沈陽(yáng)PET型重力異常分析

翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛，賈麗華

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

沈陽(yáng)PET型重力異常分析

翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，李彤霞，邵媛媛，賈麗華

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

沈陽(yáng)臺(tái)PET型重力儀2015年4月重力開(kāi)始持續(xù)下降。2015年6月儀器供電故障后，這一重力持續(xù)下降趨勢(shì)還在繼續(xù)，直到2015年10月這一趨勢(shì)開(kāi)始回升。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察、分析和討論后，認(rèn)為沈陽(yáng)地震臺(tái)PET型重力儀異常變化并非人為干擾、降雨干擾及環(huán)境干擾等因素導(dǎo)致，而是由于電源故障斷電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常情況。

PET型重力儀;重力異常;概率密度分析;環(huán)境干擾

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.001

1674-8565（2017）04-0001-06

地震星火計(jì)劃項(xiàng)目（XH14014Y）；中國(guó)地震局2017年度震情跟蹤青年課題（2017010223）

2017-06-18

2017-09-07

翟麗娜（1986-），女，吉林省長(zhǎng)春市人，2012年畢業(yè)于吉林大學(xué)地球探測(cè)與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方面的研究工作。

0 引言

在地震孕育過(guò)程中,斷層活動(dòng)和局部地殼應(yīng)力集中產(chǎn)生地殼變形和密度(質(zhì)量)變化,從而導(dǎo)致重力場(chǎng)隨時(shí)間的變化[1]。重力觀測(cè)結(jié)果是對(duì)地下不同深度、不同尺度和不同形狀的不均勻密度體所形成的場(chǎng)在地表的綜合反映[2]。臺(tái)站重力觀測(cè)是一種定點(diǎn)觀測(cè)方法，對(duì)重力加速度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)進(jìn)而得到重力潮汐資料并分析獲取潮汐和非潮汐結(jié)果 ，產(chǎn)出的結(jié)果用于活動(dòng)斷層、地殼運(yùn)動(dòng)、地震監(jiān)測(cè)和海潮等地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的深入研究[3]（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司）。目前，全國(guó)大陸連續(xù)重力觀測(cè)臺(tái)站共有75個(gè)，不同型號(hào)重力儀80套運(yùn)行產(chǎn)出數(shù)據(jù)，空間分辨率可達(dá)400km左右，為我國(guó)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)事業(yè)發(fā)揮著重要作用。

沈陽(yáng)地震臺(tái)PET型重力儀自2007年8月觀測(cè)以來(lái)，該臺(tái)儀器運(yùn)行狀態(tài)良好，多年觀測(cè)資料連續(xù)穩(wěn)定可靠。從2015年4月開(kāi)始重力持續(xù)下降，2015年5月27日重力數(shù)據(jù)缺失無(wú)更新，持續(xù)到5月31日，共計(jì)5天，6月1日開(kāi)始，數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度突跳，開(kāi)始明顯下降，下降速率較快，重力儀儀器記錄日志顯示UPS電源故障，維修后數(shù)據(jù)下降情況持續(xù)到6月底，共計(jì)變化253.483×10-8ms-2。異常出現(xiàn)后對(duì)觀測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查，對(duì)該異常進(jìn)行分析研究[4-7]認(rèn)為這一異常情況為儀器斷電，數(shù)據(jù)零漂，回穩(wěn)過(guò)程，排除地震前兆異常情況（圖1）。

