地震活動性監(jiān)測對絕對重力測量精度分析

盧紅婭 吳 瓊 滕云田 尹晶飛

1）中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2）中國杭州310013 浙江省地震局

0 引言

地震的發(fā)生會導(dǎo)致震中一定區(qū)域范圍內(nèi)地下物質(zhì)的分布狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致該區(qū)域重力值發(fā)生變化。研究這種區(qū)域性地震重力變化，能加深我們對地震發(fā)生規(guī)律與地震發(fā)生前后地下物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的認(rèn)識。重力監(jiān)測作為一種地震預(yù)報輔助手段，近年已有大量研究資料，綜合精密的重力儀器監(jiān)測與合理的儀器組網(wǎng)技術(shù)，可以監(jiān)測這種源自地震的細(xì)微重力變化（申重陽等，2009；Yoshiyki Tanaka et al，2010）。

高精度絕對重力測量在地震監(jiān)測中主要發(fā)揮以下作用：①通過多點復(fù)測確定區(qū)域重力場變化，與流動相對重力測量相比，測量效率高，測量精度高，容易實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域地下重力場變化，為地震預(yù)報提供高精度數(shù)據(jù)資料（張為民等，2008）；②利用高精度絕對重力儀器完成長基線定期復(fù)測，以完成對相對重力儀的格值和零漂的標(biāo)定和修正，提高由相對重力儀構(gòu)建的重力監(jiān)測臺網(wǎng)對地震的監(jiān)測能力（游澤霖，1984；吳雪芳，1995；王林松，2012）；③高精度絕對重力測量數(shù)據(jù)還可以用于衛(wèi)星重力測量數(shù)據(jù)的誤差標(biāo)定，提高衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)對大時空跨度地震活動性的監(jiān)測能力（刑樂林等，2010；Sun W，2010；Stephen H，2012）。

如今，絕對重力不斷拓寬的應(yīng)用范圍與不斷提升的性能要求，使絕對重力儀的研發(fā)成為一項重要的國際攻關(guān)項目。美國LaCoste公司生產(chǎn)的FG-5及FG-5X絕對重力儀系統(tǒng)偏差（即絕對精度）為 2μGal（國際單位制下，1μGal=10-8m/s2），準(zhǔn)確度為 60μGal，即精度3.75 min，優(yōu)于1μGal；適用于野外測量的A-10型絕對重力儀測量系統(tǒng)偏差為10μGal（Fukuda Y et al，2010）。FG-5和A-10絕對重力儀應(yīng)用廣泛，系統(tǒng)偏差和準(zhǔn)確度經(jīng)過不同測量環(huán)境的考驗（Sasagawa G et al，1995；Xing L et al，2009），是目前市場化程度較好的絕對重力測量設(shè)備。還有很多國家的研究團(tuán)體致力于不同測量和控制原理的絕對重力儀研發(fā)。德國的MPG-2型絕對重力儀系統(tǒng)偏差為38.8μGal（Agostino et al， 2008），中國的NIM-Ⅱ型絕對重力儀系統(tǒng)偏差優(yōu)于10μGal（郭有光等，1998），也是目前性能較好的兩種絕對重力儀。

近年來我國多家機(jī)構(gòu)專注于自主研發(fā)絕對重力儀。中國計量科學(xué)研究院研發(fā)的NIM-Ⅳ型絕對重力儀致力于高精度、小型和移動性；清華大學(xué)T-1型絕對重力儀在背景噪聲較小的類基巖測點12小時內(nèi)重力測值標(biāo)準(zhǔn)差可優(yōu)于1μGal，測量結(jié)果復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于3μGal（胡華，2012）；中國地震局地球物理研究所在2013年研制的新型激光干涉絕對重力儀，在背景噪聲較小的基巖點，實現(xiàn)了系統(tǒng)偏差（－27.46—－30.59）±3.06μGal、2小時精度優(yōu)于10μGal的測量（滕云田等，2013）。基于不同測量原理的絕對重力儀設(shè)計，可為確定絕對重力儀器自身測量系統(tǒng)偏差和不確定度起到重要作用；在地震領(lǐng)域，可在確定數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量和落實數(shù)據(jù)異常等方面起到積極作用。

