台站重力观测是利用高精度重力仪连续记录区域重力场的时间变化特征和规律^[1]。国际上有专门工作机构负责选定特定地点进行绝对重力仪的比测^[2]，国内外研究学者也做过很多相对重力仪对比研究^[3]，研究表明超导重力仪是目前观测精度最高的重力仪^[3-5]。同时，良好的外部观测环境，也可以使得弹簧重力仪的潮汐观测精度达到超导重力仪（SG）的观测量级^[6-7]。

不同台站不同潮汐波群的振幅因子和相位差测定精度为同一量级，但有所差异，除了仪器本身外，主要是台站周边气温、气压、地下水和地质结构的不同决定，经过各种改正后观测精度有所提高^[3]。那么同一台站不同仪器的观测资料有何差异，以及他们对温度、气压等干扰因素的反应有何不同，利用国内外重力研究方法与结果，有必要对两者进行一系列的评估研究。

银川地震监测中心站（以下简称银川站）现有两套相对重力观测设备，处于同一个观测山洞内，至今仍并行观测。GS-15是德国阿斯卡尼亚公司生产金属弹簧重力仪，70年代稳定运行至今。gPhone是由美国Micro-g公司生产的金属零长弹簧相对重力仪^[8]，是“中国大陆构造环境监测网络”（简称“陆态网络”）^[9]在2010年投入使用的连续重力仪。

本文将从两台重力仪记录情况，观测资料潮汐参数精度，仪器稳定性，记震能力以及抗干扰能力等方面做深入的对比分析，同时对非潮汐数据的变化做了分析。为重力仪器研发，地震预测研究，提取地震前兆信息奠定良好基础。

银川站位于银川断陷盆地腹部，位于贺兰山东麓断裂，贺兰山东麓有较宽的断裂带，断层活动性强，断层崖面清晰，山体相对上升，冲沟发育，沟谷坡降比大，深切呈“V”字型，沟口洪积扇发育，呈洪积倾斜平原带，其上有第四纪全新世以来的活动断层陡坎。

银川站观测山洞为基岩型台站，岩性由前震旦系的花岗片麻岩构成，弱富裂隙水。观测山洞位于贺兰山东麓断裂西侧，海拔1545 m，进深90余米，宽1.6 m，呈“之”字型，日温差＜0.01℃，年温差＜0.5℃，平均温度为12.87℃，相对湿度＜50%，山洞顶部基岩覆盖层厚度大于50 m。GS-15重力仪位于2号洞室，gPhone位于5号洞室，图1所示。距山洞西偏南270 m沟谷中有一深112.58 m井，每年3～11月份间歇性抽水，对观测资料造成不同程度的影响。

图1 观测山洞平面示意图Fig.1 Schematic plan of observation cave

银川站现运行的GS-15重力仪是中国地震局重力台网观测基本台之一，仪器编号： 125。于1974年架设，1981年将该重力仪移至山洞内观测，该仪器直接量程2×10^-5m·s^-2，分辨率0.5×10^-8 m·s^-2，仪器每月零漂小于1×10^-5m·s^-2，采样率为1次/min。2001年完成数字化改造，至今已运行40多年，积累了大量可靠资料。同时，银川站也是“陆态网络”连续重力站之一，在山洞内有gPhone重力仪1台，仪器编号：065，自2010年8月开始运行，拥有连续稳定的重力变化连续观测数据。gPhone重力仪是由美国Micro-g公司生产的金属弹簧相对重力仪，直接量程7000×10^-5m · s^-2，精细测量过程中的动态量程为100×10^-5m· s^-2，分辨率0.1×10^-8m·s^-2，仪器每月零漂小于1×10^-5m·s^-2，可保证仪器的长期观测，而不用调整量程，目前采样率为1次/s^[8]。

表1 两台重力仪指标Table 1 Indicators of two gravimeters

在利用重力潮汐仪器观测时间序列的同时，除了将地震信息记录下来，不可避免的会受到干扰信号。式（1）可知两台重力仪观测到的原始数据包括潮汐、非潮汐及其它干扰信号。

Δg_obs =Δg_tide + Δg_{sin gal} + Δg_drift + ε（1）

式（1）中，Δg_obs为重力仪观测到的重力固体潮观测值，Δg_tide为潮汐数据，Δg_{sin gal}为非潮汐数据，Δg_drift为重力仪的零漂，ε为噪声数据。

