区域重力场相对基准的建立

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1、区域重力场相对基准的建立?孙少安 ? 项爱民( 中国地震局地震研究所, 武汉? 430071)摘? 要 ?针对地震系统各区域重力网的现状, 提出了一种在没有绝对重力测量资料的情况下, 利用网区多年积累的观测资料, 建立区域重力场相对基准的方法。实验证明, 采用该方法建立的区域重力场相对基准, 精度优于 50 nm?s- 2, 不仅有利于地震重力前兆信息的提取, 而且能优化和评定区域重力网的质量, 标定和检测重力仪参数及其变化。主题词 ?区域重力场? 相对基准? 重力网质量ESTABLISHMENT OF RELATIVE DATUM FOR REGIONAL GRAVITATIONAL FIE

2、LDSun Shaoan and Xiang Aimin( Institute of Seismology, CSB. Wuhan 430071)AbstractIt is necessary to establish a datum for studying the changes of regional gravitational field.Based on the present condition of the regional gravitational networks in seismological system, amethod for establishing a rel

3、ative datum is put forward for regional gravitational field with the ob? servational data collected in net area for many years, except absolute gravity measurement data.T he experiment proves that the precision of the relative datum established by this method is betterthan 50 nm?s- 2. It is not only

4、 beneficial to extract the seismic gravity precursor information, butalso can optimize and evaluate the quality of regional gravitational network, and calibrate and de? tect the parameters of gravimeters and their variations.Key words: regional gravitational field, relative datum, quality of gravita

5、tional network1 ? 引言我国的地震重力测量自 60 年代末开展以来, 迄今已取得长足进展, 尤其是近 10 年来, 在?收稿: 1998- 06- 11; 修回: 1998- 07- 18地震科学联合基金资助课题? 第 19 卷第 1 期地 壳 形 变 与 地 震Vol. 19, No. 1? 1999 年 2 月CRUSTAL DEFORMATION AND EARTHQUAKEFeb. , 1999观测技术、 数据处理技术和地震预报研究等方面已接近世界先进水平。具体表现在三个方面:观测精度已提高到 10- 8m?s- 2级, 已具备检测构造活动引起的区域重力场变化的能力;

6、!初步认识到了与地震孕育和发生过程相伴随的重力变化的某些特征和量级 1, 2, 增强了识别 各种干扰因素的能力, 并取得了一些地震预报的经验; 统一并规范了地震重力测量的方法、观测技术和数据处理技术 3。但是, 地震重力测量目前也存在着诸如测网布局、 复测周期和 异常识别等问题。其中对地震预报影响最关键的是如何识别并提取异常前兆信息。目前识别与地震孕育有关的前兆信息尚无一个统一的指标和办法, 因而有震无异常、 无震有异常的现象仍然存在, 尽管有过一些成功的预报, 但其方法和过程仍属概率预报。产生这种现象的原因有 二。一是研究区域重力场变化的基准选取不当。目前, 在网区没有绝对基准的情况下, 研

7、究区域重力场变化通常选择网区重力场某一时刻的重力值作为计算变化的相对基准。由于观测条件的差异, 因此观测误差( 系统误差和偶然误差) 常常干扰地震前兆信息的提取。二是测网的 质量不均匀。由于网中存在一些精度较低的区域, 使得在检测重力异常变化时灵敏度不一样。因此, 建立一个相对稳定、 精度较高的网区重力场相对基准, 同时了解区域重力网的薄弱所在是非常必要的。2 ? 区域重力场相对基准的建立方法常规的基准选择方法的不足, 主要在于偶然误差的影响。根据误差理论, 解决这个问题最 有效、 最简单的办法就是增加多余观测, 然后应用最小二乘原理, 求出区域重力网各重力点的最佳值。多余观测条件各区域重力网

8、基本具备。自 1985 年以来, 各区域重力网已积累了近 10 年的观测资料。在这些观测资料中, 除去潮汐和仪器零漂等可以定量计算的变化以外, 还包含一些非潮汐因素引起的变化, 因此在研究区域重力场相对基准这个# 静态问题时, 应当顾及重力场的非潮汐变化。总结国内外的众多研究结果, 可以发现: 重力场非潮汐变化的量 级一般情况下都不大, 区域性变化一般小于 100nm?s- 2/ a4, 与误差水平相当; ! 有变化的测点比例不大, 具有长期、 单调变化性质的测点则更少。因此, 在建立区域重力场相对基准时, 对 具有性质 ! 的观测数据予以剔除, 不会对子样观测值产生影响。这样各区域重力网在不