本文從近年來地震重力資料出發(fā)，討論利用絕對重力測量數(shù)據(jù)觀測不同震級、震中距、時間跨度的重力變化規(guī)律，通過統(tǒng)計重力與地下活動性相關(guān)的研究資料，討論高精度絕對重力儀的不同應(yīng)用重點，給出基于實際應(yīng)用的適配的絕對重力儀精度要求，為自主研發(fā)絕對重力儀在地震監(jiān)測中的適用精度提供參考。

1 與地下活動相關(guān)的重力觀測資料

1.1 重力測量異常與數(shù)次大地震的對應(yīng)關(guān)系

搜集1996年以來MS> 6.0地震重力資料帶來的μGal級重力數(shù)據(jù)變化，見表1。給出了9次MS> 6.0大地震基本信息以及震中距不同的儀器記錄的同震重力效應(yīng)，表中數(shù)據(jù)均為根據(jù)儀器測量精度排除潮汐、誤差后的結(jié)果。數(shù)據(jù)的時間跨度長短不同，但均是以地震發(fā)生時間為中點，震后與震前的觀測數(shù)據(jù)比較所得的重力變化值，其數(shù)值精確到0.5μGal。測量儀器中，F(xiàn)G-5系統(tǒng)偏差為1—2μGal；LCR為10μGal；LacosteET-20提供連續(xù)重力記錄，精度在10μGal左右；超導(dǎo)重力儀是精度（約0.1μGal）最高的重力儀。

1.2 基于重力與地下活動關(guān)系研究的數(shù)據(jù)資料

（1）1975年2月4日遼寧海城7.3級地震前后，在震中以西不遠(yuǎn)處一條剖面上進(jìn)行重力測量，剖面上兩個測點重力差的測量均方誤差小于40μGal，一年間隔內(nèi)重力差值最大達(dá)352μGal（陳運泰等，1980）。

（2）通過重力經(jīng)典平差處理，得到了1989年10月大同—陽高地震前后華北地區(qū)形變場資料，對形變特征的分析證實山西中南部地區(qū)重力趨勢異常（謝覺民，1996）。

（3） 1995年10月6日古冶5.0級地震中，通過精度在60μGal以內(nèi)的相對重力臺網(wǎng)觀測，經(jīng)過形變、系統(tǒng)差等各項改正后找到明顯的地震前兆反映（賈民育等，2006）。

（4） 2011年3月11日日本海域9.0級地震前后7天，位于湖北武漢的超導(dǎo)重力儀觀測到了最大為5 mGal的重力異常（王林松等，2012）。

（5）觀測到鄂西渝東塊重力異常值的100 mGal量級變化，據(jù)此推斷地質(zhì)構(gòu)造變化（楊振武，2003）。

（6）西藏拉薩點在1995—2004年FG-5重復(fù)觀測結(jié)果給出絕對重力值以-1.82±0.9μGal/a的速率下降，計算轉(zhuǎn)換得拉薩點該階段的隆升速率為8.7 mm/a（王勇等，2004）。

表1 地震信息與同震重力變化值的統(tǒng)計對應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relationships between the earthquake and its coseismic gravity change

圖1 地震信息與重力長期變化值的對應(yīng)關(guān)系Fig.1 The corresponding relationships between theearthquake and its coseismic gravity change

2 資料分析

本文的研究重點在于重力資料是否能滿足地震觀測所需精度?；诒?，可將問題轉(zhuǎn)化為考察微伽級精度資料是否能反映震級、震中距、時間跨度與重力擾動的普適性關(guān)系。

由表1作出震級與重力擾動分布圖，見圖1。由圖可見，若不考慮時間跨度和震中距的差別，對于近震，最長時間跨度為3年，9個MS6.0—9.0地震均產(chǎn)生（1—15）μGal的重力變化。但此時數(shù)據(jù)未顯示線性特征，即地震活動性引起的重力場變化不僅僅與震級相關(guān)。

將時間跨度、震級限定在一定范圍內(nèi)，考察震中距與最大重力擾動關(guān)系，見圖2。圖2（a）中，因時間與震級跨度小，震中距與最大擾動值顯示出明顯的線性特征；而圖2（b）因時間與震級的跨度均較大，線性特征不明顯，但依然表現(xiàn)出隨震中距增大、最大擾動值減小的特征?？梢姡鹬芯嗯c重力擾動呈負(fù)相關(guān)規(guī)律，與實際相符。

