高台地震台(以下简称高台台)重力观测是在“十五”网络数字化项目中,安装架设于2006年6月,观测仪器为PET相对重力仪。该仪器经过武汉地震研究所改造完善,成为集观测、数据采集、数据存储、数据实时监控一体的观测系统,并增加气象三要素的观测,和重力观测数据一并实现了网络化的传输,PET型重力仪能同时输出12个辅助测项。同时该仪器自备了UPS电源和铷原子钟,保证了仪器的正常运转和时间精度(张新林等,2007)。武汉地震研究所在鹫峰地震台对该仪器观测对比发现,仪器在出厂时已经对观测值进行了格值转换,而武汉地震研究所的对比观测格值比例系数为1.005 2,对观测精度不会产生重大影响,但对潮汐分析还是有一定的影响。从重力技术管理部2008年和2009年的运行报告^①显示,高台台重力观测资料质量较高,观测资料的各项精度指标达到了国内同类仪器最好水平,可以用于地震监测及科学研究工作。为了更好地提高观测质量、发挥其在地震监测及科学研究意义,有必要对高台台观测资料进行系统、长期地质量监控,分析影响和制约观测值质量的干扰因素。

高台地震台地处祁连山—河西走廊中部,位于高台县城以北7 km,距黑河北岸约2 km。地质构造上位于合黎山—龙首山褶皱带南缘与走廊断陷的分解处,河西系高台—榆木山隆起与祁吕西褶皱外缘与古北西向构造斜撞复合部位。区域地质构造以合黎山—龙首山北西西向隆起带为主。重力观测仪器安装在台站院内的地下室,观测台基岩性为花岗岩。地下室深5 m,通道长17 m,通道内有5道塑钢门,观测室内玻璃隔断。地下室的顶部旁侧覆盖层无植被,覆盖层厚度小于6 m。

为了使数据具有连续性和完整性,对缺值基于理论值进行外推或内插来补齐。根据去除固体潮影响的漂移曲线,区分出随机错数和掉格,采用平滑方法改正,对大于限定值的掉格,则采用平推基线法加以改正。为了剔除意外干扰数据对分析结果的影响,采用Nakai拟合检验方法逐次对48 h间隔(维尼迪科夫数字滤波器间隔)作拟合检验,再用统计方法给出拟合方差的限值,最后在潮汐参数计算时根据各组的方差大小进行合理取舍(唐九安,1981,1990a,b)。

对高台台2008年1月1日至2010年12月31日重力观测值的Nakai检验结果显示:潮汐响应比例因子A=1.151 2,略小于潮汐响应理论平均值1.16; 相位误差B=0.03°,观测数据拟合均方差的均值SMD=0.68,同时求得漂移模型一次项漂移系数K1=0.27×10^-8 m·s^-2·h^-1

在对观测数据进行预处理后,使用维尼迪科夫数字滤波调和分析方法计算潮汐参数(唐九安,徐敬文,1986; 唐九安,1999),给出了3种时间序列的计算结果。

(1)逐月调和分析结果。逐月计算中对各月的天数约定为:1～4月、6～7月、9～11月都有30 d、5月有30 d(闰年32 d)、8、12月有32 d,由于双天原因,各月结果的起止日期将有跨月现象,但最多只在月首或月尾跨1 d。每个月结果均列出12个主波群的潮汐参数,其中含6个日波群、5个半日波群、1个1/3日波群。图1为全日波O1、K1,半日波S2、M2波4个主波群的月序列结果。

(2)年序列调和分析结果,对同一数据文件按年度求解潮汐参数。每年均列出15个主波群的潮汐参数,其中含8个日波群、6个半日波群、1个1/3日波群。表1给出了全日波O1、K1、S1,半日波S2、M2,1/3波M3共6个主波群的年序列结果:全日波O1、K1、S1波振幅因子分别为1.16、1.14、0.97,全日波中O1、K1波的振幅因子变化平稳,S1波振幅因子变化幅度较大。半日波S2、M2波振幅因子分别为1.151、1.15,两个波的振幅因子变化平稳,数值非常接近。1/3波M3的振幅因子为1.06,变化平稳。

(3)几个主波群全序列调和分析结果,对同一数据文件的全系列数据作一次性潮汐参数解算。每个结果均列出了18个主波群的潮汐参数,包含11个日波群、6个半日波群、1个1/3日波群,见表2。

图1 高台台重力观测月序列潮汐参数
Fig.1 Tidal parameters of month series in gravity observation at Gaotai Station

表1 高台台重力潮汐参数年度数据调和分析结果
Tab.1 Harmonic analysis results of annual gravimetric parameters at Gaotai Station

表2 高台台重力潮汐参数全系列数据调和分析结果
Tab.2 Harmonic analysis results of all range gravimetric parameters at Gaotai Station

潮汐因子的稳定性可基于O1波和M2波的维尼迪科夫调和分析逐月计算并进行讨论,表3给出了不同时段逐月潮汐的统计结果。从表中可以看出,在3年的观测期间,O1波和M2波潮汐因子变化相对稳定,稳定性在1‰之内。

表3 O1、M2波潮汐因子统计结果
Tab.3 Statistics results of tidal factor of O1、M2 waves

采用对日均值进行最小二乘拟合来提取非潮汐重力变化信息。非潮汐分析就是利用原始曲线滤掉潮汐和线性漂移部分后对剩余的残差进行分析的方法。残差值可表征该观测点的微重力变化。从高台台相对重力观测日均值曲线(图2)可以看出,相对重力变化呈倾斜上升变化趋势。从图2可以看出,2008～2010年微重力相对变化还是比较大,每年呈现不同的变化趋势。总体特点是,2008年相对呈倾斜性上升变化趋势; 2009年变化相对平稳,略有下降趋势; 2010年完全呈现呈下降趋势。