圖1 沈陽(yáng)重力異常非潮汐變化Fig.1 Shenyang gravity anomaly non-tidal changes

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及歷史地震概況

沈陽(yáng)地震臺(tái)位于沈陽(yáng)市東陵區(qū)天柱山西南麓，臺(tái)址在地質(zhì)構(gòu)造上在沈陽(yáng)塊狀隆起上，渾河斷裂北6.5km處。渾河斷裂在沈陽(yáng)地區(qū)橫切沈陽(yáng)塊狀古隆起。其西端于沈陽(yáng)市蘇家屯區(qū)西南與營(yíng)口—佟二堡斷裂相接，向東沿渾河谷經(jīng)撫順、清原一直往北東、北北方向延伸。在臺(tái)址周?chē)?.25km2范圍內(nèi)，地層比較簡(jiǎn)單，有前震旦系（AnZ）鞍山群及第四系上更新統(tǒng)（Q3）?；旌匣◢弾r分布在地震臺(tái)后山上，出露較好。巖面呈肉紅色，致密塊狀，表面及裂隙中有褐鐵礦染及土狀物。區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告介紹，該混合花崗巖應(yīng)屬前震旦系鞍山群通什村組毛燕段，因遭到強(qiáng)烈混合巖化和花崗巖化作用，加之地質(zhì)構(gòu)造的干擾，形成了如今的混合花崗巖。該地層在區(qū)域上大面積出露，厚度達(dá)幾千米，為沈陽(yáng)市結(jié)晶基底巖石（圖2）。

圖2 沈陽(yáng)地震臺(tái)地理位置圖Fig.2 Geographic location of Shenyang Seismic Station

在歷史上，沈陽(yáng)臺(tái)所在地區(qū)屬于弱震區(qū)。據(jù)歷史文獻(xiàn)記載，1765年3月15日在距離15km的沈陽(yáng)市故宮附近，發(fā)生過(guò)一次5.5級(jí)地震，2013年1月23日遼陽(yáng)發(fā)生5.1級(jí)地震，是近年來(lái)沈陽(yáng)周邊近距離范圍內(nèi)發(fā)生的較大地震。

2 PET型重力儀觀測(cè)情況簡(jiǎn)介

1970年建成定點(diǎn)形變觀測(cè)專(zhuān)用洞室，洞體巖石完整，觀測(cè)儀器布設(shè)在山洞內(nèi)，山洞面積為236m2。山洞進(jìn)深50m，覆蓋層厚30m，側(cè)覆蓋大于50m。山洞全長(zhǎng)79.6m，呈馬蹄形，從山根水平掘進(jìn)（表1）。周?chē)?km范圍內(nèi)無(wú)大型河流、水庫(kù)、湖泊和深層抽水工程，無(wú)采礦、爆破等強(qiáng)震動(dòng)干擾源。無(wú)大型倉(cāng)庫(kù)等強(qiáng)荷載干擾源，無(wú)大型輸變電站、大功率發(fā)射塔臺(tái)等強(qiáng)電磁干擾源，無(wú)明顯干擾源（表3、圖 3）。

表1 觀測(cè)山洞情況表

表2 沈陽(yáng)地震臺(tái)形變山洞附近主要干擾源

圖3 沈陽(yáng)地震臺(tái)山洞平面圖Fig.3 Shenyang seismological cave site plan

沈陽(yáng)前兆儀器正常運(yùn)行并納入國(guó)家臺(tái)網(wǎng)的有兩臺(tái)套，分別為PET型潮汐重力儀，SSQ-2型水平擺傾斜儀。其中PET型重力儀為美國(guó)進(jìn)口儀器，由勞雷公司生產(chǎn)，是用于測(cè)量地球各點(diǎn)重力隨時(shí)間變化的高精度儀器。該儀器可以檢測(cè)周期從秒到若干年的地球物理、地球動(dòng)力學(xué)效應(yīng)所導(dǎo)致的微小的重力場(chǎng)變化。PET型重力儀儀器觀測(cè)系統(tǒng)共有三部分組成：裝有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的儀器箱、裝有UPS和定時(shí)模塊的電子箱和一臺(tái)運(yùn)行控制軟件的筆記本電腦，從2007年8月正式運(yùn)行。SSQ-2型水平擺傾斜儀安裝時(shí)間較早，但是一直沒(méi)有納入前兆管理系統(tǒng)，從2010年3月開(kāi)始正式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及分析工作。

3 異常分析

分析沈陽(yáng)臺(tái)PET型重力儀破年變成因，主要從降雨、周邊觀測(cè)條件改變和孕震機(jī)理等方面進(jìn)行了分析研究[8-15]（圖1）。

