2022, Vol. 43
地震台站重力测量是一种定点观测。通过对重力加速度进行连续观测可得到重力潮汐资料，进而可以利用观测数据开展潮汐或非潮汐变化的研究工作（李盛等，2015）。根据降水和静水位确定定点重力观测的水文响应模型，对去除干扰、了解地壳内部物质迁移过程及深部构造活动具有一定意义（Naujoks et al，2010；韦进等，2012；佘雅文等，2015）。佘雅文等（2015）利用BAYTAP-G软件对十三陵地震台gphone重力仪数据进行处理分析，认为降水可导致µGal量级的重力加速度变化；马险等（2017）利用Tsoft软件对秭归地震台gphone重力仪数据进行处理分析，认为重力仪能够有效监测三峡水库库区蓄水的重力响应。Tanaka（2010）使用2台gPhone获取的重力加速度残差时间序列较好地反映了重力加速度变化与降水间的关系，并用Kazama建立的水文模型较好地模拟了重力加速度的变化。本文利用Data PreProcess4 Singal软件对蓟县地震台同台址不同型号的2套重力仪观测数据进行处理，评价观测资料质量，并在此基础上分析连续重力观测的水文响应特征。
1 台站简介蓟县地震台在首都圈中东部、“燕山沉降带”的“京东台凹”北部，是全国定点地壳形变基本台。该台地处燕山山脉与华北平原接壤地带，位于震旦系石灰岩上，该区域地貌上属山前丘陵平原地。台站位于山的南坡山麓，海拔高程65 m，向南约2.5 km为面积120 m2、库容2亿—3亿m3的于桥水库，附近断裂构造较复杂，与其关系较密切的有蓟县山前断裂、杨庄断裂、黄崖关断裂等，台站位置见图 1。
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图 1 台站位置 Fig.1 Distribution of stations |
蓟县地震台有2套重力仪，分别为GS-15型相对重力仪（简称GS-15重力仪）、DZW型相对重力仪（简称DZW重力仪）。GS-15重力仪1999年由宝坻搬至蓟县进行观测，随着“十二·五”项目的建设，蓟县地震台院内新建460 m长的观测山洞，2017年安装了DZW重力仪，2018年1月1日起正式观测。GS-15重力仪为分钟值采样，安装在基岩观测墩上，顶部覆盖层15 m，距洞口60 m。DZW重力仪为秒采样观测仪器，安装在高标号水泥墩子上，距洞口约105 m。2套仪器分别位于台站院内的2个山洞内，2套仪器相距不足100 m，地质、地理环境一致。
2 观测资料质量观测质量指标包括连续率、完整率、M2波潮汐因子中误差等。为科学合理地评价蓟县地震台2套重力仪观测资料的质量，选取2018—2019年蓟县地震台GS-15、DZW重力仪观测数据，统计数据连续率、完整率、M2波潮汐因子中误差等进行检验。
2.1 一般性评价统计2018—2019年蓟县地震台GS-15、DZW重力仪观测数据的连续率、完整率，结果见表 1。
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表 1 蓟县台重力仪观测数据连续率、完整率（单位：%） Table 1 Statistics of continuous rate and complete rate of observation data of two sets of gravimeters at Jixian Station |
由表 1可见，2018年DZW重力仪数据连续率、完整率均低于GS-15重力仪，调取日志检查发现，DZW重力仪所在山洞因电源不稳，出现3次重力仪停电事件，而且多次进洞检修UPS不间断电源线路，进洞干扰较多。2019年GS-15重力仪的完整率低于DZW重力仪，这主要因为GS-15重力仪遭到1次雷击，检修仪器造成长时间缺数。
2.2 内在质量评价 2.2.1 M2波潮汐因子分析蓟县地震台2套重力仪2018—2019年重力整点值观测数据M2波潮汐因子变化，利用EIS2000地震前兆信息系统（蒋骏等，2000），采用2日（48 h）调和分析，结果见图 1。由图 1可见，DZW重力仪M2波潮汐因子约为1.14，较平稳；GS-15重力仪为1.15—1.19，变化幅度为0.04，属正常变化幅度范围。
