第四章重力资料处理与分析

第四章重力资料处理与分析按最简单的假设δ与地球平均密度ρ、地球半径R、地表重力加速度g0及地球刚性系数μ存在如下关系：h=5f/(2f+1)（2-2-2）k=3f/(2f+1)（2-2-3）其中f=ρRg0/15μ。地球模型的不同，f值也不同。故借助δ的异常变化，再结合倾斜潮汐因子和应变潮汐因子的变化，可反算勒夫数h和k，研究地壳构造运动，为地震预报和地球动力学研究服务。维尼迪科夫调和分析计算步骤1、计算每个48段的中央时刻T的儒略世纪数,并计算六个天文元素；2、根据天文天文元素和给定的波群分类数，计算T时刻波群内各波的理论相位和理论振幅；3、对48小时（两整天的观测数据）读数组使用了一组滤波器，计算各相应波振幅与相位，即观测值；（数字滤波与最小二乘法相结合）4、进行误差分析；5、求解潮汐因子与相位差。现在台站使用常规重力观测仪器主要为阿斯卡尼亚GS仪器和我自己研制的DZW微伽重力仪，其它仪器主用于实验观测。中国地震重力网示意图非潮汐观测非潮汐观测结果主要指在重力固体潮观测结果中扣除潮汐效应后的部分。通过适当的方法排除其中的仪器漂移影响后，可以获得测点位置的重力长期变化结果。重力长期变化包括极移、大气、地下水、物质迁移、点位移动、地震孕育等信息，认真加以研究和鉴别，可以提取与地震预报有关的前兆信息。固体潮观测曲线包括的成份:

1、固体潮汐2、外界干扰3、仪器零漂4、地球内部物质、密度等变化（地震）

外界干扰:

温度变化干扰及校正气压改正（对仪器影响、对重力场影响）地下水干扰的校正（地下水类型）人为因素造成的重力效应(大型工程、抽水造成地面下降等其它固体潮观测资料的零漂的计算日均值法25小时均值法Φ0=（y0+y±1+y±2+y±3+…+y±12)/25彼尔采夫法Φ0=（y0+y±2+y±3+y±5+y±8+

y±10+

y±13+

y±18)/15重力场非潮汐变化一、引力常数G变化可能引起重力非潮汐变化二、地球的核幔边界变化可能引起的非潮汐变化三、区域性的短期非潮汐变化非潮汐观测结果主要指在重力固体潮观测结果中扣除潮汐效应后的部分。通过适当的方法排除其中的仪器漂移影响后，可以获得测点位置的重力长期变化结果。重力长期变化包括极移、大气、地下水、物质迁移、点位移动、地震孕育等信息，认真加以研究和鉴别，可以提取与地震预报有关的前兆信息。

课堂讨论

1、讨论大仓点重力变化原因？能给我们什么启示？

2、讨论重力非潮汐变化的原因？说明研究重力非潮汐变化意义与困难之处。

3、台站重力观测曲线包含内容？资料处理程序，怎样提取有用信息？形变观测数据流程“十五”处理软件功能“十五”观测数据产出流程年初归零：每年1月1日0时起数据归零。突跳处理：对严重影响动态曲线的单点突跳数据做补插处理。缺数处理：将因停电、仪器标定等造成的缺记、非正常数据标记为“缺数”。台阶处理：对因标定、仪器调零等造成的观测数据序列突变掉格进行处理以形成连续观测值。预处理记录：对所有预处理过程记录、标注其操作内容和特征参数。数据预处理彼尔采夫组合计算仪器零漂Φ=1/15(y0+y±2+y±3+y±5+y±8+y±10+y±13+y±18)重力台站观测成果的质量评价一、资料的连续性二、观测资料内符合精度1、nakai检验均方差2、潮汐因子的稳定性台站观测数据质量评价——Nakai方差检验原理：概率统计原理（大概率事件与小概率事件）1当观测值g（t)落于[Y（t)-2δ、Y（t)+2δ]区间的概率为95%2当残差︱ν（t)