3.1 氣象因素的調(diào)查

沈陽(yáng)地震臺(tái)無(wú)氣象三要素觀測(cè)測(cè)項(xiàng)，附近地區(qū)亦無(wú)可參考的臺(tái)站氣象三要素輔助觀測(cè)。對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)氣象因素進(jìn)行調(diào)查得知，2015年5月，該地區(qū)氣溫變化基本平穩(wěn)，最高氣溫32℃，最低氣溫4℃（圖4），整月出現(xiàn)6天雨水天氣，氣候變化基本正常；2015年6月，該地區(qū)氣溫穩(wěn)步回升，最高氣溫31℃，最低氣溫11℃，整月出現(xiàn)15天雨水天氣，與往年氣候變化水平基本保持一致。由于此兩月氣象均無(wú)明顯異常變化，均未出現(xiàn)明顯的氣象異?，F(xiàn)象，因此，綜合氣象因素對(duì)水溫變化造成干擾較小。

山洞洞室內(nèi)溫度、濕度、氣壓較穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常變化情況。

圖4 沈陽(yáng)地區(qū)氣溫及天氣情況統(tǒng)計(jì)圖（引自：http://lishi.tianqi.com）Fig.4 Shenyang area temperature and weather statistics

3.2 同山洞水平擺傾斜儀對(duì)比分析

沈陽(yáng)地震臺(tái)水平擺傾斜觀測(cè)為2007年“十五”增上SSQ-2型水平擺數(shù)字化新上自動(dòng)觀測(cè)測(cè)項(xiàng)，因儀器問(wèn)題，2010年開(kāi)始穩(wěn)定運(yùn)行，被納入中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)管理系統(tǒng)，并開(kāi)始做數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。一直以來(lái)儀器運(yùn)行比較穩(wěn)定，降雨對(duì)其影響較大。（圖5）

3.3 數(shù)據(jù)差分處理分析

通過(guò)對(duì)重力儀2009年到2016年的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理分析，2010年底的一次突跳是由于進(jìn)山洞調(diào)節(jié)儀器造成短時(shí)干擾波動(dòng)較大，而2015年5月底6月初的數(shù)據(jù)突跳異常時(shí)間段與儀器電源UPS故障斷記時(shí)間段完全吻合，在斷電前一段時(shí)間，數(shù)據(jù)并未有大幅轉(zhuǎn)折和突跳狀態(tài)，說(shuō)明這次異常情況非短期形變異常情況，而是儀器斷電影響，斷電后的數(shù)據(jù)趨勢(shì)異常是一種重力儀長(zhǎng)期斷電后的回穩(wěn)過(guò)程（圖6-7）。

圖5 水平擺傾斜觀測(cè)曲線(xiàn)Fig.5 Balcony horizontal pendulum tilt observation curves

圖6 PET型重力儀2015年5—6月觀測(cè)曲線(xiàn)Fig.6 PET-type gravity meter from May to June 2015 observation curve

圖7 重力潮汐數(shù)據(jù)差分處理變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curves of gravity tidal data processing

3.4 概率密度方法分析

截取沈陽(yáng)重力潮汐分鐘值數(shù)據(jù)（20150101—20160531），對(duì)其進(jìn)行概率密度分析（圖8）。其原理是首先運(yùn)用小波分析方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢(shì)分析，提取出短周期高頻信息，一般短周期的高頻信息在無(wú)其他干擾因素的條件下，多表現(xiàn)為一種服從正態(tài)分布的隨機(jī)信號(hào)X（t）～N（0，σ）,σ為高頻信息的標(biāo)準(zhǔn)差。在理想狀態(tài)下，高頻信息的標(biāo)準(zhǔn)差σ相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)干擾信息的λ值接近于零，但如果地震孕育期間構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)存在變化，σ值就會(huì)發(fā)生變化，那么高頻信息的概率密度就會(huì)偏離正態(tài)分布，干擾信息的λ值就會(huì)大于零[11-13]。根據(jù)前人研究成果，可將概率密度分布的數(shù)學(xué)式表達(dá)為[16,19]：

式中，Z表示觀測(cè)數(shù)據(jù)，P為該數(shù)據(jù)的概率密度分布，σ為符合正太分布的標(biāo)準(zhǔn)差，λ為未知干擾信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)出原始數(shù)據(jù)的概率密度，然后依據(jù)（1）式求得干擾信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差，一般用最大似然法或最小二乘法獲得，即下式[4]:

式中，P（Z）表示觀測(cè)數(shù)據(jù)的概率密度分布，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，PCastaing為利用（1）式計(jì)算得到的概率密度，σCastaing為其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。