圖3是根據(jù)GRACE衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)，將區(qū)域尺度限定在100 km內(nèi)，震級在8.7—9.0內(nèi)，資料提供的5個數(shù)據(jù)（有不同地震兩點重合的情況）顯示出隨時間跨度增大、最大擾動增大的特征（無論是否線性），與實際結(jié)果相符。

圖2 震中距與最大擾動關(guān)系（a）時間跨度1年內(nèi)7—8級地震；（b） 時間跨度2天至2個月6.1—9.0級地震Fig.2 The corresponding relationships between the distance and its coseismic gravity change

根據(jù)分析，精度在1μGal以內(nèi)的重力數(shù)據(jù)足以反映6級以上地震近震造成的變化規(guī)律。反映在絕對重力儀的要求上，直接觀測中，儀器需達(dá)到FG-5的精度時數(shù)據(jù)才有價值；若要通過控制相對重力值來提供這類觀測數(shù)據(jù)，絕對重力儀也應(yīng)至少保持（3—5）μGal精度。

此外，根據(jù)標(biāo)題1.2統(tǒng)計資料給出的研究方向，除直接觀測重力與地震的關(guān)系外，精度大于微伽級的數(shù)據(jù)資料也有其地下活動性方面的研究價值。百微伽級精度的重力數(shù)據(jù)能為以下情況提供有意義的數(shù)據(jù)資料：①極遠(yuǎn)距離大震或地方震同震重力變化；②以年為單位的重力場長期變化。毫伽精度重力數(shù)據(jù)能為以下情況提供有意義的數(shù)據(jù)資料：③遠(yuǎn)距離大震在數(shù)天內(nèi)的同震重力變化；④重力場長期緩慢變化，聯(lián)系到地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征變化。此外，根據(jù)微伽級精度數(shù)據(jù)能得到以毫米為單位的板塊運動年平均速度。

因為重力資料在地震監(jiān)測中的局限性及測量難度所限，在研究中并未得到大量同類震例。由于數(shù)據(jù)量及不同地震特殊性的限制，分析結(jié)果僅作為統(tǒng)計參考，地震觀測中重力儀精度可以參考本文建議。

圖3 GRACE重力數(shù)據(jù)記錄的時間跨度與最大擾動關(guān)系Fig.3 The corresponding relationships between the time span and its coseismic gravity change recorded by GRACE data

3 結(jié)論

綜上所述，不同測量精度的重力數(shù)據(jù)可為不同地震的相關(guān)研究提供有意義的研究資料。

（1）MS> 6.0的近震（震中距在1 000 km以內(nèi)）在一年以內(nèi)引起的同震重力變化約在15μGal以內(nèi)，因震中距、時間跨度的變化而有所增減。這樣的變化可以通過微伽級重力觀測技術(shù)監(jiān)測。直接觀測的絕對重力儀需達(dá)到微伽量級精度，而間接觀測的絕對重力儀精度最低在（3—5）μGal。

（2）大震遠(yuǎn)震在數(shù)天內(nèi)或記錄地方震時，重力場變化可達(dá)百微伽量級。

（3）拉長時間跨度，同震重力變化會增大。儀器的震中距在大約100 km以內(nèi)時，以年為單位的重力變化?？蛇_(dá)百微伽乃至毫伽量級，資料可用于研究重力場中長期變化。進(jìn)一步拉長時間跨度，會產(chǎn)生毫伽量級的重力變化，此時可通過研究重力場長期緩慢變化來探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征變化。

（4）以mm/a為單位的板塊運動速度的計算要求重力記錄精度在（1—2）μGal。且常使用直接的絕對重力儀觀測值，目前只有FG-5能滿足要求。

在中國，絕對重力儀仍未普及，造成相對重力監(jiān)測常無法提供足夠精確的地震資料。目前大部分重力儀精度水平能準(zhǔn)確提供（2）與（3）所述資料，但少有儀器能滿足（1）與（4）的觀測精度要求，而后兩者正是地震重力和板塊運動研究的重要指標(biāo)。微伽級精度絕對重力儀的研發(fā)和合理的儀器布設(shè)，仍然是重力觀測中不可忽視的問題。

陳運泰， 顧浩鼎， 盧造勛. 1975年海城地震與1976年唐山地震前后的重力變化[J]. 地震學(xué)報， 1980， 2（1）： 21-30.