︱≥2δ的概率为5%为小概率事件Nakai方差检验过程1、输入台站经度纬度及观测时间2、计算48整点时刻的固体潮理论值及其导数，组合系数矩阵A，M3、输入重力观测值g（t)，形成列向量B；4、解方程X=5、计算各时刻拟合值、偏差值及各段数据的方均差值δ6、判别：若有某个观测值残差满足≥2δ，则用Y（t)代替

g（t)，再重复4-6步运算，直至所有的观测值都满足︱ν（t)

︱≤

2δ为止。讨论：台站观测数据的质量1、方均差值δ大小问题结论：Nakai处理方法只能恢复观测数据的原有精度，而不能提高数据的精度。数据的质量是由仪器的观测精度和观测工作水平所决定的。2、数据质量评价：当η1和η2均在90%以上者为优

3、潮汐因子及潮汐因子的中误差

计算每月和年度重力潮汐因子δ和潮汐因子的中误差mδ。按月统计M2、O1波的中误差m2、m1

。潮汐因子稳定性

其中：资料质量指标评比分(100分)

采用学科专用软件统一计算M2波潮汐因子均方差和拟合精度，检验其观测资料的精度和长期稳定性。以当年最好精度为满分，参考中等精度者计算扣分率，最大扣分不大于10分（不包括误差最大者观测资料的相关分析当设观测资料中还存在一个很明显干扰X可通过简单的相关分析法作出正确的叛断,进一步干扰和确定限差Φ=ax+b+vAab是相关系数,v表示线性模型的误差专业处理流程数据查询数据处理产品入库数据字典表整时值数据表台站信息表整时值数据表日均值数据表五日均值数据表差分值数据表Nakai检验成果表调和分析成果表Nakai检验设置经纬度Nakai检验查看检验结果查看检验数据检验结果入库调和分析起始波号结束波号潮汐因子潮汐因子中误差振幅相位相位中误差重力与固体潮观测在地震预测中的应用一、固体潮对地震的触发作用

<论文\<地壳形变与地震预测>二、地壳介质性质（潮汐因子）的研究

<地壳形变与地震预测>三、重力场的非潮汐变化的研究与地震预测

<地壳形变与地震预测>四、扩容过程伴随的重力变化讨论<重力观测技术>五、重力方法在地震预测中的作用<论文>六、重力在地壳构造研究应用例<论文>一、固体潮对地震的触发作用潮汐力的作用：1、导致应力的进一步积累。2、对应力积累到末期的潜在震源起到触发作用，从而加速地震的发生。研究方法：通过统计方法，研究已发生的地震发生时刻与起潮力的相关性。研究结果（丁鉴海）发生在各个月相上地震频次明显受月相的调制和制约，呈现出一定的规律性，月相效应的最大幅度可影响地震活动平均频次的25%以上，证明了地震活动的月相效应明显存在，其影响不可勿视。月相效应的基本特征是具有半月和全月周期性加卸载响应比理论地震预报的新途径加卸载响应比理论尹祥础(中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京100080；中国地震局地震预测研究所，北京100036email：xcyin@public．bta．net．cn)尹祥础，男，1958年毕业于清华大学工程力学研究班，1984年在美国圣路易大学作访问学者．现为中国地震局分析预报中心研究员，中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室特邀客座研究员，中国地震局地球物理研究所博士生导师，中国科技大学研究生院教授，地震学报，中国地震，地震》及超级计算通讯编委，享受国务院“政府特殊津贴”．连续两次主持国家自然科学基金委员会重点项目(脆性介质损伤累积统计和破坏预测非线性演化理论和非均匀脆性介质破坏的共性特征，前兆与地震预测)．已发表学术论文一百多篇，专著一部．主要研究领域：地震力学，地震预报理论．是新的地震预报理论——加卸载响应比理论的奠基人．岩石材料本构关系曲线加卸载响应比Y：系统对加载的响应率Y=

系统对卸载的响应率当系统处于稳定状态时，Y=1；当系统偏离稳定时，Y>1；当系统失稳时，Y→∞。见论文二、地壳介质性质（潮汐因子）的研究1、勒夫数的定义与物理意义２、地壳介质性质与勒夫数关系３、地壳介质性质与地震关系４、潮汐因子与地壳介质性质关系５、结论：潮汐因子与地震关系勒夫数的定义