將原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到的和根據(jù)（1）式計(jì)算的概率密度分布，利用（2）式可得到二者之間的相似度，當(dāng)（2）式中的X2最小時(shí)，進(jìn)而求得干擾項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)差λ。

對(duì)沈陽(yáng)重力潮汐變化原始數(shù)據(jù)以15天為窗長(zhǎng)，3天為步長(zhǎng)進(jìn)行滑動(dòng)，以4階db_5濾波器進(jìn)行分析得到相應(yīng)的高頻信息和概率密度的λ值，從圖11可以看出，高頻信息未出現(xiàn)新異常變化，比較平穩(wěn)，求得的λ值在2015年05月以后變化同樣相對(duì)比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯的高值異常，因此該變化指示地震孕育期間為構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)變化的可能性較弱，即異常信度較低（圖8）。

圖8 重力潮汐變化、高頻信息及概率密度λ2值變化曲線(xiàn)Fig.8 Curve of gravity tide change、high frequency information and probability density λ2

3.5 流動(dòng)重力單點(diǎn)時(shí)序曲線(xiàn)分析

對(duì)沈陽(yáng)臺(tái)自2009年5月到2016年5月共計(jì)13期測(cè)量的流動(dòng)重力觀測(cè)華北測(cè)網(wǎng)沈陽(yáng)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)值做單點(diǎn)時(shí)序曲線(xiàn)（圖9），發(fā)現(xiàn)近幾年沈陽(yáng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，與PET型重力儀定點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比后，說(shuō)明沈陽(yáng)臺(tái)附近近年來(lái)地下活動(dòng)情況較穩(wěn)定，進(jìn)一步證明沈陽(yáng)臺(tái)PET型重力儀2015年5月以后出現(xiàn)的大幅突跳情況是儀器斷電引起的較大可能性。

圖9 沈陽(yáng)重力測(cè)點(diǎn)點(diǎn)值時(shí)序曲線(xiàn)Fig.9 Measurement of Point Measure Time in Shenyang

3.6 流動(dòng)重力兩年三期對(duì)比分析

圖10 沈陽(yáng)流動(dòng)重力2015—2016年三期數(shù)據(jù)差分處理曲線(xiàn)圖Fig.10 Shenyang flow gravity three differential data processing graph from 2015 to 2016

通過(guò)對(duì)遼寧省2015年5月、2015年10月和2016年5月這三期流動(dòng)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行每?jī)善诘牟罘痔幚韴D（圖10）對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該時(shí)間段內(nèi)沈陽(yáng)地區(qū)流動(dòng)重力數(shù)據(jù)變化較穩(wěn)定，說(shuō)明在這一地區(qū)地下地質(zhì)體活動(dòng)背景較弱。對(duì)比分析認(rèn)為該地區(qū)異常情況不明顯，說(shuō)明沈陽(yáng)臺(tái)PET型重力儀2015年5月以后出現(xiàn)的大幅突跳情況是儀器斷電引起的可能性較大。

4 結(jié)論和討論

在對(duì)沈陽(yáng)臺(tái)PET型重力儀各種因素科學(xué)合理分析和異常性質(zhì)論證的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察、分析和討論，排除人為干擾、降雨干擾，認(rèn)為2015年5月27日—5月31日由于電源故障造成斷記，導(dǎo)致儀器內(nèi)恒溫系統(tǒng)受影響，儀器內(nèi)恒溫不穩(wěn)，導(dǎo)致儀器重新供電后零點(diǎn)漂移較大發(fā)生掉格現(xiàn)象，運(yùn)行一段時(shí)間后重新回到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，無(wú)外界環(huán)境明顯干擾源的干擾情況出現(xiàn)，排除后確定為儀器故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常，排除沈陽(yáng)當(dāng)?shù)氐卣鹎罢桩惓６膛R情況。

今后會(huì)繼續(xù)對(duì)沈陽(yáng)地震臺(tái)目前使用的PET型重力儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性分析，檢測(cè)分析儀器工作狀態(tài)的改變可能引起的變化；針對(duì)重力儀短時(shí)間斷電后觀測(cè)儀器零漂掉格幅值給予定性定量分析，排除對(duì)數(shù)據(jù)的影響，使異常信度提高。

[1]馬麗. 我國(guó)中強(qiáng)地震前后重力場(chǎng)的時(shí)空變化特征[J]. 地震, 1986, 4.

