2022, Vol. 43
2) 中国郑州 450000 河南省地震局
2) Henna Earthquake Agency, Zhengzhou 450000, China
有效的重力观测数据不仅可以为地球动力学研究、台站选址、仪器校正、流动重力测量等提供科学真实的数据支撑（孙和平等，2002），还可监测研究区域固体潮信号，检测地震频段内同震响应能力。虽然观测墩会对仪器记录数据产生一定影响，但在200—600 s频段，噪声水平影响较小（Banka et al, 1999）。根据Banka等（1999）提出的测点环境背景噪声水平评价方法，计算200—600 s频段数据的平均功率谱密度（power spectral density，简称PSD）及地震频段等级（seismic noise magnitude，简称SNM），可用以评定重力观测场地的地震噪声水平。重力观测的相关研究有：江颖等（2016）对SG型超导重力仪背景噪声进行分析，认为气压改正和潮汐改正可有效改善该类型重力仪在地震频段和亚地震频段的背景噪声水平；龚立卓等（2019）分析了GS-15型、gPhone型、PET型和CG-5型重力仪观测数据，认为不同型号重力仪对环境噪声的敏感性存在一定差异；韦进等（2020a）利用连续重力观测数据分析潮汐观测精度，认为观测环境和场地干扰及观测系统老化等不稳定因素会导致观测潮汐模型的精度下降；韦进等（2020b）利用福州gPhone重力仪观测记录，在背景噪声中检测到杜鹃台风激发的第二类脉动信号。
学者们通常计算年尺度地震频段噪声等级SNM值，涉及多年SNM值或短时间尺度范围内SNM值变化的研究较少。Niebauer（2007）在基于地震噪声等级评定的基础上提出一种结合仪器漂移的重力观测精度评定方法，本文综合考虑观测环境背景噪声和观测仪器自身性能，分别对数年长尺度及短尺度观测环境噪声变化和重力仪观测精度进行综合评定。基于此，文中选取郑州地震监测中心站（以下简称郑州站）2009—2019年连续多年重力观测数据，结合地震频段精度，以1年和1月为周期，分别计算地震频段背景噪声水平，分析郑州站周边高速公路通车、县道建设等人文活动对该区域重力观测环境的影响，以探索一种高效的结合仪器性能的背景噪声判定方法。
1 台站概况郑州站隶属于河南省地震局，地处郑州市西南17.5 km处候寨乡西胡垌村北。在地质构造上位于秦岭东西复杂构造带北缘偏东华北沉降带开封中坳和嵩（山）萁（山）中台隆起的交界部位。台基为第三纪灰岩，地表黄土埋深30 m，台站位置见图 1。
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图 1 郑州地震监测中心站位置示意 Fig.1 Locationof the Zhengzhou Seismic Monitoring Center Station |
郑州站由原中华人民共和国地质部第一物探大队（现中国地震局地球物理勘探中心）1970年筹建，1971年投入观测，1972年开展重力观测，仪器设备为联邦德国的阿斯卡尼亚（ASKANIA）GS-15型相对重力仪，后因“十五”改造，该仪器停测，2008年9月更换为美国PET相对重力仪。郑州站硬件设施齐全，配有UPS辅助电源，采用光纤网络传输，重力观测数据连续率达99.9%，数据连续率和完整率较高。
2 数据预处理及指标参数 2.1 数据预处理重力观测数据包含固体潮汐成分及气压干扰数据，利用插值法补齐短期间断数据，修正突跳、阶跃等异常数据。采用Tsoft软件去除理论潮汐值，取-0.3 µGal/mbar的大气重力导纳值扣除气压影响（Banka et al, 1999），减去九阶拟合多项式数据，可对仪器漂移进行改正，同时去除潮汐理论值，得到“纯粹”的重力残差数据。以郑州站2018年2月15日重力观测数据为例，给出数据预处理曲线，结果见图 2。
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图 2 郑州地震监测中心站重力仪2018年2月15日预处理数据 (a) 全天重力原始数据；(b) 理论潮汐值；(c) 气压影响；(d) 去除潮汐和气压改正并去除9阶拟合后的重力残差 Fig.2 The gravity observation at the Zhengzhou Seismic Monitoring Center Stationon Feb. 15, 2018 |
重力观测数据经预处理后得到重力残差数据值，选取一年中重力残差均方根值（RMS）最小的5 d作为本年度最平静天数，将当日数据进行傅里叶分析，得到每日振幅谱及平均功率谱密度（PSD），并计算得到地震频段噪声等级SNM值。
根据Banke等（1999）的定义，SNM表示为