研究固体潮汐，通常需要用数字滤波从潮汐变化背景值上分离出非潮汐成分。而为了全面评价某套重力仪观测资料的精度，通常用Nakai检验均方误差，潮汐因子的稳定性以及调和分析的精度指标来衡量。而所记录到的非潮汐变化，可用于研究与地震的关系。

2.1 数据处理

选取两台重力仪数据时间范围从2015年1月1日至2017年3月6日。观测数据中包含较多突跳、缺数、台阶和地震干扰等，特别是gPhone数据受断电或网络因素影响较多造成了一些台阶和断数并非连续稳定。这些干扰信号会影响后续分析，需进行识别和消除^[14-15]。利用Tsoft等软件可以完成各种干扰的改正工作。

因为gPhone重力仪数据为秒采样，还需对其进行降采样处理，提取出分钟值数据。图2显示了银川站两台重力仪原始数据时间序列及去除零漂后的重力残差，gPhone具有负向线性零飘且零飘大的特点，年变幅为3×10^-5m·s^-2/年。GS-15年变化规律，正向零漂，年变幅为1×10^-5m · s^-2/年。gPhone的零漂比GS-15的大很多。

去除零漂后 GS-15的观测值在-150～100 （10^-8m·s^-2）之间变化，表现出“夏高东低”的年变化趋势，这与洞温保持一致性，图3所示。因GS-15为70年代引进，恒温系统欠合理，加热丝布设稀疏，其温度系数仍为500×10^-8m·s^-2/℃，所以抗温度干扰能力较低^[16]。而gPhone的观测值在-100～600（10^-8m·s^-2）之间变化。因其是双层恒温结构，恒温系统更为先进，保证了仪器不受外界温度变化的影响^[8]。

利用“消去法”将大地震扰动、尖峰、仪器的突然掉格和台站的特殊干扰信号去除，并根据资料中断的长度分别采用线性二次或三次回归模型对中断的潮汐数据进行内插，得到完整的残差序列。GS-15数据采用了4阶多项式分段拟合的方法去零漂，消除掉了洞温造成的影响。gPhone数据因零飘较为线性采用9阶多项式拟合去零漂。然后再用“恢复法”将消去干扰的信号恢复，从而获得完整的重力潮汐观测资料^[14-15]。非潮汐数据是利用“消去法”将原始数据曲线减去线性漂移，固体潮理论值即滤掉潮汐数据，并经过气压改正后得到的剩余的重力残差，它可表征该观测点的微重力变化，图5所示。

图2 gPhone重力仪原始数据处理过程及去零漂后残差Fig.2 The original data of gPhone gravimeter and residual error after zero drift removal

图3 GS-15重力仪受洞温影响相关性分析Fig.3 Correlation analysis of GS-15 gravimeter influenced by the cave temperature

图4 GS-15重力仪数据处理过程及去零漂后残差Fig.4 Data processing of GS-15 gravimeter and residual error after zero drift removal

图5 “消去-恢复”法处理后得到的重力固体潮及残差时间序列Fig.5 Gravity tide and residual time series obtained by "elimination recovery" method

2.2 潮汐分析

将银川站两台重力仪潮汐数据分别进行VAV调和分析与NAKAI检验，获得主要潮波的潮汐参数（8个周日波、6个半日波和1个1/3日波初始潮汐因子和相位滞后值）。

调和分析结果由表3可知，GS-15重力仪振幅在10×10^-9m/s²以上的主要潮波项O1、P1 、K1 、2N2、M2和S2，除了P1和2N2外，潮汐因子观测精度均可以达到0.1%量级，其中又以M2波精度最高，可以达到0.000 68。表4显示gPhone重力仪振幅在10×10^-9m/s²以上的主要潮波项O1、P1 、K1 、2N2、M2和S2，只有M2潮汐因子观测精度可以达到0.1%量级，为0.001 02。

