陳珊樺　蔡佩蕊　陳新興　謝文杰　王建新

摘要通過對(duì)泉州地震臺(tái) g-Phone 重力儀自正式運(yùn)行以來觀測(cè)資料的干擾因素進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)數(shù)采死機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)影響較小，但斷電造成的儀器內(nèi)部溫度的改變會(huì)導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)漂移，從而降低數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，建議應(yīng)盡量避免人為操作如斷電等造成的內(nèi)部溫度變化；臺(tái)風(fēng)影響使得數(shù)據(jù)噪聲變大，表現(xiàn)為觀測(cè)曲線變粗，呈紡錘狀。希望研究結(jié)果可以為進(jìn)一步利用重力資料提取地震前兆信息提供一定的參考。

關(guān)鍵詞重力觀測(cè)；干擾因素；g-Phone 重力儀

中圖分類號(hào)： P315.63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：2096-7780（2023）04-0159-06

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-122

Analysis of interference factors of g-Phone gravimeter observation data at Quanzhou seismic station

Chen Shanhua，Cai Peirui，Chen Xinxing，Xie Wenjie，Wang Jianxin

（Quanzhou Earthquake Monitoring Center Station of Fujian Earthquake Agency， Fujian Quanzhou 362000， China）

Abstract ThispapersummeduptheinterferencefactorsofQuanzhouseismicstationg-phonegravimeter observation data. It is considered that the change of working state and the influence of meteorological factors are the main interference factors. The change of the internal temperature of the instrument has a great influence on the data，so it is necessary to avoid the change of the internal temperature caused by manual operation such as power failure. The rainfall and the change of air pressure caused by typhoons increased the noise of the data.

Keywordsgravity observation; interference factors; g-Phone gravimeter

引言

陸地重力測(cè)量是研究地殼內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)移和屬性變化的重要手段之一，地球重力場(chǎng)變化能反映地下物質(zhì)的遷移及運(yùn)動(dòng)分布狀況，在地殼運(yùn)動(dòng)過程中，由多種因素引起的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變化在重力圖像中都有展現(xiàn)[1-2]。目前對(duì)臺(tái)站重力連續(xù)數(shù)據(jù)的研究著重于潮汐理論研究和潮汐分析，取得了很多重要的成果，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[3-6]。韋進(jìn)等[4]利用中國(guó)大陸運(yùn)行較好的51個(gè)重力站潮汐觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)潮汐處理方法和軟件，分析計(jì)算了中國(guó)大陸主要潮波潮汐因子的空間分布；翟麗娜等[5]對(duì)大連臺(tái)重力數(shù)據(jù)受海潮負(fù)荷影響大小進(jìn)行海潮負(fù)荷改正計(jì)算；李興堅(jiān)等[6]對(duì)高臺(tái)地震臺(tái)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的潮汐參數(shù)進(jìn)行了分析。

全國(guó)地震臺(tái)站較多使用 Micro-g LaCoste公司生產(chǎn)的 g-Phone相對(duì)重力儀進(jìn)行地球各點(diǎn)重力隨時(shí)間變化測(cè)量[7]。該重力儀具有高精度、低漂移率、高采樣等特點(diǎn)，既可以用來記錄長(zhǎng)周期的信號(hào)又可以觀察非周期性的高頻振動(dòng)事件，如地震活動(dòng)等[8]。

泉州地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱泉州臺(tái)）g-Phone 相對(duì)重力儀于2015年12月22日安裝投入試運(yùn)行，2017年12月19日正式接入前兆數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)行以來數(shù)據(jù)連續(xù)，狀態(tài)良好，可記錄到清晰、完整的固體潮汐，對(duì)國(guó)內(nèi)外震級(jí)較大地震也有良好的映震能力。重力儀器日常觀測(cè)資料中包含有固體潮汐、儀器零漂、各種干擾和與地球內(nèi)部的物理因素相關(guān)的成分，同時(shí)包含與地震孕育有關(guān)的信息[9-10]。本文對(duì)泉州臺(tái) g-Phone相對(duì)重力儀正式運(yùn)行以來的觀測(cè)資料中的干擾因素進(jìn)行歸納整理，結(jié)合中國(guó)地震局重力學(xué)科對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)118°E

