山東重力網(wǎng)建設綜述與優(yōu)化設計＊

陸漢鵬 王鋒吉 李樹鵬 李國一 韓海華

（山東省地震局，山東濟南 250014）

引言

山東流動重力觀測開始于1975年，1980年改為臨清—威海、東明—平邑兩條測線。1980年蘇、魯、皖3省地震部門開展聯(lián)防協(xié)作，組成蘇、魯、皖高精度重力網(wǎng)和由54個測點組成的魯南高精度重力網(wǎng)[1]。1989年以來，統(tǒng)一使用LCR-G型重力儀進行觀測，并增加了安丘網(wǎng)31個測點與魯南測網(wǎng)54個測點及臨清—威海測線24個測點，連接成網(wǎng)。1993年安丘網(wǎng)停測，1994—2008年山東組成魯南測網(wǎng)（54個）和膠東測網(wǎng)（原臨清—威海測線），其中膠東測網(wǎng)由原來的24個測點增加到70個測點，并與魯南網(wǎng)連接形成山東測網(wǎng)。2008年膠東測網(wǎng)增加濰坊—煙臺測線、萊陽—即墨測線，共增加8個測點，12個測段。

2008年汶川“5?12”8.0級特大地震發(fā)生后，為加強華北地區(qū)，尤其是首都圈地區(qū)的震情監(jiān)視，實施“強化華北地區(qū)強震監(jiān)視跟蹤工作”。山東承擔了華北地區(qū)地震強化監(jiān)測重力測量約160段，其中，魯南測網(wǎng)57測段，53測點；膠東測網(wǎng)72測段，66測點；連接河北測網(wǎng)海興、黃驊，物探中心施測的魯西測網(wǎng)安居、嘉祥等測點。山東省地震局在2005年和2008年施測工作量的基礎上，新增柳橋—淄博—焦廟—泰安測線和濰坊—喬官—臨朐測線，聯(lián)測區(qū)域內(nèi)的陸態(tài)網(wǎng)站、中國及山東地殼運動觀測網(wǎng)絡點，并由中國地震局地震研究所施測泰安、日照兩點的絕對重力測量。2015—2017年開展了中國地球物理場觀測—大華北地震行業(yè)科研專項，增加了煙臺站絕對觀測，增加了綜合地球物理場觀測跨海測量任務，至2016年共完成172測段，158個測點任務。

為了加強山東省防震減災社會服務能力提升工程項目（“十三五”規(guī)劃），保證山東流動重力“成網(wǎng)成場”及在山東地區(qū)全覆蓋，2017年進行了重力網(wǎng)擴建項目，至2017年底，山東重力網(wǎng)共擁有405個測點，實現(xiàn)了山東及周邊地區(qū)重力點全覆蓋。

1 山東重力網(wǎng)優(yōu)化的必要性和可行性

依據(jù)《地震重力測量規(guī)范》的要求，并結(jié)合山東地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點，根據(jù)“三縱（郯廬斷裂帶的沂沭帶、聊考斷裂帶、南黃海構(gòu)造帶）一橫”（渤?！５卣鸹顒訕?gòu)造帶）活動構(gòu)造特點進行測網(wǎng)布設。基于以上地質(zhì)構(gòu)造特點，重力點位的布設最大限度地反映山東地區(qū)“三縱一橫”地質(zhì)構(gòu)造特點及其地球物理場背景信息，以捕捉地震前兆信息，為地震預測預報提供基礎資料。

魯西聊考斷裂帶上的菏澤老震區(qū)、濮陽小震集中區(qū)有感地震頻繁，存在重力觀測空白，魯北地區(qū)重力觀測點位也明顯薄弱。為了達到地球物理場觀測“成網(wǎng)成場”的目的，充分提取地球物理前兆信息，在現(xiàn)有山東重力網(wǎng)的基礎上進行優(yōu)化改造。山東省陸域總面積15.79萬平方千米，原有的180個測點僅覆蓋了省域面積的2/3。膠東測網(wǎng)和魯南測網(wǎng)精度高，網(wǎng)型合理，能較好地控制膠東半島地區(qū)及魯南地區(qū)的重力異常信息，但對魯西地區(qū)及魯北地區(qū)的監(jiān)控能力明顯不足。雖然華北重力網(wǎng)在上述地區(qū)存在一定的監(jiān)控能力，但點位數(shù)量不足，布局不甚合理。為及時準確地獲取山東地區(qū)重力背景場數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)資料的利用率，并保證整個測網(wǎng)的系統(tǒng)精度及滿足平差的要求，在充分利用大華北重力網(wǎng)部分山東境內(nèi)測點、山東GNSS網(wǎng)絡重力測點及山東現(xiàn)有重力網(wǎng)測點的基礎上，調(diào)整布局，適當增加重力監(jiān)測點數(shù)量。在保留現(xiàn)有180個測點的基礎上，再新增測點225個，共計405個。其中，利用華北重力網(wǎng)測點20個（物探中心12個、河北省地震局8個），跨斷層場地測點16個，新建測點33個，新測測點108個（國土局及地震局CORS站56個、省氣象局12個、國家大地控制點AB點40個），埋設標石31個、恢復重建原安丘網(wǎng)測點17個。使整個山東測區(qū)組成比較完備的重力觀測環(huán)，達到對全省100%全覆蓋（圖1）。