图6是两台重力仪各波群潮汐因子及中误差对比结果，显示gPhone重力仪各波群潮汐参数均低于GS-15重力仪。而且经过NAKAI检验计算， GS-15总段数为398段，小于2的段数为387段。而gPhone总段数383段，小于2的段数只有27段，表2所示。

表2 GS-15潮汐参数VAV分析结果Table 2 VAV analysis results of GS-15 tidal parameters

表3 gPhone潮汐参数VAV分析结果Table 3 VAV analysis results of gPhone tidal parameters

图6 两台重力仪潮汐频段对比Fig.6 Comparison of tidal frequency bands between two gravimeters

表4 两台重力仪主要潮波及NAKAI检验比较Table 4 Comparison of main tidal waves and Nakai inspection of two gravimeters

2.3 气压改正前后对比分析

银川站GS-15重力仪残差序列的变化与气压变化存在高度的负相关，气压变化是引起重力漂移的影响因素之一，这符合气压负荷理论。将气压改正后的重力残差序列利用“恢复法”与固体潮理论值合并得到经过气压改正的潮汐数据。为简化计算，这里直接使用其他学者计算的银川小口子气压导纳值-0.42×10^-8m·s^-2/mbar与气压的乘积确定大气重力效应^[17]。虽然可以通过计算获得更为可靠的气压导纳值，其结果并不影响最终输出结果^[18]。通过气压改正，一定程度上提高了潮汐参数精度。

经气压改正后， GS-15有3种波群（S1、 M1、M2）潮汐因子和中误差变化较大，而gPhone只有一种波群（S1）变化较明显，说明gPhone的抗气压能力要优于GS-15，因gPhone对内层空间进行了真空处理，减少了外部气压变化对仪器的影响。gPhone的S1波潮汐因子在气压改正后下降幅度较大，达到23%。两套仪器的S1波精度都较差，气压改正后也无明显变化，说明除了气压干扰外，还存在其他因素的影响。

图7 GS-15和gPhone重力仪气压改正前后潮汐参数对比Fig.7 Comparison of tidal parameters of GS-15 and gPhone gravimeters before and after atmospheric correction

2.4 非潮汐数据分析

非潮汐变化的因素，远比潮汐变化的因素复杂，它与地球内部等变化有关，甚至与地球表层的因素，如断层活动、地下水、沉积物的迁移和大型工程建设都有关系。将两台重力仪进行气压改正后的非潮汐数据时间序列进行对比。如图6所示。数据显示gPhone重力仪非潮汐时间序列总体呈下降趋势，变化幅度约为20×10^-8m · s^-2。GS-15非潮汐时间序列变化总体平稳，变化幅度约为5×10^-8m·s^-2。

地震从孕育到发生是一个从应力积累到能量释放的过程。在地震孕育过程中，随着震源区应力的不断积累，使得地壳内部的物质发生迁移，致使地壳内部密度发生变化，从而使得该处地表的重力值发生变化^[20]。研究表明，秒采样的重力仪经常记录到大地震前数天之内的扰动异常^[19]，为检验银川站两台重力仪在震前有无扰动现象，对2015年4月15日15∶39∶28内蒙古左旗5.8级和2015年4月25日14∶11∶24尼泊尔8.1级地震前的数据进行处理。结果显示，gPhone重力仪在两次典型地震前25天有明显扰动现象，图6为去除潮汐和洞温影响，进行气压改正后，非潮汐数据。gPhone从2月中旬开始出现明显的“M”型震前扰动，最大幅度出现在3月底，达到40×10^-8m·s^-2，而在此之前非潮汐数据较为平稳，未受到抽水等干扰。分钟采样的GS-15在两个地震前无明显扰动显示。这反应出gPhone对震兆有较好的指示能力。结合以往银川站的重力资料对宁夏周边中强地震有一定的短临预测意义^[21]，该站两台重力仪值得密切关注，这种震前重力变化现象是否为临震异常，需增加震例作进一步的研究。