| $ {\rm{SNM}} = 1{\rm{g}}({\rm{meanPSD}}) + 2.5 $ | (1) |
式中，meanPSD表示在200—600 s频段的平均功率谱密度，单位（m/s2）2/Hz。
根据Niebauer（2007）、Crossley等（2013）提出的地震频段观测精度PL，公式如下
| $ {P_{\rm{L}}} = \sqrt {\frac{{{\rm{PSD}}}}{{{T_{{\rm{obs }}}}}}} $ | (2) |
| $ {T_{{\rm{obs}}}} = \sqrt[3]{{{{\left({\frac{{\sqrt {{\rm{PSD}}} }}{d}} \right)}^2}}} $ | (3) |
式中，d为仪器漂移率相关参数，Tobs是与仪器漂移率d和功率谱密度（PSD）相关参数。由式（2）—（3）可知，综合了观测环境和仪器性能参数，地震频段的PSD值不仅影响SNM值，还对PL有一定影响，PSD越小，SNM值越小，观测数据可靠性越高。
3 背景噪声分析 3.1 长期重力观测数据SNM值以郑州站2018年2月14日重力观测数据为例，对比分析原始数据与预处理数据PSD曲线变化，结果见图 3，可见气压修正和潮汐改正在亚地震频段和潮汐频段（低频部分）对数据造成的影响较大，而对地震频段（200—600 s）数据影响较小，表明在对亚地震频段（1—6 h）和潮汐频段（周期T＞6 h）重力数据进行背景噪声分析时，有必要对原始数据进行潮汐、气压等修正。以郑州站2018年5 d最平静数据为例，分析PSD及其平均值在不同频段的变化，发现在亚地震频段（1—6 h）和潮汐频段（周期T＞6 h）的部分频段中，二者略低于全球新低噪声模型（NLNM），在地震频段（200—600 s）则高于NLNM，结果见图 4。
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图 3 2018年2月14日重力观测原始数据与预处理数据PSD对比曲线 Fig.3 Thecomparison PSD curves of raw gravity observation data and preprocessed data on Feb.14, 2018 |
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图 4 郑州地震监测中心站PET重力仪2018年5 d最平静数据PSD值及其平均PSD值 Fig.4 The PSD curves ofthe quietestgravitydata in 5 days and the mean data observed by the PET gravimeter atthe Zhengzhou Seismic Monitoring Center Station in 2018 |
选取郑州站PET重力仪2009—2019年连续重力观测数据，分析该中心站连续11年的背景噪声水平，结果见表 1。由表 1可知，该中心站背景噪声等级SNM值在（3.107—3.268）×10-16（m·s-2）2/Hz，最大值和最小值仅相差0.161×10-16（m·s-2）2/Hz，变化幅度较小，观测环境相对稳定；地震频段观测精度PL值在（0.130—0.278）×10-8（m·s-2）·（Hz·s）-1/3。由式（1）—（3）可知，SNM值随着平均功率谱密度PSD的增大而增大，而PL值则与观测环境及仪器性能有关，二者共同制约着PET重力仪在地震频段的观测精度。表 2为Crossley等（2013）给出的部分国际常规型号弹簧重力仪的地震频段噪声等级及观测精度估值，将郑州站PET型重力仪性能与之对比，可见4个型号的重力仪SNM值及PL值对比结果如下：gPhone-1＜PET＜CG-5＜gPhone-2，可见gPhone-1型弹簧重力仪性能更加稳定，PET重力仪数据漂移相对较大。
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表 1 郑州站2009—2019年PET重力仪数据背景噪声水平 Table 1 TheBackground noise level of PET gravimeter dataatthe Zhengzhou Seismic Monitoring Center Stationfrom 2009 to 2019 |
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表 2 部分国际常规弹簧重力仪观测精度估算（Crossley et al, 2013） Table 2 Estimates of observation precisionfor spring-type gravimeters (Crossley et al, 2013) |