其中为海潮平衡潮高，为地球模型表面的径向位移，地球模型的形变在地面上产生的重力位的变化，hk为无量纲参数勒夫数的物理意义h是弹性地球的固体潮高与刚性地球的平衡潮高之比。球状径向不均匀地球模型表面在起潮力作用下的垂直位移与平衡潮潮高的比值0.638；k是地球弹性变形引起的附加力位与引潮力位之比。地球模型介质的密度变化在地面上产生的引力位与原起潮力位的比值k=0.3；l是地壳的水平位移与相应的水准面的水平位移之比。其表面的水平位移与平衡潮水平位移的比0.08。F为体积膨胀和相应的平平衡潮高之比；如果地球是绝对刚体,则这些比值均为零,表示地球在引潮力的作用下没有发生任何变形.若这些比值等于1,则表明地球是理想的流体,在引潮力的作用下,任何地方都像水准面一样,产生静力学变形.由于实际地球介质接近弹性体,故这些常数的值在0-1这间.勒夫数的计算值地壳介质性质与勒夫数关系1、开尔文从理论上证明勒夫数h、k、l（志田数）与地球介质力学参数μλρ关系P补30页(h=0.638,k=0.3,l=0.08)

地壳介质性质与地震关系地震学研究波速与λ、μ关系，地震与波速比的变化(下降:10%-20%,地震孕育到一定阶段)关系：３、潮汐因子与介质关系：<地壳形变与地震预报>73页重力潮汐因子：推导见吴庆鹏２２６页δ=1.16

地倾斜潮汐因子γ=0.68经纬度潮汐因子Λ=1.21体膨胀潮汐因子f=0.498地球重力位

w0为完全刚体时重力位,T起潮力位,弹性形变造成w0变化量,u为观测点沿地球半径方向上升位移,产生的位结论：通过勒夫数及潮汐因子与地壳弹性参数之间的关系看出，在孕震过程中，震源或其地壳介质性质一旦在应力作用下发生变化，势必影响实际固体潮观测曲线偏离其正常变化，产生畸变，所以在实际地震前兆数据分析中一旦发现固体潮波形发生畸变，在核实载其他因素干扰的前提下，应注意其有可能是地震前兆。重力在地震预测应用机理之一断层运动的平稳一失稳一突变一恢复过程，与地震发生的孕育一临震一余震过程相互对应。伴随整个过程，重力也有明显的相应变化。与地震有关的地面垂直变形可引起地面高程的变化，水平向压力和张力对地壳岩石的作用以及岩石中张性裂缝的形成可引起观测点下方介质密度的变化，深部触发大地震的岩浆和其它流体进人震源区可引起观测点下方质量发生变化。所有这些变化都能引起地面上某点的重力变化。从另一方面说，重力变化较大的地方，地壳底面起伏变化也大，这是由于受到水平构造应力挤压后，原本处于均衡状态的地壳受到破坏，地壳底面起伏发生变化，从而地表重力值也发生变化。在整个变化过程中，地表重力变化过程与地壳构造应力作用过程息息相关。一方面现在，重力高精度测量达到了一个新的水平，能够反映出地球动力学特征。将其转换成应力场特征图和应力降动态图，通过重力测量就能够研究监测区域的动态应力场特征.重力方法在地震预报中的作用1重力方法预报地震指标1．1台站重力预报地震指标1．2重力重复观测预报地震指标2重力预报地震指标判断震情震例2．1云南澜沧地震2四川巴塘、小金地震重力预报地震方法包括台站重力观测和重力重复测量两部分。利用重力方法是为了研究地球的潮汐和非潮汐信息与地震的关系：台站重力观测既可研究地球潮汐信息，又可研究地球的非潮汐信息，重力重复测量则着重研究地球的非潮汐信息，通过它们的变化规律，了解地下介质的质量和密度以及地球弹性模量的变化。四、扩容过程伴随的重力变化讨论<重力观测技术>

１、模型计算（根据岩石力学性质）（１）压缩阶段（２）膨胀阶段（３）流体扩