高台地震台地所在地区北部以祁连山山前断裂及榆木山、大黄山、文殊山3个隆起的北边界断裂为界(可能包括了整个河西走廊构造带),并与阿拉善地块相连; 东部以六盘山断裂、龙门山断裂和海源断裂带相接,与鄂尔多斯地块相邻; 南边以东昆仑断裂为界,与藏北地块毗连; 西北以阿尔金山断裂为界,与塔里木地块相接。该地区边界动力学上是受到阿尔金断裂左旋剪切、青藏地块相对向北东推挤,阿拉善地块相对向南推挤,以及鄂尔多斯块体的阻挡的共同作用,所造成的巨大左旋运动的构造复合体。正是由于以上边界断裂和构造体运动的共同作用,其影响为区域应力的集中分布,也使得该区域重力梯度大,差异运动强烈。高台重力观测到得微重力变化明显差异,反应了该地区重力梯级大,差异运动强烈,构造运动比较剧烈的区域构造应力特点。

微重力变化梯级较大的2008年和2010年,青藏块体分别发生2008年5月12日汶川8.0级特大地震和2010年4月14日青海玉树7.1级大地震,而微重力变化较为平稳的2009年,在青藏板块及周边未发生7级以上大地震。说明祁连山—河西地区构造的形成、发展、演化及现今活动都和青藏高原的整体活动密切相关,该区的构造应力活动方式等方面都与青藏高原的活动一致。在动力学上主要以青藏块体向北东向的推挤作用为主。

图2 高台台重力观测潮汐变化日均值(a)
及拟合残差(b)
Fig.2 Daily mean values(a)and their fitting

at Gaotai station

温度和气压是对重力潮汐观测的主要影响因素(唐九安,徐敬文,1986; 唐九安,1999; 孟晓春,2005; 熊仲华,2006)。一般对于像PET重力仪一样的弹簧重力仪,需要考虑观测台站大气的影响,由于温度和大气是相关的,就不考虑温度的影响。高台重力观测山洞保温性能较差,温度年变化幅度较大,年变化温差大约在4 ℃左右,因为温度变化与气压变化呈正相关性,所以温差的变化大多来自气压变化的影响。为了准确得到气压对重力观测结果的影响,笔者对观测值与理论值进行残差计算(图3),用重力残差值与气压值做一元线性回归Y=A+BX,拟合计算了重力潮汐观测值的残差值与气压的相关系数R、改正系数B的关系。拟合结果为:气压对重力观测的相关系数R为0.299 3,改正系数B为0.12。从图4中拟合结果可以看出,重力潮汐变化与台站气压的相关性较差,尚不能清楚地反映气压对重力观测产生的影响。高台重力潮汐观测自架设以来一直存在趋势性正向漂移,应该与仪器弹性系统的弹簧变形引起的零漂有关。

图3 高台台重力潮汐观测值与理论值残差结果
Fig.3 Residuals between observed and theoretical values of tidal gravity at Gaotai Station

图4 高台台重力潮汐残差值与气压一元线性回归结果
Fig.4 Residuals value of tidal gravity and atmospheric pressure linear regression at Gaotai Station

通过以上对高台台重力观测资料的研究分析,得出以下结论:

(1)从NAKAI检验求得一次漂移系数K₁=0.27×10^-8 m·s^-2·h^-1,结果说明高台台重力观测仪器存在趋势性正向漂移。

(2)分别对高台重力观测资料的逐月、年度以及全系列调和分析计算,获得了高台台重力观测的各个主波群的潮汐参数。其中月序列M2波潮汐因子平均值为1.154 5,均方差0.001 1,相位滞后0.54°,均方差为0.04。

(3)基于O1、M2波的维尼迪科夫调和分析逐月计算结果分析,3年内O1、M2波潮汐因子变化稳定在1‰之内。这与国家重力台网中心发布的观测运行评价月报中高台台重力观测资料M2波精度的统计分析结果基本一致。

(4)通过对重力观测日均值进行最小二乘拟合,去除固体潮变化,获得了高台台微重力变化信息。从残差值结果看,高台重力观测到微重力变化差异明显,这种差异变化正好反映了该地区重力梯级大,差异运动强烈,构造运动比较剧烈的区域构造应力特点。2008、2010年微重力变化梯级较大,青藏块体分别发生了2008年5月12日汶川8.0级特大地震和2010年4月14日青海玉树7.1级大地震,而2009年微重力变化较为平稳,在青藏板块及周缘未发生7级以上大地震。这可能说明了祁连山—河西地区构造的形成、发张、演化及现今活动都和青藏高原的整体活动密切相关,该区的构造应力活动方式等都与青藏高原的活动一致。在动力学上主要以青藏块体向北东向的推挤作用为主。

(5)高台台重力观测呈趋势性的倾斜变化,一般引起这种倾斜漂移的原因主要有仪器零点漂移、温度、气压等。该仪器自身内部加载了恒温装置,进行温度补偿,并采取全封闭结构,进行气压改正。通过对重力潮汐观测值残差(去掉理论值)与气压基于一元线性回归分析发现,高台重力潮汐变化与大气压力的相关性很差,对重力观测产生的影响不能清楚反映。而高台重力潮汐观测自架设以来一直存在趋势性正向漂移,应该与仪器弹性系统的弹簧变形引起零漂有关,正是弹簧变形产生的零漂影响远比气压引起的变化大的多,才导致回归分析结果体现不出气压的影响,关于这种漂移现象将进一步做深入研究分析。

感谢甘肃省地震局唐九安研究员在本次研究中给予的悉心指导和帮助。