选取郑州站2009—2019年每月重力观测数据RMS值最小的1天作为本月平静日。计算每月SNM值，结果见图 5，可见：①SNM较小值多集中在每年2月，与其他月份相比，该月重力观测数据潮汐曲线毛刺、突跳等干扰明显较少。据统计，每年最平静日多集中在农历春节前后，基本对应每年2月；②2009—2011年SNM月均值相对较小，2012—2019年月均值总体偏高。据调查，2011年底台站周边郑州绕城高速公路、县道建成通车，台站周边厂房建成投入使用，郑州市三、四环之间拆迁建设等人文活动日益增加，对重力测值产生干扰，SNM月均值偏高。
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图 5 郑州地震监测中心站2009—2019年度重力数据月SNM值 Fig.5 The monthly SNM valuesatthe Zhengzhou Seismic Monitoring Center Station from 2009 to 2019 |
在对连续多年重力观测数据进行分析处理过程中，发现干扰较多1天与相对平静1天的重力数据残差结果差别较大。如图 6所示，选取2018年数据受干扰较多的1月26日和相对平静的2月16日重力观测数据进行残差对比。
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图 6 2018年数据干扰较多与相对平静日重力观测数据及残差对比 (a) 原始数据；(b) 数据残差 Fig.6 Comparison of gravity observation data and residual errors between a day with more interference and a calm day in 2018 |
由图 6可见：1月26日数据残差最大值为11.65，最小值为-13.78，二者相差25.48，而2月16日数据残差最大值为2.69，最小值为-3.01，二者相差5.7，可见郑州站周边人文活动对重力观测数据SNM月值影响较大。在计算每月短期重力观测数据的SNM值时，应尽量避免采用干扰较大数据，但因数据选择范围有限，部分干扰相对较小的数据仍不可避免地被选用，故每月SNM值比每年SNM值总体偏大。
4 结论自2009年以来，郑州地震监测中心站周边高速公路、县道铺设、城市拆迁、厂房建设等系列人文活动，对重力测值产生干扰，选取每年5天最平静数据计算地震频段噪声等级SNM值，发现干扰对地震频段噪声计算结果影响不大，结论和讨论如下：
（1）郑州PET重力仪2009—2019年观测数据地震频段噪声等级SNM值在（3.107—3.268）×10-16（m·s-2）2/Hz，PL值在（0.130—0.278）×10-8（m·s-2）·（Hz·s）-1/3。郑州站重力观测日常数据部分时段存在毛刺、突跳等干扰现象，但由国际通用地震频段噪声计算方法可知，重力观测数据精度和部分国际常规弹簧重力仪观测精度估算值相差不大。与gPhone-1型相比，PET重力仪观测数据略有漂移，表明观测环境和仪器性能共同制约着地震频段观测数据精度。
（2）在月SNM值分析中，农历春节期间该值相对较小，说明周边人文活动对地震频段噪声等级会产生一定影响，计算每月SNM值时数据选取范围较小，仅限当月，致计算结果起伏较大。2009—2011年每月SNM值总体偏小，2012年以来月SNM值逐渐增大，与郑州站周边人文活动增加有关：中心站周边城中村拆迁，绕城高速车流量加大，厂房建设以及大型渣土车不间断作业等因素，使得重力观测数据出现不定时突跳、毛刺等现象。如2018年数据受干扰较多的1月26日和相对平静的2月16日，SNM值分别为4.36×10-16（m·s-2）2/Hz、3.34×10-16（m·s-2）2/Hz，二者相差1.02×10-16（m·s-2）2/Hz，可见干扰对SNM值产生影响。国际通用选取年度最平静5日数据计算年地震频段噪声，选取范围较大，故年度SNM值起伏不大，而月SNM值由于选取范围较小，受到较大影响，表现为月SNM值起伏较大。气压、潮汐等因素对地震频段噪声影响较小，对亚地震频段和潮汐频段低频部分数据影响较大，因此在分析亚地震频段和潮汐频段重力数据时，需要排除这些因素的影响。
中国地震局武汉地球观测研究所韦进副研究员提供了相关计算软件，在此表示感谢。
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