廬山重力短基線場(chǎng)初值測(cè)定

邢樂(lè)林　王林?！O少安　玄松柏　汪　健　談洪波

1　中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2　中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

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廬山重力短基線場(chǎng)初值測(cè)定

邢樂(lè)林1,2王林海1，2孫少安1,2玄松柏1,2汪健1,2談洪波1,2

1中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071 2中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

利用FG5絕對(duì)重力儀對(duì)廬山基線場(chǎng)的3個(gè)基點(diǎn)和九江地震臺(tái)的1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)定，使用7臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀對(duì)24個(gè)基點(diǎn)和1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行2個(gè)往返閉合測(cè)量?；诮^對(duì)重力控制解算的結(jié)果表明，基點(diǎn)點(diǎn)值精度均優(yōu)于±5.0 μGal，相鄰各段段差精度均優(yōu)于±3.0 μGal。該基線場(chǎng)初值測(cè)定方法是一種嶄新和現(xiàn)代的方法，具有科學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

基線場(chǎng)；標(biāo)定；絕對(duì)重力測(cè)量；相對(duì)重力測(cè)量

隨著絕對(duì)重力觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，絕對(duì)重力控制下的相對(duì)重力聯(lián)測(cè)解算為基線場(chǎng)的初值測(cè)定提供了一條嶄新的途徑。始建于1985年的廬山重力短基線場(chǎng)由24個(gè)基點(diǎn)沿廬山北山公路布設(shè)而成[1-3]，部分測(cè)點(diǎn)(1、2、7、10、13和21)目前已遭嚴(yán)重破壞，需進(jìn)行升級(jí)改造。2011年，中國(guó)地震局地震研究所聯(lián)合陜西省地礦局第二綜合物探大隊(duì)對(duì)其進(jìn)行踏勘和選埋。本文嘗試聯(lián)合FG5絕對(duì)重力儀與CG-5相對(duì)重力儀對(duì)廬山短基線場(chǎng)進(jìn)行初值測(cè)定。結(jié)果表明，基線場(chǎng)各基點(diǎn)點(diǎn)值精度均優(yōu)于±5.0 μGal。

1　測(cè)量概況

廬山短基線場(chǎng)位于九江市廬山風(fēng)景區(qū)，由24個(gè)基點(diǎn)和4個(gè)絕對(duì)點(diǎn)構(gòu)成，如圖1所示。廬山位于長(zhǎng)江南岸，東臨鄱陽(yáng)湖，廣布湖泊、河流、峰巒與坡地，地貌特征呈現(xiàn)多樣化，為斷塊結(jié)構(gòu)。

2015-01-07～12中國(guó)地震局地震研究所使用7臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀(SN:207、217、221、231、511、834和845)和1套FG5絕對(duì)重力儀(SN：232)對(duì)廬山短基線場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。其中4個(gè)絕對(duì)點(diǎn)(引點(diǎn)位于九江地震臺(tái)，其他3個(gè)位于基點(diǎn))利用FG5絕對(duì)重力儀進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)定，同時(shí)利用2臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀進(jìn)行重力垂直梯度測(cè)定，以便將絕對(duì)重力值歸算至地面，為相對(duì)重力聯(lián)測(cè)提供起算基準(zhǔn)；相對(duì)重力聯(lián)測(cè)則利用7臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀，對(duì)24個(gè)基點(diǎn)進(jìn)行2個(gè)往返閉合測(cè)量。

圖1　廬山基線場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布Fig.1　The distribution of the stations at Lushan gravimeter scale calibration field

2　數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

FG5絕對(duì)重力儀的標(biāo)稱精度優(yōu)于5 μGal，且不同儀器之間的較差為1～2 μGal，不存在明顯的系統(tǒng)偏差[4-5]。使用FG5絕對(duì)重力儀進(jìn)行4個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)重力測(cè)量，每次觀測(cè)至少25 h，每h測(cè)量1組，每組100次下落，每臺(tái)儀器在每個(gè)測(cè)站的有效落體數(shù)不少于2 400次，各組重力值標(biāo)準(zhǔn)差要求優(yōu)于±5 μGal。利用2臺(tái)CG-5相對(duì)重力儀進(jìn)行重力垂直梯度測(cè)量。為保證測(cè)量結(jié)果的精度，在每個(gè)測(cè)站上地面與130 cm高度處至少進(jìn)行5個(gè)高-低-高或低-高-低的往返閉合測(cè)量。

為了得到高精度的地面絕對(duì)重力值，利用g9絕對(duì)重力測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)加速度進(jìn)行改正，包括大氣壓力、極移、梯度歸算和潮汐等改正，結(jié)果見(jiàn)表1。

重力網(wǎng)平差中，絕對(duì)點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果以5.0 μGal精度定權(quán)；相對(duì)重力聯(lián)測(cè)由于各臺(tái)CG-5重力儀的性能和精度不一致，觀測(cè)值的權(quán)重按儀器觀測(cè)資料確定。對(duì)各臺(tái)儀器聯(lián)測(cè)觀測(cè)值的權(quán)以15.0 μGal精度定權(quán)，根據(jù)試算結(jié)果定出其后驗(yàn)中誤差mN0，以此精度重新定權(quán)作整體平差，進(jìn)行2～3次迭代后可獲得精度趨于穩(wěn)定的結(jié)果。平差后各基點(diǎn)重力值、段差及其精度見(jiàn)表2。