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图 2 2018—2019年蓟县地震台重力仪观测数据M2波潮汐因子（整点值） Fig.2 The M2 wave tide factor of the observation data of two sets of gravimeters at Jixian Station from the year of 2018 to 2019 (the whole point value) |
M2波潮汐因子相对中误差是衡量重力观测资料精度的一项重要指标。其定义为M2波潮汐因子与其中误差的比值，消除了潮汐因子对观测精度的影响（范文华等，2020）。
对2018—2019年蓟县地震台2套重力仪整点值观测数据进行调和分析，得到M2波潮汐因子相对中误差，结果见表 2。按照《地震及前兆数字观测技术规范》（中国地震局，2001）的要求，M2波潮汐因子相对中误差需小于0.02，测值越小，观测精度越高。由表 2可见，蓟县地震台2套重力仪观测数据质量较好，观测精度较高。
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表 2 蓟县地震台重力仪观测数据M2波潮汐因子相对中误差 Table 2 Statistics of the relative median error of the M2 wave tide factor of the two sets of gravimeters at Jixian Station |
地下水变化与降雨是影响重力观测的重要因素之一。近年来，有关水文变化对连续重力观测影响的研究已经从经验性转变为利用物理模型（Tanaka，2010；佘雅文等，2015）。对蓟县地震台2套重力仪观测数据进行处理，包括去固体潮、零漂、气压校正等，得到主要与水文变化相关的重力残差。图 3为2018—2019年2套重力仪预处理数据、辅助观测值、残差时间序列。其中，图 3（a）为仪器观测到的原始重力加速度数据，经过中国地震前兆台网数据处理系统对数据中的尖峰、突跳、阶跃等干扰信号进行手工修正，通过已处理好的分钟值数据得到小时值数据；图 3（b）为理论固体潮数据；图 3（c）为台站实际观测到的气压值，去除2套仪器的大气负荷效应时采用的是大气重力导纳值法，即采用线性模拟扣除大气负荷的影响（马险等，2017），取一般大气导纳值-0.3μGal/hPa；图 3（d）为理论固体潮改正之后的重力加速度残差；图 3（e）为去漂移的零漂模型；图 3（f）为去掉零漂之后的重力加速度残差数据序列；图 3（g）为去九阶多项式模型；图 3（h）为去九阶多项式和气压校正之后的重力加速度残差序列。
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图 3 DZW、GS-15重力仪各项改正流程
（a）原始观测资料；（b）理论固体潮；（c）台站实测气压；（d）去固体潮之后重力残差；（e）一阶零漂模型；（f）去零漂之后残差；（g）去九阶多项式模型；（h）去九阶多项式和气压校正之后重力残差 采样率：h Fig.3 The correction flow of the gravimeter (sampling rate: h) |
由图 3（d）可见，2套仪器去固体潮之后的重力加速度残差总体变化趋势一致，但去掉一阶零漂之后，重力加速度残差变化不一致。由图 3（h）可见，GS-15重力仪比DZW重力仪重力加速度残差变化平缓，且无周期性变化。由于2套仪器外部环境相同，所以差异来源于仪器本身。台站人员多次检修DZW重力仪，发现仪器电路部分存在问题，故数据变化较大。鉴于此，有关水文活动引起重力加速度残差变化的讨论仅涉及GS-15重力仪。
3.1 降雨造成的重力加速度变化GS-15重力仪小时值数据经过固体潮改正、气压改正、一阶零漂改正之后的重力加速度残差，即最终残差的主要成分为水文变化所引起的重力响应。图 4为2018—2019年GS-15重力仪重力加速度最终残差与降水量。由图 4可见，重力加速度残差与降水间存在较好的对应关系。
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图 4 GS-15重力仪重力残差与降水量 Fig.4 Comparison of GS-15 gravity residual and precipitation |