[2]重力勘探資料解釋手冊(cè)編寫(xiě)組. 重力勘探資料解釋手冊(cè)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1983.

[3]中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司. 地形變測(cè)量[M]. 北京: 地震出版社, 2008： 59-61.

[4]遼寧省地震局監(jiān)測(cè)處. 地震觀測(cè)資料評(píng)比辦法及管理細(xì)則匯編，2012.

[5]中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司. 地震前兆異常落實(shí)工作指南.北京: 地震出版社，2000.

[6]遼寧省地震局. 遼寧省地震監(jiān)測(cè)志[M]. 北京: 地震出版社, 2004.

[7]中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.形變學(xué)科觀測(cè)資料異常變化現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)工作報(bào)告編寫(xiě)要求（施行），2014

[8]劉仕錦, 李杰, 陽(yáng)光, 等.姑咱臺(tái)DZW型微伽重力儀數(shù)字觀測(cè)資料分析[J]. 四川地震, 2008, （1）.

[9]陳冬柏, 張璐, 韓曉飛, 等.西安基準(zhǔn)地震臺(tái)PET重力儀2011～2013年觀測(cè)運(yùn)行分析[J]. 高原地震, 2015，27（2）: 35-39.

[10]張凱, 賴(lài)見(jiàn)深, 林苗祿. PET型重力儀觀測(cè)概況與儀器維護(hù)[J]. 華南地震，2013, 2（33）: 110-116.

[11]包秀敏, 劉長(zhǎng)生, 馬莉, 等.沈陽(yáng)臺(tái)PET型重力儀運(yùn)行概況及故障解決方法[J]. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào), 2010, 3（26）: 77-80.

[12]翟麗娜，賈曉東，李彤霞，等.遼寧地區(qū)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化特征分析[J].防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2016，32（2）：10-14.

[13]杜斌, 周秀忠, 鄧建平, 等. 成都地震臺(tái)重力儀故障分析與排除[J]. 地震地磁觀測(cè)與研究，2007，4（28）： 89-92.

[14]李興堅(jiān), 李建康, 馮紅武, 等.高臺(tái)地震臺(tái)PET 重力潮汐參數(shù)觀測(cè)結(jié)果及影響因素的初步分析[J]. 地震研究 , 2013, 1（36）: 63-68.

[15]翟麗娜，賈曉東，孔祥瑞，等. 營(yíng)口臺(tái)SQ-70模擬水平擺傾斜異常分析[J]. 防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報(bào)，2017，33（2）.

[16]孫小龍, 王廣才, 晏銳, 等. 用概率密度函數(shù)法提取前兆資料中的高頻異常信息[J]. 地球物理學(xué)報(bào). 2016,59（5）: 1673-1684.

[17]Manshour P, Saberi S, Sahimi M, et al. Turbulencelike behavior of seismic time series[J]. dc Physical Review Letters, 2009, 102（1）: 4101.

[18]Manshour P, Ghasemi F, Matsumoto T, et al. Anomalous fluctuations of vertical velocity of Earth and their possible implications for earthquakes.[J]. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2010, 82（3）：98-118.

[19]Castaing B, Gagne Y, Hopfinger E J. Velocity probability density functions of high Reynolds number turbulence[J].Physica D Nonlinear Phenomena, 1990, 46（2）:177-200.

Analysis of Abnormal PET Type Gravity at Shenyang Seismic Station

ZHAI Li-na, JIA Xiao-dong , KONG Xiang-rui, LI Tong-xia,SHAO Yuan-yuan，JIA Li-hua

（Earthquake Administration of Liaoning Province，Liaoning Shenyang 110034，China）

Shenyang PET-type gravity meter began to decline in gravity from April 2015, Since the equipment supply fails in June 2015, the declining trend continues among gravity. This trend began to rise from October 2015. Based on the site inspect, analysis and discussion, it is considered that the abnormality of PET gravity meter in Shenyang Seismic Station eliminates human disturbance, rainfall disturbance and environmental disturbance. The Data anomaly is due to the power failure.

PET gravimeter; accelerated incline to north direction; abnormal investigation ; Yingkou Seismic Station