表1　絕對(duì)點(diǎn)重力值

表2　廬山基線場(chǎng)各測(cè)站重力值及相鄰測(cè)站間重力段差結(jié)果

3　結(jié)果比較與分析

3.1結(jié)果比較

由表2可見(jiàn),平差后24個(gè)基點(diǎn)的重力值精度均優(yōu)于±5.0 μGal，平均精度為±3.0 μGal；各測(cè)段段差精度均優(yōu)于±3.0 μGal，優(yōu)于設(shè)計(jì)精度±5.0 μGal。2000聯(lián)測(cè)與本次觀測(cè)結(jié)果的比較見(jiàn)表3和圖2。13個(gè)測(cè)段中，絕對(duì)值最大變化為40.0 μGal，最小為4.0 μGal，平均為18.8 μGal，其中10個(gè)測(cè)段的變化值均在±20.0 μGal范圍內(nèi)。盡管廬山短基線場(chǎng)地質(zhì)條件穩(wěn)定，但存在一定的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地球物理事件(如2005-11-26九江MS5.7地震)以及基點(diǎn)附近的地形、地物變化等，均會(huì)引起重力變化。

表3　廬山基線場(chǎng)相鄰測(cè)站間重力段差觀測(cè)結(jié)果的比較

圖2　廬山基線場(chǎng)相鄰測(cè)站間重力段差觀測(cè)結(jié)果的比較Fig.2　Comparison between observations of gravity differences at adjacent stations of Lushan gravimeter scale calibration field

3.2變化分析

地球系統(tǒng)質(zhì)量分布的時(shí)空變化會(huì)產(chǎn)生時(shí)變重力場(chǎng)，能夠反映各種地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程或地球物理事件，如構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)斷裂孕震過(guò)程、地球自轉(zhuǎn)變化、冰川均衡調(diào)整和氣候變化過(guò)程伴隨的地表質(zhì)量變化等。在歷次重力觀測(cè)數(shù)據(jù)處理中，都考慮了重力固體潮、大氣壓力、海潮負(fù)荷和極移等改正，故基線場(chǎng)基點(diǎn)重力點(diǎn)值變化主要受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、陸地水儲(chǔ)量等因素影響。2005-11-26基線場(chǎng)周邊發(fā)生5.7級(jí)地震，勢(shì)必會(huì)對(duì)該地區(qū)造成一定程度的永久性重力變化。但由于無(wú)位錯(cuò)模型，本文無(wú)法給出其具體影響量級(jí)及大小[6]。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)包括同震引起的重力變化影響會(huì)對(duì)基線場(chǎng)產(chǎn)生同步效應(yīng)，但地震對(duì)山體產(chǎn)生的影響，如塌方等會(huì)引起地物變遷并造成局部質(zhì)量再分布，會(huì)影響基點(diǎn)間的重力段差。

為模擬該區(qū)域物質(zhì)再分布引起的地表負(fù)荷重力效應(yīng)，依據(jù)經(jīng)典的表面負(fù)荷理論[7-8]，重力負(fù)荷函數(shù)和負(fù)荷質(zhì)量分布函數(shù)的全球卷積積分公式為：

(1)

式中，δg為負(fù)荷導(dǎo)致的地面測(cè)站(λ,θ)在t時(shí)刻的重力變化，S為整個(gè)地球表面，Gg(ψ)為重力負(fù)荷格林函數(shù)，P(λ′,θ′,t)為積分面元dS在t時(shí)刻的負(fù)荷壓力，(λ′,θ′)為積分面元的經(jīng)度和緯度。對(duì)陸地水儲(chǔ)量而言，負(fù)荷壓力P(λ′,θ′,t)為水密度與等效水高的乘積，即負(fù)荷面密度。

本文利用水文地球物理模型計(jì)算地表負(fù)荷重力變化。使用全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS)提供的Noah_0.25_M格網(wǎng)月數(shù)據(jù)(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/hydrology/data-holdings)，其融合了來(lái)自地面和衛(wèi)星的觀察數(shù)據(jù)，提供最優(yōu)化、近實(shí)時(shí)的地表狀態(tài)變量[9]。將GLDAS提供的0.25°×0.25°格網(wǎng)點(diǎn)處的積雪數(shù)據(jù)以及1～4層的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)綜合起來(lái)得到該處總的水儲(chǔ)存含量，然后扣除均值得到水儲(chǔ)量的變化值。地球表面質(zhì)量負(fù)荷引起的重力變化可以通過(guò)上述格林函數(shù)積分求得。

