS＞5.8时，gPhone重力仪可记录到Δ＜3 500 km的地震事件完整波形；②当MS≤5.7时，随着震中距的增加，gPhone重力仪可记录的地震事件震级有减小趋势；③当Δ≤1 500 km时，gPhone重力仪可记录到MS 5.0以上地震的完整波形；④当1 500 km＜Δ≤3 500 km时，随着震中距的增加，gPhone重力仪记录的地震事件震级有减小趋势。
由图 5可见，能记录到完整波形的不同震级对应的最大震中距也不同，对该震级和震中距的相应数值进行拟合，拟合公式如下
| $ M=\mathit{\Delta /}2337+4.3\ \ \ \ \ \left(5.0\le {{M}_{\text{S}}}\le 5.7 \right) $ |
其中M为震级，Δ为震中距。利用该公式，可计算不同震级对应的最大震中距，从而对利用gPhone重力仪记录分析地震波信号提供参考。
鉴于地震数有限，该公式尚待完善，需采用更多震例进行更精确的计算。此外，地震波传播路径的地质条件存在较大差异，尤其是海洋地震和岛屿地震，给gPhone重力仪记录地震事件波形效果带来影响。
4 结论综上所述，可以得到以下结论。
（1）溧阳台gPhone连续重力仪原始重力观测数据存在尖峰、台阶、间断和漂移等干扰，其中尖峰、台阶和漂移可采用Tsoft软件进行处理，时间较长的间断可采用理论潮汐值填充方法处理，但对后续潮汐波分析有一定程度的影响。但重力观测数据曲线尖峰、台阶和间断出现的频次较低，数据漂移呈线性变化，观测数据质量逐年提升，可用于地震、地球物理学科研究。
（2）对溧阳台gPhone重力仪连续率较好的2017年记录数据进行潮汐和非潮汐分析，发现：潮汐因子变化范围处正常水平，说明潮汐观测数据可靠；非潮汐信号存在漂移，去漂移后其高频信息和日均差值变化均能够反映一些大震的变化。
（3）gPhone重力仪能够记录部分Δ≤3 500 km、MS≥5.0地震的波形信号，但对不同震中距、不同震级的地震信号记录结果不同。当Δ≤1 500 km时，gPhone重力仪可记录到MS 5.0以上地震的完整波形；当1 500 km＜Δ≤3 500 km时，随着震中距的增加，gPhone重力仪记录的地震事件震级有减小趋势，可通过公式M = Δ/2337+4.3（5.0≤MS≤5.7），根据记录的相应震级大小，计算具有完整波形记录的地震的最大震中距。对于具体的同震信号记录特征，需要利用积累更多震例进行统计分析。
以上结果来自溧阳台gPhone重力仪单台观测数据，尚有不完善之处，需要积累多台gPhone重力仪、更多地震记录做深入分析。
杜文成.利用gPhone重力仪数据研究中国沿海海潮负荷特征[D].成都: 西南交通大学, 2018.
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