抽水对银川站山洞内各套仪器观测资料造成不同程度的影响，特别是洞体应变伸缩仪的东西分量，已记录不到固体潮汐，受抽水干扰时畸变较为突出，可以很直观的作为衡量抽水情况的判断标志。将其与重力非潮汐数据同时段进行比较发现gPhone重力仪1月至3月较为平稳，但进入4月份以后，抽水较为频繁，非潮汐数据与抽水时段伸缩仪的变化有明显的对应关系，相关性较好。而GS-15重力仪在抽水时并无明显干扰，非潮汐数据较为平稳。gPhone架设的观测洞室位置同处于伸缩仪东西分量附近，该洞室受到的干扰是否更为严重，还需要做进一步的研究。

图8 非潮汐重力残差数据分析Fig.8 Analysis of non-tidal gravity residual data

重力仪可凸显高频部分的优势，不但能清晰地反映周期在几十秒到几小时的地球自由振荡，也可清晰的记录地震波形，国内外许多学者研究了重力仪同震响应^[10-13]。依据中国地震台网地震目录，选取多个典型地震，利用两套重力仪记录的同震响应情况进行对比（见表3、图4。）

通过研究不同震级、震中距的地震对两台重力仪观测数据的影响关系发现。两台重力仪都能很好的记录典型地震同震响应信号，但gPhone记震精度和分辨率远高于GS-15。因gPhone在读数分辨率上远高于GS-15，（gPhone为0.1×10^-8m·s^-2，GS-15为0.5×10^-8m · s^-2）。 gPhone动态量程大（100× 10^-5m · s^-2），远大于GS-15（2×10^-5m · s^-2），而GS-15记录到较大地震时会出现限幅（尼泊尔8.1级地震）。

表5 全球大震及区域典型地震记录情况Table 5 Global major earthquakes and regional typical earthquake records

gPhone的这种高动态响应和秒采样的记录优势同样体现在记录近震及地方震中，表4是gPhone重力仪对于宁夏区内典型地震的记震情况。gPhone可以记录到1.0级的地方震响应，同震响应持续时间随震中距增大而减小，随震级增大而增大。而GS-15对于＞1000 km，并＜4.5级的远震无同震响应。说明有着超大动态量程和高灵敏度的gPhone重力仪记录到的高频数据对地震破裂过程研究具有重要意义^[13]。

表6 gPhone重力仪宁夏区内典型地震记震情况Table 6 Typical earthquakes in Ningxia recorded by gPhone gravimeter

通过对银川站同台址的两台重力仪（GS-15和gPhone）在2015年1月至2016年3月的时间序列观测资料进行潮汐分析，并以此为基础提取了非潮汐重力残差得出以下结论：

（1）GS-15年变幅为1×10^-5m·s^-2/年，gPhone年变幅为4×10^-5m·s^-2/年。GS-15为正向零漂，年变趋势呈现“夏高冬低”的规律，主要是由于洞温的季节微弱变化引起的。而gPhone具有负向线性零飘且零漂大的特点该仪器自身内部恒温装置的温度补偿能力要远优于GS-15。

（2）gPhone的高动态响应和秒采样的记录优势可以使它记录到1.0级的地方震响应，同震响应持续时间随震中距增大而减小，随震级增大而增大。而GS-15对于＞1 000 km，＜4.5级的远震无同震响应，并且受到较大地震时会超量程而限幅。两台仪器对于地震频段和潮汐频段的噪声水平值得研究。

（3）调和分析和NAKAI检验结果发现银川站gPhone重力仪各波群潮汐参数均低于GS-15重力仪。gPhone重力仪M2波潮汐因子为1.141 4，中误差0.001 02，NAKAI检验小于2的段数只有27段。GS-15重力仪M2波潮汐因子为1.180 0，中误差0.000 68，观测精度均可以达到0.1%量级对于，较为稳定。对此，我们认为可能是gPhone所处洞室受抽水干扰、背景噪声较GS-15大，亦或是观测系统等原因影响了观测精度，还需做进一步深入研究分析。

（4）经气压改正后， GS-15有3种波群（S1、M1、M2）潮汐因子和中误差变化较大，而gPhone只有一种波群（S1）变化较明显。从仪器构造角度来看，因gPhone采取全封闭结构，抗气压能力要优于GS-15。

（5）非潮汐数据显示gPhone重力仪受抽水干扰较GS-15严重，并且两次典型地震前有约40微伽重力扰动现象出现，这种扰动是否为临震异常的重力变化，还需作进一步的研究。