在質(zhì)量的月評(píng)價(jià)，了解各干擾因素對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，為進(jìn)一步利用重力資料提取地震前兆信息提供一定的參考。

1 重力臺(tái)址與觀測(cè)儀器

1.1 重力臺(tái)址

泉州臺(tái)為國(guó)家基準(zhǔn)地震臺(tái)（圖1），隸屬福建省地震局，目前運(yùn)行有 g-Phone相對(duì)重力儀一套，安裝于臺(tái)站東南方向約5 km 外的清源山人防1號(hào)洞形變觀測(cè)區(qū)內(nèi)。山洞地處長(zhǎng)樂—詔安斷裂帶中段，洞體基巖為新鮮花崗巖，巖體完整致密，海拔高程約78 m，洞頂覆蓋厚52.5—95.5 m。觀測(cè)山洞進(jìn)深達(dá)190 m，洞內(nèi)安裝有多道不銹鋼隔門，防止空氣對(duì)流，洞內(nèi)溫度極為恒定，重力觀測(cè)室位于山洞內(nèi)段，年溫差約 0.5℃ ， 日溫差小于0.1℃。山洞周邊環(huán)境為國(guó)家 5A 級(jí)風(fēng)景區(qū)，觀測(cè)環(huán)境優(yōu)良，無(wú)干擾，且交通、供電、通信條件均十分便利、可靠，適合開展重力觀測(cè)。

1.2 觀測(cè)儀器

g-Phone 重力儀是由美國(guó) Micro-g LaCoste公司基于反饋式電子歸零系統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種金屬零長(zhǎng)彈簧相對(duì)重力儀，該儀器的系統(tǒng)分辨率為0.01μGal，系統(tǒng)精度為1μGal，可調(diào)量程為7000 mGal，采樣率為1 Hz[11]。為了保護(hù)重力傳感器即金屬零長(zhǎng)彈簧系統(tǒng)不受環(huán)境溫度變化的影響，將其安裝在一個(gè)絕熱很好的雙膽容器中，利用加熱控制板保持傳感器處于恒溫狀態(tài)，同時(shí)采用3層密封裝置確保傳感器不受濕度和氣壓的影響[12]。

儀器使用 UPS 不間斷電源供電，電壓穩(wěn)定。儀器共有10個(gè)測(cè)項(xiàng)，分別是重力潮汐觀測(cè)值、重力潮汐濾波觀測(cè)值、縱水準(zhǔn)、橫水準(zhǔn)、外部溫度、內(nèi)部溫度、外部氣壓、內(nèi)部氣壓、擺位讀數(shù)和儀器狀態(tài)。觀測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至臺(tái)站服務(wù)器，可在行業(yè)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行共享。

重力觀測(cè)資料的完整性、穩(wěn)定性、可靠性是衡量觀測(cè)資料質(zhì)量的重要指標(biāo)[13]。觀測(cè)資料只有達(dá)到觀測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，才能更好地用于地震前兆信息的分析提取。泉州臺(tái) g-Phone 重力儀自2017年12月19日正式觀測(cè)以來，連續(xù)率良好，在中國(guó)地震局重力學(xué)科臺(tái)網(wǎng)每月進(jìn)行的內(nèi)在質(zhì)量評(píng)價(jià)中多數(shù)月份被評(píng)為“優(yōu)”。圖2為泉州臺(tái) g-Phone 重力儀日常觀測(cè)曲線圖。

2 干擾分析

自正式運(yùn)行以來，泉州臺(tái) g-Phone重力儀觀測(cè)的2種主要干擾因素有儀器觀測(cè)系統(tǒng)故障和臺(tái)風(fēng)影響。