圖1 山東重力觀測網(wǎng)聯(lián)測路線圖Fig. 1 Joint test road map of gravity surveying network in Shandong

優(yōu)化調(diào)整后測點間距約10—20 km，基本滿足《地震重力測量規(guī)范》要求，同時達到對整個山東地區(qū)重力觀測“成網(wǎng)成場”并提高觀測精度的目標。對山東境內(nèi)的主要斷裂構(gòu)造基本能夠達到重點監(jiān)控，建立跨斷層的重力監(jiān)控網(wǎng)絡，以便快速獲取重力信息，能夠達到具有5級左右地震的監(jiān)測能力，進行震情研判，為地震預報工作和活動斷裂研究提供第一手資料。測量總點數(shù)根據(jù)實際情況再及時調(diào)整，具體點位及點數(shù)量可能有所增減。

2 山東測網(wǎng)、測線設計概況

流動重力監(jiān)測的主要目的就是監(jiān)測構(gòu)造活動區(qū)重力場隨時間、空間的非潮汐變化。重力測量有合理的測網(wǎng)布設是達到測量目的的前提，必須有明確的原則并根據(jù)地震活動趨勢加以調(diào)整[1]。對“十三五”規(guī)劃新增的3個測網(wǎng)分區(qū)就其測網(wǎng)、測線和測點的布設特點進行詳細闡述。

2.1 魯西地區(qū)

魯西主要分布有聊考斷裂帶（聊城—蘭考），魯西測網(wǎng)首先在測網(wǎng)中心由南向北沿斷裂帶方向布設了菏澤—鄄城—范縣—莘縣—聊城測線，15個測點，這條重力測線與魯西流磁測線基本一致；在成武—東明斷裂布設了菏澤—定陶—成武—單縣測線；在北東向并行的曹縣斷裂、巨野斷裂附近布設了成武—巨野—鄆城—梁山—平陰測線。

考慮到地震活動性和震情，在河南濮陽地震集中區(qū)與范縣區(qū)域加密布設東西向?？h—濮陽—范縣—臺前重力測線，約7個測點。另外，在鄄城區(qū)域加密布設鄄城—鄆城約8個測點與豫北測網(wǎng)連接成網(wǎng)。在菏澤老震區(qū)沿東西向布設東明—菏澤—巨野—濟寧測線，約11個測點，并與豫北測網(wǎng)連接成網(wǎng)。此布設的東西向3條測線可以監(jiān)測魯西南重點監(jiān)視區(qū)的重力場異常變化及布格異常特點。

在魯西測網(wǎng)外圍西邊界沿用豫魯測網(wǎng)的測點和河北測網(wǎng)的測點連接成網(wǎng)（約13個測點），在南邊界增加曹縣—單縣—沛縣—棗莊測線，是利用了豫魯測網(wǎng)經(jīng)過江蘇與魯南測網(wǎng)連接形成閉合網(wǎng)絡，這也是跨微山湖的南部測線，在微山湖中部增加了金鄉(xiāng)—魚臺—滕州測線，使得跨微山湖有兩條測線可以監(jiān)測微山湖周圍地面沉降和塌陷變化情況。

魯西測網(wǎng)的東邊界是利用山東測網(wǎng)濟南—泰安—曲阜—棗莊測線（約13個測點），測線北部與臨清—禹城測線連接成網(wǎng)，南部與曹縣—棗莊連接成網(wǎng)。

另外，在非重點監(jiān)測區(qū)布設了3條測線使得魯西測網(wǎng)測點布設比較均勻并且覆蓋各市縣。它們是單縣—濟寧—平陰測線、聊城—泰安測線、冠縣—聊城—濟南測線。

新增魯西測網(wǎng)能夠填補歷年山東西部地區(qū)重力測網(wǎng)的空白，為密切監(jiān)視山東西部聊考斷裂帶附近的重力變化提供有力保障。

2.2 魯北地區(qū)

