傾斜改正在連續重力數據預處理中的應用

徐志輝 錢 庚 王建偉

（1、中國地震局地震研究所（地震大地測量重點實驗室），湖北 武漢 430071 2、湖北省地震局，湖北 武漢 430071 3、恩施地震臺，湖北 恩施 445000）

1 概述

重力儀是獲取地球重力信息的最直接和最重要的儀器之一[1]，20 世紀30 年代，國外就已經著手研發地面相對觀測重力儀[2]。LaCoste-Romberg 重力儀的問世，標志著地面連續重力觀測精度進入微伽級，早期的LaCoste-Romberg 重力儀分為G 型和D型兩種，其中G 型重力儀的量程約為7000mGal，精度達到了10微伽，由于其廣泛的量程，因此可以不需要調整測程便可在全球范圍內使用，而D 型重力儀在G 型的基礎上進行改進，使儀器量程縮減到200mGal，從而使得測量精度從10 微伽減小到了5 微伽。

然而隨著科學技術的發展和對地震監測預報要求的減小，人們對重力儀觀測精度的要求越來越高，為了減小儀器觀測精度，U.Casten 等[3]給D 型重力儀安裝一個電子反饋系統，用以減小儀器的觀測精度，但是并未取得預期中的效果，他們將改進集中于用電子水準器來替代傳統的標準液體水準器。不同于電子反饋系統，劉冬至等[4]對G 型重力儀加裝靜電反饋系統，不僅改善了彈性系統的流變性，同時還削弱了靈敏度對傾斜的依賴程度。然而這些改進都無法完全消除傾斜對重力儀器在觀測過程中的影響，由于技術水平的限制，傾斜改正一直難以實現，gPhone 重力儀的出現使得傾斜改正成為了可能。

本文通過對不同地區不同噪聲水平的gPhone 重力儀原始數據進行傾斜改正，然后進行預處理和調和分析計算其潮汐因子，對比分析傾斜改正前后振幅因子標準偏差。

2 傾斜改正及數據處理

2.1 傾斜改正

進行重力觀測時，如果儀器不處于水平狀態，那么儀器測量的重力值并不是真實的重力值，包含著一個偏移量[5]，而以往的彈簧重力儀其水平參數的輸出多為模擬信號，無法對儀器的傾斜參數進行改正，這對觀測數據的精度有著一定的影響。gPhone重力儀在其基礎上進行了改進，將水平參數輸出的模擬信號進行數字化記錄[6]，因此可以利用數字化記錄的縱水準（long level）和橫水準（cross level）對gPhone 重力儀進行傾斜改正，以減小其觀測精度。

2.2 數據處理

本文選取林芝和北京這2 個臺站的重力原始采樣率數據，首先對原始觀測數據進行傾斜改正，得到傾斜改正后的重力觀測數據，然后分別對原始數據和傾斜改正后的數據進行預處理。預處理軟件為Tsoft，它是1997 年比利時皇家天文臺Vauterin 研制出的一種用于重力潮汐數據預處理的軟件，該軟件采用圖形交互處理的方式，利用計算機的圖形處理能力，直接對重力觀測數據中的各種干擾進行修正，使得預處理更加的直觀明了，而且預處理的效果也具有很高的可信度[7-8]。

重力觀測過程中，難免會將地震等信息記錄下來，除此之外，觀測過程中，由于儀器自身的原因，數據會出現尖峰和突跳（又稱階躍）信號，如果儀器斷電，甚至會導致數據的缺失，由于gPhone 是秒采樣，數據的缺失更為明顯，這些干擾都會影響數據處理結果的精度。因此在對數據處理之前，首先要對數據進行預處理，在不影響觀測分析結果精度的條件下，盡可能的將這些干擾去除。

3 結果分析

重力調和分析方法就是對重力潮汐觀測信號進行修正，去除各種非重力信號最大限度的得到準確的重力信號。目前國際上廣泛應用的調和分析方法主要有Baytap-G[9]調和分析方法，ETERNA[10]分析方法以及VAV[11,12]調和分析軟件。本文利用VAV調和分析軟件分別對林芝地震臺和北京地震臺傾斜改正前后的重力值進行調和分析。標準偏差可以作為判斷改正前后潮汐因子的精度，標準偏差越小，表明精度越高，反之，則越低。

林芝地震臺原始重力值和傾斜改正后重力值的調和分析結果如表1，在周日波Q1、O1、NO1、K1、J1、OO1 以及半日波2N2、N2、M2、L2、S2，傾斜改正后振幅因子標準偏差都有所降低，其中Q1 標準偏差從0.00648 減小到了0.00622，O1 標準偏差從0.00182 減小到了0.00175，NO1 標準偏差從0.02587 減小到了0.02481，K1 標準偏差從0.00254 減小到了0.00244，J1 標準偏差從0.01563 減小到了0.01500，OO1 標準偏差從0.02864 減小到了0.02750；2N2 標準偏差從0.00500 減小到了0.00456，N2 標準偏差從0.00126 減小到了0.00115，M2 標準偏差從0.00029 減小到了0.00027，L2 標準偏差從0.00902 減小到了0.00803，S2 標準偏差從0.00073 減小到了0.00066，M4 從0.45887 減小到了0.45845，M3 標準偏差從0.00856 增加到了0.00878。

表1 林芝地震臺VAV 調和分析結果

北京地震臺原始重力值和傾斜改正后重力值的調和分析結果如表2，在周日波Q1、O1、NO1、K1、J1、OO1 以及半日波2N2、N2、M2、L2、S2，傾斜改正后振幅因子標準偏差都有所減小，其中Q1 標準偏差從0.04909 減小到了0.04908，O1 標準偏差從0.01251 減小到了0.01250，NO1 標準偏差從0.20261 減小到了0.20197，K1 標準偏差從0.00470 減小到了0.00469，J1 標準偏差從0.08181 減 小 到 了0.08177，OO1 從0.30034 減 小 到 了0.30008；2N2 標準偏差從0.05863 減小到了0.05850，N2 標準偏差從0.01311 減小到了0.01308，M2 標準偏差從0.00267 減小到了0.00266，L2 標準偏差從0.07546 減小到了0.07529，S2 標準偏差從0.00702 減小到了0.00701；M4 從4.31408 減小到了4.28511，M3 標準偏差從0.09679 增加到了0.09745。

表2 北京地震臺VAV 調和分析結果

4 結論

從林芝地震臺和北京地震臺2 個地震臺站的重力儀傾斜改正后預處理結果可以得知，傾斜改正可以減小重力觀測數據的精度，無論是周日波還是半日波，傾斜改正后的標準偏差均要小于傾斜改正之前的標準偏差，然而不同臺站其精度減小各不相同，其中林芝地震臺改正后的精度要高于北京地震臺。

然而，結果顯示林芝臺和北京臺同時出現了傾斜改正后M3波振幅因子標準偏差有所增大的現象，其具體原因尚不明確，需要進一步的分析和討論。

總體而言，傾斜改正確實能夠提高連續重力數據預處理中的精度，但是由于選取的臺站數據量太小，其他的重力臺站數據是否能夠提高精度尚需進一步分析。