2.1 儀器觀測(cè)系統(tǒng)故障

泉州臺(tái) g-Phone 重力儀觀測(cè)系統(tǒng)故障主要有數(shù)采死機(jī)、電源故障等。對(duì)重力觀測(cè)影響較大的是電源故障，因?yàn)閮x器斷電會(huì)造成儀器內(nèi)部溫度的變化，當(dāng)儀器內(nèi)部溫度變化時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線會(huì)出現(xiàn)漂移，溫度發(fā)生變化的時(shí)間越長(zhǎng)，恢復(fù)到正常狀態(tài)所用的時(shí)間也越長(zhǎng)。下面對(duì)數(shù)采死機(jī)和電源故障造成的數(shù)據(jù)影響進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1.1 數(shù)采死機(jī)

2020年7月9 日01：51—7月10日08：41、8月7日09：21—8 日08：59因重力儀數(shù)采死機(jī)，數(shù)據(jù)缺記，重啟后恢復(fù)。數(shù)采死機(jī)時(shí)，只是儀器的記錄模塊出現(xiàn)故障，重力儀本體仍在正常工作，內(nèi)部溫度等工作狀態(tài)未發(fā)生改變，而重啟只是短時(shí)間斷電，對(duì)內(nèi)部溫度的影響幾乎可以忽略，因此數(shù)采死機(jī)除了缺記會(huì)造成連續(xù)率、完整率下降外，不會(huì)對(duì)儀器的觀測(cè)產(chǎn)生明顯影響。2020年7—9月的數(shù)據(jù)曲線并未因這2次數(shù)采死機(jī)重啟造成上漂、突跳、階躍等現(xiàn)象（圖3）。中國(guó)地震局重力學(xué)科對(duì)泉州臺(tái)2020年7月和8月的重力觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量月評(píng)價(jià)均為“優(yōu)”，可見非長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)采死機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)的月質(zhì)量影響不大。

2.1.2 電源故障

2021年8月19日07：37—14：27因 UPS 電源故障，儀器斷電停止工作。原來靠?jī)?nèi)部加熱控制板維持的恒定內(nèi)部溫度（52.66℃）開始下降，14：28恢復(fù)供電后，重力儀本體開始工作，重新對(duì)儀器內(nèi)部進(jìn)行加溫，但數(shù)采因故障無(wú)法啟動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)依舊缺記。經(jīng)過維修后于17：00恢復(fù)數(shù)據(jù)記錄，此時(shí)已工作了2小時(shí)32分鐘的重力儀內(nèi)部溫度值為49.72℃ ， 與原來的恒定溫度仍相差2.94℃。由于儀器斷電后內(nèi)部溫度下降，造成重啟后重力潮汐觀測(cè)值數(shù)據(jù)大幅階躍，其階躍幅度約為7561×10?8 m/s2。直至20日05：30重力儀內(nèi)部溫度才重新達(dá)到52.66℃并保持恒溫（圖4）。由于重力觀測(cè)所用的傳感器即零長(zhǎng)彈簧對(duì)溫度很敏感，在儀器內(nèi)部溫度上升期間觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)快速漂移，漂移量約為6233.36×10?8 m/s2遠(yuǎn)超正常日變幅，同時(shí)儀器的縱水準(zhǔn)、橫水準(zhǔn)以及內(nèi)部氣壓也發(fā)生了大幅變化（圖5）。

在重力儀內(nèi)部溫度恢復(fù)正常后，數(shù)據(jù)仍存在下漂趨勢(shì)，但每天的漂移量逐步減小，這是由于零長(zhǎng)彈簧狀態(tài)的恢復(fù)需要一個(gè)緩慢的過程，截至9月10日，數(shù)據(jù)基本恢復(fù)平穩(wěn)（圖6），在這期間（8月20日05：30—9月10日23：59）數(shù)據(jù)漂移量約為269.28×10?8 m/s2。中國(guó)地震局重力學(xué)科對(duì)泉州臺(tái)2021年8月和9月的重力觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量月評(píng)價(jià)分別為“中”和“優(yōu)”。從此次事件的數(shù)據(jù)變化情況可看出，儀器內(nèi)部溫度恒定對(duì)重力儀的整體工作狀態(tài)起到至關(guān)重要的作用，直接影響了觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