魯北地區(qū)是山東平原地區(qū)，斷裂帶較少常年不作為重點監(jiān)視區(qū)，除淄博—濱州—黃驊測線外，魯北一直是山東流動測量的空白地區(qū)。2017年在魯北地區(qū)增加了“兩橫四縱”測線?！皟蓹M”為：館陶—臨清—德州—寧津—大山測線（位于山東西北部邊界，南部連接河北測網(wǎng)，北部與魯北老線連接），臨清—禹城—臨邑—惠民—濱州—東營測線（原臨清—威海測線的延伸）；“四縱”由西向東依次為：焦廟—禹城—德州測線，濟南—臨邑—寧津測線（沿用河北測網(wǎng)），周村—惠民—大山測線，新河—東營—沾化測線（環(huán)渤海測線，東邊與膠東網(wǎng)連接，西邊與魯北老線連接閉合）。魯北測網(wǎng)建成后可與河北測網(wǎng)聯(lián)合計算，增加山東魯北平原重力變化的可靠性。

2.3 魯中地區(qū)

在魯中地區(qū)增加縱橫兩條測線：縱線為淄博—萊蕪—蒙陰（南邊與魯南網(wǎng)連接），橫線為泰安—萊蕪—馬站（東邊與老安丘網(wǎng)連接）。

安丘網(wǎng)1992年停止觀測，2009年華北強化監(jiān)測恢復了安丘網(wǎng)中的濰坊—沂水測線，2017年“十三五”規(guī)劃新增安丘網(wǎng)剩余測點23個。安丘網(wǎng)與魯南網(wǎng)連接可以很好地監(jiān)測沂沭帶的重力變化。全網(wǎng)有15段通過斷層，119°E以西斷裂比以東斷裂多，西部測段20 km，東部30 km[2]。

通過以上3個空白測區(qū)的擴建優(yōu)化，使魯西、魯北、魯中及已測魯南、膠東形成5個測區(qū)。擴建優(yōu)化后的山東測網(wǎng)共形成61個閉合環(huán)，405個測點，461個測段的“成網(wǎng)成場”的山東重力網(wǎng)雛形。

3 山東重力網(wǎng)網(wǎng)型設計

山東重力網(wǎng)擴建增加225個測點與原來常規(guī)測點180個達到405個測點，覆蓋整個山東地區(qū)及河北、河南、江蘇等鄰省地區(qū)。經(jīng)過優(yōu)化設計把山東測網(wǎng)設計成為5個閉合測網(wǎng)，它們分別是魯南測網(wǎng)、膠東測網(wǎng)、魯中測網(wǎng)、魯北測網(wǎng)和魯西測網(wǎng)。圖2為5個測網(wǎng)設計圖。

圖2 山東重力網(wǎng)分區(qū)聯(lián)測圖Fig. 2 Partition joint survey map of gravity surveying network in Shandong

4 山東重力網(wǎng)監(jiān)測能力評價

從各方面的資料研究結(jié)果和經(jīng)驗來說，重力網(wǎng)的監(jiān)測能力強弱主要由以下幾方面引起。

4.1 測網(wǎng)的空間分布范圍和分辨率

理論和實踐結(jié)果表明，地震多發(fā)生在重力場變化的梯度帶上，地震震級越大，在地震孕育過程中重力場變化的范圍也越大。要想完整的探測到地震的震中位置，必須構(gòu)繪出震中周圍足夠大空間范圍內(nèi)重力場變化圖像，即測網(wǎng)空間分布范圍大小同地震震級成正比，以一個6級地震為例，測網(wǎng)空間范圍需要達到600 km×600 km左右。同時，重力場變化的形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)，重力變化梯度帶多受到活動斷裂帶的控制，在參考測區(qū)歷史地震和現(xiàn)今地震活動的基礎上，測網(wǎng)空間應覆蓋不同塊體交界和主要活動斷裂帶。測網(wǎng)空間分辨率與重力測點間距有關(guān)，地震震級越小，所需測點間距越??；震級越大，測點間距越大。如果要觀測出4級地震的異常區(qū)形狀，測點間距最大約10 km[3-5]。

4.2 測網(wǎng)的觀測精度

測網(wǎng)觀測精度的高低決定了測網(wǎng)對異常信息的分辨能力，測網(wǎng)觀測精度高，有利于監(jiān)測到中強地震前的構(gòu)造活動異常信息。研究結(jié)果表明，區(qū)域重力測網(wǎng)目前的測網(wǎng)單位權(quán)重誤差和重力點值中誤差可以達到10×10-8m/s2，如果以2.5倍中誤差作為限差時，測網(wǎng)能夠分辨出發(fā)生在監(jiān)測區(qū)內(nèi)40×10-8m/s2左右的重力相對變化[3-5]。