郭有光，黃大倫，方永源，等.中國NIM型絕對重力儀及國際絕對重力儀比對[J]. 現(xiàn)代計量測試，1998，6：12-16.

胡華， 伍康， 申磊， 等. 新型高精度絕對重力儀 [J]. 物理學(xué)報， 2012， 61（9）：099101-1-8.

賈民育， 馬麗， 劉少明， 等. 首都圈地區(qū)地震重力測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理與分析 [J]. 地震學(xué)報， 2006， 28（4）： 408-416.

申重陽，李輝，孫少安，等. 重力場動態(tài)變化與汶川Ms8.0地震孕育過程[J]. 地球物理學(xué)報，2009，52（10）：2 547-2 557.

滕云田， 吳瓊， 郭有光， 等. 基于激光干涉的新型高精度絕對重力儀[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2013，28（4）：2141-2147.

王林松， 陳超， 杜勁松， 王同慶. A10-022絕對重力儀在廬山短基線的測量試驗與分析[J]. 測繪學(xué)報， 2012， 41（3）：347-365.

王林松， 陳超， 梁青， 王秋革. 東日本大地震重力信號同震響應(yīng) [J]. 武漢大學(xué)報， 2012， 37（11）： 1 348-1 351.

王勇， 張為民， 詹金剛， 等. 重復(fù)絕對重力測量觀測的滇西地區(qū)和拉薩點的重力變化及其意義[J]. 地球物理學(xué)報， 2004， 47（1）：95-100.

吳雪芳，等.全國重力聯(lián)網(wǎng)和精度評定[J].中國地震， 1995， 11（1）.

謝覺民. 大同陽高地震前后華北地區(qū)形變場動態(tài)及其演化[J]. 山西地震， 1996， 1（84）： 1-6.

邢樂林， 李輝， 周新， 鄒正波. GRACE衛(wèi)星重力觀測在強(qiáng)震監(jiān)測中的應(yīng)用及分析[J]. 大地測量與地球動力學(xué)， 2010， 30（4）：51-54.

楊振武. 鄂西殘留盆地綜合地球物理應(yīng)用研究[J]. 江漢石油學(xué)院學(xué)報， 2003， 25（1）： 59-61.

游澤霖， 徐菊生. 精密絕對重力測量在地震研究中的應(yīng)用[J].地殼形變與地震， 1984， 4（4）：410-414.

張為民， 王勇， 周旭華.我國絕對重力觀測技術(shù)應(yīng)用研究與展望[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展，2008，23（1）：69-72.

Agostino G， Desogus S， Germak A， Origlia C， Quagliotti D et al. The new IMGC-02 transportable absolute gravimeter：measurement apparatus and applications in geophysics and volcanology[J]. Annals of Geophysics， 2008， 51：39-49.

Fukuda Y， Nishijima J， Taniguchi， M. Precision， repeatability and accuracy of A10 absolute gravimeter[C]. American Geophysical Union， fall meeting，2010.

Sasagawa G， Hilt R， Klopping F et al. Introcomparison tests of the FG5 absolute gravity meters[J]. Geophysical Research Letters，1995， 22： 461-464.

Steffen H， Wu P， Wang H. Optimal locations for absolute gravity measurements and sensitivity of GRACE observations for constraining glacial isostatic adjustment on the northern hemisphere[J]. Geophysical Journal International， 2012， 190：1 483-1 494.

Sun W， Wang Q， Li H， Wang Y et al. A reinvestigation of crustal thickness in the Tibetan Plateau using absolute gravity， GPS and GRACE data[J]. Terrestrial atmospheric and oceanic sciences， 2011， 22（2）：109.

Xing L， Li H， Li J et al. Comparison of absolute gravity measurements obtained with FG5/232and FG5/214 instruments[J]. Geospatial information science， 2009， 12（4）： 307-310.

Yoshiyki Tanaka， Aitaro Kato， Takayuki Sugano et al. Gravity changes observed between 2004 and 2009 near the Tokai slow-slip area and prospects for detecting fl uid fl ow during future slow-slip events[J]. Earth Planets Space， 2010， 62 ：905-913.