图 5（a）、5（b）、5（c）分别为2018年4月1日至5月7日、2018年6月13—19日、2018年6月26日至7月27日GS-15重力仪重力加速度残差与降水量。由图 5可见，大部分情况下重力加速度与降水量间满足降水时重力减小，降水后重力变大的规律。产生这一现象的原因主要是重力观测室位于山的南坡山麓，海拔较低，当降水开始时，雨水覆盖到地表，在山上的雨水对重力仪产生引力倾斜向上，与重力仪处于同一高度的雨水对重力仪的引力相互抵消，这时重力加速度值减小。当降水结束后，高处的雨水会流向低处，逐渐渗透到低于重力仪的地层中，此时重力仪受到下部含水层引力的影响，重力加速度值变大。Naujoks等（2010）使用超导重力仪，佘雅文等（2015）使用gPhone重力仪也观测到了类似现象。
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图 5 2018年GS-15重力仪重力残差与降水量 （a）4月1日至5月7日；（b）6月13—19日；（c）6月26日至7月27日 Fig.5 Time series of GS-15 gravity residual and precipitation |
图 6为GS-15重力仪的重力加速度最终残差与蓟县地震台、桑梓地震台静水位。GS-15重力仪距蓟县地震台水位仪约100 m，距桑梓地震台水位仪约37 km。由图（6）可见，连续重力观测加速度残差曲线与桑梓地震台静水位间存在较好的相关性，水位上升时重力加速度增大，水位下降时重力加速度减小。产生这一现象的原因主要是地下水位上升时地下水体质量增加，由地下水体产生的向下引力增大，从而导致重力观测值增大；反之，则重力观测值减小。由图 6可见，重力加速度变化与静水位间存在7天左右的延迟对应关系，这可能是地下水流动造成的。由于地下结构较复杂，地下水活动受地下水流动、断层阻碍等较多地质环境的影响，这都会造成水文活动对重力变化影响的延迟（Dehant，1987；Naujoks et al，2010；佘雅文等，2015）。
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图 6 GS-15重力仪重力加速度残差与静水位 （a）桑梓地震台；（b）蓟县地震台 Fig.6 Time series of residual of acceleration gravity of GS-15 and static water level |
图 7为GS-15重力仪重力加速度最终残差与于桥水库水位（采样率为d）。由图 7可见，连续重力观测加速度残差曲线与水库水位间存在较好的相关性，水库水位上升时重力加速度增大，水库水位下降时重力减小。产生这一现象的原因主要是水库水位上升时，地下水体质量增加，由地下水体产生的向下引力增大，从而导致重力观测值增大；反之，则重力观测值减小。且重力加速度与水库水位间也存在6天左右的延迟对应关系。
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图 7 GS-15重力仪重力加速度残差与于桥水库静水位 Fig.7 Time series of residual of acceleration gravity of GS-15 and static water level of Yuqiao reservoir |
对2018—2019年蓟县地震台2套相对重力仪观测数据进行潮汐分析和提取非潮汐重力加速度残差处理，研究水文变化所引起的重力响应。结果表明：①蓟县地震台2套重力仪的观测精度较高；②DZW重力仪仪器运行时间较短，仪器运行不稳，而且仪器多次受电源故障影响，数据残差变化较大；③GS-15重力仪重力加速度残差与降水量间存在较好的对应关系，大多数情况下满足降雨时重力减少、降雨结束后重力增大的规律；④GS-15重力仪重力加速度残差与地下静水位、于桥水库水位间均存在较好的相关性，水位上升时重力增大，水位下降时重力减小，但都存在延迟对应关系，且相距越远台站（如桑梓地震台）的地下静水位与蓟县地震台GS-15重力仪重力加速度残差间相关性越好。
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