在儀器說明書中也列出了儀器斷電時(shí)間與恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間的對(duì)應(yīng)表（表1），同時(shí)還提到在儀器斷電后重新通電加熱期間，數(shù)據(jù)漂移率會(huì)發(fā)生快速和不穩(wěn)定的改變。當(dāng)停止加熱后，達(dá)到正常漂移率可能需要長(zhǎng)達(dá)一周的時(shí)間。泉州臺(tái)重力儀此次斷電近7個(gè)小時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的影響達(dá)到21天，因此在儀器的使用中應(yīng)盡可能采取措施避免斷電，一旦斷電，儀器內(nèi)部溫度就會(huì)下降，造成數(shù)據(jù)曲線漂移，斷電時(shí)間越久，再次通電后儀器恢復(fù)到原來的平穩(wěn)工作狀態(tài)需要的時(shí)間就要越長(zhǎng)。

2.2 臺(tái)風(fēng)影響

從2018年1月正式運(yùn)行以來，泉州臺(tái) g-Phone 重力儀在每年的7—10月經(jīng)常會(huì)受臺(tái)風(fēng)影響導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)中高頻信號(hào)增多，觀測(cè)曲線變粗呈紡錘形狀。如2019年8月8 日06：00—11日23：59，受第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響，臺(tái)站附近云層明顯增厚，風(fēng)力增大，期間氣壓有明顯下降上升過程（變化幅度約6.83 hPa），降雨量為0.4 mm，原始觀測(cè)曲線變粗出現(xiàn)紡錘形狀，最大變化幅度約1982.29×10?8 m/s2，一階差分分析曲線也呈紡錘形狀（圖7）。該月數(shù)據(jù)雖然受到臺(tái)風(fēng)影響，但在中國(guó)地震局重力學(xué)科的內(nèi)在質(zhì)量月評(píng)價(jià)中仍為“優(yōu)”。選取其他受臺(tái)風(fēng)干擾的月份，也發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)對(duì)觀測(cè)內(nèi)在質(zhì)量月評(píng)價(jià)結(jié)果影響不大。

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)泉州臺(tái) g-Phone 重力儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為主要干擾因素為儀器觀測(cè)系統(tǒng)故障以及臺(tái)風(fēng)影響。

（1）重力觀測(cè)的傳感器對(duì)溫度非常敏感，正常工作的儀器內(nèi)部保持恒溫，若溫度發(fā)生變化則會(huì)影響整體的儀器性能，如數(shù)據(jù)的漂移率等。短時(shí)的斷電重啟，若溫度未發(fā)生大幅變動(dòng)，則數(shù)據(jù)能較快得到恢復(fù)；若溫度發(fā)生較大變動(dòng)（如變化超過1.0℃）且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則供電恢復(fù)后會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)漂移，需要較長(zhǎng)的時(shí)間數(shù)據(jù)才能恢復(fù)到正常水平，導(dǎo)致儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量降低。對(duì)于觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好的臺(tái)站，若想提供更為連續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)，可考慮為重力儀再配備若干個(gè)蓄電池，在外部 UPS 故障維修時(shí)，減少儀器斷電時(shí)間。

（2）臺(tái)風(fēng)會(huì)造成重力儀觀測(cè)曲線變粗，高頻成分增多，出現(xiàn)紡錘形狀。數(shù)據(jù)受影響程度與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度成正比，與臺(tái)風(fēng)跟臺(tái)站的距離成反比。在觀測(cè)數(shù)據(jù)受臺(tái)風(fēng)影響較大的時(shí)候，臺(tái)風(fēng)造成的高頻信號(hào)幅度甚至?xí)^數(shù)據(jù)正常日變幅。雖然重力儀器對(duì)氣壓變化有所反映，但對(duì)短時(shí)間的強(qiáng)對(duì)流天氣帶來的氣壓大幅波動(dòng)并不會(huì)像同一山洞內(nèi)的形變儀器那么敏感，這可能與其獨(dú)特的儀器結(jié)構(gòu)有關(guān)。

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