9、同时间采用不同仪器观测的大量资料就具有了正态随机误差的性质。若以重力段差观测值作为平差元素, 则地震重力测量剖面式逐点顺序联测然后反序逐点返回的观测方法, 使得观测量具有 了不独立的特点, 根据广义测量平差理论和有关研究结果5 8, 采用相关平差法求区域重力网各测点的最佳估值较为严密。相关平差方法的基本原理就是根据相关观测值求参数的最佳估值。若以 V 表示误差矩 阵, X 表示未知数矩阵, L 表示相关观测值矩阵, A 表示系数矩阵, 则误差方程V = AX - L(1)描述了一般情况下相关观测值和未知数之间的关系, 按最小二乘原理可解得未知数 X 及其协 因素阵QXX。未知数的精度( 即各重

10、力点的点值中误差) 则由mi= m0Qij(2)得到, 式中 m0为观测值的单位权中误差。由于测量粗差和一些较大的重力场非潮汐变化的影响, 使得观测资料中存在许多离散较 大的数据, 它们的存在会损失平差结果的精度, 因此必须在平差时将其从观测资料中剔除。参79第 1 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 孙少安等: 区域重力场相对基准的建立? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?照%地震重力测量规范 北京网则由于一些客观原因, 造成测点更改的比例和频次均较高, 而且无法进行新旧点联测。网中的质量薄弱区主要分布在东西两条测线。 根据以上分析, 在研究网区重力场变化和进行

11、网区重力测量作业时, 应考虑薄弱区的问题并采取相应措施予以弥补( 如进行少量的附加观测, 优化测网质量) 。采用已经建立的滇西网和北京网区域重力场相对基准, 对近 10 年来两网的观测资料进行重新分析, 结果表明: 检测到的区域重力场变化与网区及其周边发生的 5 级以上地震有着较 好的对应关系, 而且重力场空间分布变化图的零值线对未来震中和网区构造活动的主控断裂有良好的指示性。作者据此还研究并提出了适于滇西和北京区域重力网研究重力场变化的前兆异常指标。这些研究结果证明前述建立的区域重力场相对基准对检测区域重力场变化具有较好的灵敏度和准确性。 由于建立起来的区域重力场相对基准具有优于重力仪标定基

12、线的精度, 因此使用这个基准标定重力仪参数也是可行的9。德国的 Torge 教授也曾指出: 任何具有足够范围和精度的高等级重力网都能用来标定相对重力仪4。以重力仪的线性项( l ) 标定为例:l =? G ? S(4)? G 为已知重力值, ?S 为读数差; 相应的精度估计为: dl l=d( ? G) ? G-d( ? S) ?S(5)80? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 地 壳 形 变 与 地 震? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 19 卷这就表明, 要提高标定精度, 既可以在测点精度和观测精度不变的情况下通过增大重力差来实

13、 现( 即基线标定) , 也可以在重力差不变的情况下通过提高测点精度和观测精度来实现。但需要指出的是, 在网内没有绝对重力观测资料时, 这种标定的结果为区域相对值, 仅用于研究仪器参数的变化, 并对原仪器参数进行校正; 如果网区有绝对重力资料参与建立基准, 则标定结 果即为绝对系统值。参考文献1? 贾民育, 邢灿飞, 孙少安. 滇西重力变化的二维图象及其与 5 级( M s) 以上地震的关系. 地壳形变与地震,1995, 15( 3) : 9 19.2? 祝意青. 北祁连地区震前重力场变化特征. 地壳形变与地震, 1996, 16( 2) : 58 62.3? 国家地震局. 地震重力测量规范.

14、 北京: 地震出版社, 1997.4? Wolfgang Torge 著, 徐菊生等译. 重力测量学. 北京: 地震出版社, 1993.5? 於宗俦, 鲁林成. 测量平差基础. 北京: 测绘出版社, 1983.6? 刘绍府, 李辉, 刘冬至. 拉科斯特重力仪测量平差中的相关问题. 地壳形变与地震, 1990, 10( 2) : 67 73.7? 李辉, 刘绍府, 刘冬至. 流动重力测量数据处理系统的基本理论. 见: 地震预报方法实用化研究文集, 形变、 重力、 应变专集. 北京: 地震出版社, 1991, 311 318.8? 刘冬至、 李辉、 刘绍府. 重力测量资料的处理系统 LGADJ. 地震预报方法实用化研究文集, 形变、 重力、 应变专集, 北京: 地震出版社, 1991, 339 350.9? 贾民育, 邢灿飞, 孙少安. 滇西实验场重力资料的最佳解. 地震学报, 1994, 16, (增刊) : 100 108.81第 1 期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 孙少安等: 区域重力场相对基准的建立? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?