布設測網(wǎng)時進行精度設計是為了保證重力網(wǎng)有足夠的精度，具備辨別一定量級的重力變化的能力，根據(jù)測網(wǎng)內(nèi)地質(zhì)、地形和交通等條件進行測網(wǎng)設計[1]。

“十三五”項目增加了魯西測網(wǎng)，魯西地區(qū)是重點監(jiān)視區(qū)。假如在魯西測網(wǎng)布設一個分辨能力為±40×10-8m/s2的監(jiān)測網(wǎng)。其精度設計過程見圖3。

圖3 魯西重力網(wǎng)測點路線圖Fig. 3 Survey point road map of gravity surveying network in western Shandong

由圖3可以看出，魯西測網(wǎng)的中心位置在巨野附近，薛城、焦廟、館陶、碼頭位于測網(wǎng)邊緣的頂端。根據(jù)測網(wǎng)布設的精度設計，測點相對于起算點的重力值的相對精度可用下式估算[1]：

式中，S為觀測點i距起始點的距離，mg為測點與相鄰點間段差值的中誤差。已知相鄰點間段差值中誤差mg=±8×10-8m/s2，各邊緣點相對于巨野的點值精度見表1。

表1 測網(wǎng)邊緣測點精度統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of accuracy of measuring point in edge measuring network

距離起算基點越遠精度越低，所以布設測網(wǎng)時盡量保證全網(wǎng)有足夠精度，具有辨別一定量級的重力變化能力[6]。

4.3 穩(wěn)定、可靠的重力起算基準

區(qū)域重力場的變化始終相對于某一時空基準而言，選擇不同的時空基準就會產(chǎn)生不同的變化結(jié)果。因此，時空基準的合理性將直接影響區(qū)域重力場變化研究結(jié)果的正確性?，F(xiàn)行的重力資料處理，一般有經(jīng)典平差、擬穩(wěn)平差、自由網(wǎng)平差3種方法。多數(shù)區(qū)域重力網(wǎng)采用相對簡單實用的經(jīng)典平差方法來處理觀測資料，所得到的重力變化結(jié)果均是相對于起算基準點而言的。因此，選擇穩(wěn)定、可靠的起算基準顯得十分重要。比較理想的是，用起算基準點與測網(wǎng)同期觀測的絕對重力測量結(jié)果作為起算基準，采用經(jīng)典平差方法處理資料，從而獲得可靠的重力分析結(jié)果[7]。

4.4 測網(wǎng)的映震能力

地震重力監(jiān)測的最終目的，主要是為地震的預測預報及相關(guān)科研服務。測網(wǎng)對于發(fā)生在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的中強地震前兆異常應該具有較好的響應能力。研究結(jié)果表明，根據(jù)重力變化異常區(qū)的范圍和幅度、重力異常變化梯度大小及特征，可以研究地震的趨向

及未來強震可能分布的地點和震級[8]。因此，具有較強監(jiān)測能力的測網(wǎng)，應該能夠監(jiān)測到發(fā)生在網(wǎng)內(nèi)中強地震前后重力場的動態(tài)變化圖像，并據(jù)此進行地震趨勢的預測研究。

5 結(jié)論

擴建優(yōu)化前，山東測網(wǎng)主要集中在魯南、膠東及魯中、魯北的部分支線測量，難以監(jiān)測山東西部大部分區(qū)域。擴建優(yōu)化后，山東重力網(wǎng)監(jiān)測范圍除了山東地區(qū)各市縣全覆蓋之外，還與江蘇、河南、安徽及河北鄰省有效連接成線，提高了山東重力監(jiān)測的空間分辨率，有利于山東及鄰省的整體分析和研究。

優(yōu)化改造后的山東重力網(wǎng)，實現(xiàn)了對魯南、膠東、魯西、魯北及魯中地區(qū)的全覆蓋，空間監(jiān)測范圍達到600 km×600 km，具備對發(fā)生在網(wǎng)內(nèi)6級地震的監(jiān)測能力，山東地區(qū)測點平均間距為10—20 km，能夠觀測到網(wǎng)內(nèi)4—5級地震的異常區(qū)形狀。

另外，增加了山東地區(qū)及鄰省的國土、氣象部分的CORS站，能夠進行重力、水準及GPS的聯(lián)合分析。把山東省地震預警點作為重力埋石測點也起到了“十三五”規(guī)劃的防災減災的宣傳效力。聯(lián)測到“十二五”跨斷層水準點上，可以進行長期的加密觀測及重力、水準的聯(lián)合分析。

致謝

感謝武漢重力管理部及物探中心、江蘇省地震局、河北省地震局等單位給予的技術(shù)指導，也特別感謝國土測繪及氣象局給予的配合和支持。另外，也感謝山東各市縣地震部門在野外踏勘及埋石中的幫助。