以基線場(chǎng)區(qū)域中心為計(jì)算點(diǎn)，計(jì)算自2009年以來(lái)的重力時(shí)間變化序列及年變率。由圖3可以看出，陸地水儲(chǔ)量引起的重力變化振幅為-5～5 μGal，年變率為-0.5 μGal/a?？梢?jiàn)，與氣候緊密相關(guān)的陸地水儲(chǔ)量變化，對(duì)重力場(chǎng)的季節(jié)變化、年變化以及長(zhǎng)期變化均有影響。地表垂直形變、基點(diǎn)附近山體和地物變遷等因素，也會(huì)對(duì)基線場(chǎng)基點(diǎn)重力值或相鄰點(diǎn)重力差值造成影響。值得說(shuō)明的是，廬山基線場(chǎng)由于廬山風(fēng)景區(qū)道路改造過(guò)程中部分基點(diǎn)完全遭到破壞，其他保存完好的2000聯(lián)測(cè)基點(diǎn)附近及周邊地物變遷也較為嚴(yán)重，直接影響了基點(diǎn)附近的質(zhì)量再分布以及局部環(huán)境。測(cè)段G8-G9和G14-G15的變化將近40 μGal，對(duì)于地質(zhì)條件穩(wěn)定的廬山基線場(chǎng)來(lái)講，這是由2013年道路施工改造和建設(shè)引起的地物變遷造成的。因此，本次重新標(biāo)定獲得基線場(chǎng)初值是十分必要的。

圖3　陸地水儲(chǔ)量引起的重力變化Fig.3　Gravity changes due to continental water storage

3.3效能評(píng)估

高精度基線場(chǎng)的建立，主要用于檢測(cè)LCR、Burris和CG-5等類型相對(duì)重力儀的性能，包括一次項(xiàng)系數(shù)、動(dòng)態(tài)零漂率和動(dòng)態(tài)觀測(cè)精度等技術(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn)[10-11]。 其中一次項(xiàng)系數(shù)為短基線標(biāo)定結(jié)果，廬山基線場(chǎng)的最大段差為200 mGal，無(wú)控制解算與控制解算結(jié)果差異約為60 μGal，如圖4所示，則標(biāo)定精度能夠達(dá)到0.03%。若測(cè)區(qū)量程在該基線場(chǎng)覆蓋范圍，則可滿足技術(shù)指標(biāo)要求，否則還應(yīng)進(jìn)行重力長(zhǎng)基線標(biāo)定。

圖4　無(wú)控制解算結(jié)果與控制解算結(jié)果的差值Fig.4　Gravity differences between the results by using datum controlled and without controlled

4　結(jié)　語(yǔ)

本文采用基于絕對(duì)重力控制的相對(duì)重力聯(lián)測(cè)模式，建立了高精度的廬山短基線標(biāo)定場(chǎng)。結(jié)果表明：1)4個(gè)基點(diǎn)的絕對(duì)重力測(cè)量結(jié)果精度優(yōu)于±5.0 μGal；2)重力網(wǎng)平差后24個(gè)基點(diǎn)的重力點(diǎn)值精度均優(yōu)于±5.0 μGal，平均精度為±3.0 μGal；3)各相鄰測(cè)段段差精度均優(yōu)于±3.0 μGal；4)2000聯(lián)測(cè)與本次觀測(cè)結(jié)果相比較(13個(gè)測(cè)段)，絕對(duì)值最大變化為40.0 μGal，最小為4.0 μGal，平均為18.8 μGal，其中10個(gè)測(cè)段的變化值均在±20.0 μGal范圍內(nèi)。

廬山重力基線場(chǎng)初值測(cè)定結(jié)果表明，與以往的基線場(chǎng)測(cè)定方法相比，基于絕對(duì)重力控制的相對(duì)重力聯(lián)測(cè)方法具有可行性強(qiáng)、精度高、測(cè)量方便和經(jīng)濟(jì)效益高的優(yōu)點(diǎn)。

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Foundation support:Director Fund of Institute of Seismology, CEA, No. IS201326130; Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508006, 201308004.

About the first author:XING Lelin, PhD,associate researcher, majors in gravity observation and data processing,E-mail:xinglelin@163.com.

Determination of Gravity Values for Lushan Short Gravity Calibration Baseline

XINGLelin1,2WANGLinhai1,2SUNShaoan1,2XUANSongbai1,2WANGJian1,2TANHongbo1,2

1Key Laboratory of Earthquake Geodesy, Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China 2Wuhan Base of Institute of Crustal Dynamics,CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China

Using the FG5 absolute gravimeter, absolute gravity values are determined at three base gravity sites in Lushan and one datum site in Jiujiang seismic station to determine the Lushan calibration baseline.Further, twenty-five sites are determined using seven CG-5 relative gravimeters with two return measurements. The results show that the accuracy of gravity values at all of the base sites is better than ±5.0 μGal.The application of FG5 absolute gravimeter along with several relative gravimeters to construct short calibration baselines is a new and modern approach which has scientific significance as well as economic value.

baseline; calibration; absolute gravity measurements; relative gravity measurements

2016-03-26

邢樂(lè)林，博士，副研究員，主要從事重力觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理研究，E-mail:xinglelin@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.09.001

1671-5942(2016)09-0753-04

P312

A

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS201326130)；中國(guó)地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201508006,201308004)。