賈路路，王林海，陳石

在地球上任何有質(zhì)量的物體都會(huì)受到重力作用。由于地球形狀和質(zhì)量分布并不均勻，相同質(zhì)量的物體在地球上不同位置受到的力并不一樣，這是因?yàn)橹亓铀俣入S空間位置都會(huì)發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致其在地球兩極相比赤道受到的重力更大。精確測(cè)量地球上不同位置重力加速度的量值，并研究其變化規(guī)律，則可作為研究地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程和質(zhì)量分布規(guī)律的一種物理手段。

地球上的板塊運(yùn)動(dòng)和火山噴發(fā)等動(dòng)力學(xué)過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生一系列的應(yīng)力釋放，地震就是這些過(guò)程的必然產(chǎn)物。地震的孕育和發(fā)生往往會(huì)產(chǎn)生地球質(zhì)量的重新分布，而產(chǎn)生的地表微弱可觀測(cè)的重力加速度變化就是自然給人類留下的重要線索。如何高精度地獲取地球重力加速度及其變化規(guī)律，是人類解決地震預(yù)報(bào)難題、破解自然現(xiàn)象密碼的關(guān)鍵。

何為時(shí)變微重力？

所謂時(shí)變是說(shuō)對(duì)地表同一個(gè)位置的重力每隔一段時(shí)間重復(fù)測(cè)量一次，觀察其變化及規(guī)律，就像人們每隔一段時(shí)間測(cè)一次體重一樣?！拔⒅亓Α笔侵肝①ぜ?jí)(1微伽=10-8m/s2)的重力加速度變化。大家知道，地球平均重力值大約為9.8 m/s2。微伽級(jí)重力變化監(jiān)測(cè)，其精度大約相當(dāng)于測(cè)量一頭成年鯨魚(yú)掉落一根胡須后的體重變化。

根據(jù)測(cè)量原理不同，重力測(cè)量可分為：基于自由落體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)重力測(cè)量和基于胡克定律原理的相對(duì)重力測(cè)量，對(duì)應(yīng)的觀測(cè)儀器叫做絕對(duì)重力儀和相對(duì)重力儀。絕對(duì)重力測(cè)量可以測(cè)出重力值及其變化，而相對(duì)重力測(cè)量只能測(cè)出重力值（相對(duì)某一時(shí)刻或地點(diǎn)）的變化。打個(gè)比方，絕對(duì)重力儀就好比鐘表，能夠給出具體時(shí)刻的時(shí)分秒時(shí)間及其變化，而相對(duì)重力儀好比沙漏，只能給出時(shí)間相對(duì)流逝了多少。

如何獲取大范圍、高精度的時(shí)變微重力數(shù)據(jù)

總體而言，絕對(duì)重力測(cè)量精度高但造價(jià)昂貴，相對(duì)重力測(cè)量成本相對(duì)較低。所以，大范圍的重力觀測(cè)網(wǎng)一般采用高時(shí)空密度的相對(duì)重力測(cè)量、輔以少量絕對(duì)重力基準(zhǔn)控制的觀測(cè)模式，測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)需要后期解算處理（平差）。這稱之為混合重力觀測(cè)。

與地震孕育發(fā)生相關(guān)的重力變化多為微重力信號(hào)。所以，想要開(kāi)展地震重力研究，一方面需要高精度的重力觀測(cè)儀器采集數(shù)據(jù)；另一方面也需要科學(xué)完善的重力觀測(cè)數(shù)據(jù)解算方法和體系。

隨著我國(guó)陸地時(shí)變重力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，重力觀測(cè)時(shí)間跨度大，觀測(cè)儀器種類繁多，觀測(cè)質(zhì)量參差不齊，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)產(chǎn)品解算方法已經(jīng)不能滿足研究時(shí)變重力信號(hào)的高精度需求。在沒(méi)有國(guó)內(nèi)外成功案例和算法參考的情況下，我們提出了適用于大尺度陸地時(shí)變重力數(shù)據(jù)處理方法——貝葉斯平差方法。該算法解決了上述問(wèn)題造成的數(shù)據(jù)處理困難這一最基礎(chǔ)、但影響學(xué)科發(fā)展的重要技術(shù)問(wèn)題（圖1），并已經(jīng)成功地應(yīng)用于解決地震重力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)算法不完善等制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸性問(wèn)題。該算法還可以定量計(jì)算出相對(duì)重力儀的格值因子（儀器格值與重力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相當(dāng)于沙漏中沙子流量與時(shí)間流逝量的關(guān)系）。而傳統(tǒng)的相對(duì)重力儀格值因子確定，需要儀器在基線場(chǎng)中標(biāo)定測(cè)量，存在工作量大、人力物力耗費(fèi)多的問(wèn)題。所以，該方法不僅提高了數(shù)據(jù)解算精度和利用率，還具有節(jié)約測(cè)量經(jīng)費(fèi)的潛力。此外，為了檢驗(yàn)和評(píng)估重力觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，我們進(jìn)一步研發(fā)了針對(duì)多時(shí)空尺度重力數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系，有助于提高中國(guó)大陸時(shí)變重力場(chǎng)數(shù)據(jù)精度。

圖1 大尺度陸地時(shí)變重力數(shù)據(jù)解算方法體系

子圖1：貝葉斯平差方法可以有效估計(jì)儀器的非線性漂移，并獲得弱相關(guān)性的段差互差；子圖2：相較于經(jīng)典平差，貝葉斯平差獲得的段差殘差更小，隨機(jī)性明顯，且點(diǎn)值偏差更小，精度更高；子圖3：通過(guò)高精度絕對(duì)重力測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證貝葉斯平差獲取的點(diǎn)值可靠性更高。

基于該方法體系，我們對(duì)青藏高原東北緣和東南緣絕對(duì)與相對(duì)測(cè)量聯(lián)合的重力觀測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和測(cè)網(wǎng)的場(chǎng)源分辨能力進(jìn)行有效評(píng)估。這些結(jié)果可以為區(qū)域重力測(cè)網(wǎng)建設(shè)提供指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

助力判斷強(qiáng)震早期風(fēng)險(xiǎn)源

我國(guó)以解決地震監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為目的的區(qū)域重力場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)，其規(guī)模和數(shù)據(jù)產(chǎn)出已經(jīng)成為世界第一。在對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)變化與地震發(fā)生關(guān)系的問(wèn)題研究方面，我們利用“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”2002-2008年間的相對(duì)重力重復(fù)觀測(cè)結(jié)果，客觀地對(duì)中國(guó)大陸西部 6 級(jí)以上地震發(fā)生前的重力場(chǎng)變化與地震發(fā)生之間關(guān)系進(jìn)行了效能評(píng)估（圖2）。通過(guò)對(duì)比重力場(chǎng)變化、重力梯度等信號(hào)的預(yù)報(bào)效能發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有地表重力觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于判定6級(jí)以上強(qiáng)震早期風(fēng)險(xiǎn)源。研究成果可用于指導(dǎo)地球物理監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)強(qiáng)震早期風(fēng)險(xiǎn)源的判斷具有重要意義。

圖2 青藏高原周邊6級(jí)以上地震分布與震前重力變化及Molchan檢驗(yàn)

Molchan圖表法（Molchan Error Diagram）最早是對(duì)20世紀(jì)80-90年代開(kāi)展的經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)進(jìn)行科學(xué)總結(jié)，解決固定研究區(qū)強(qiáng)震時(shí)間預(yù)測(cè)問(wèn)題，并試圖給出概率解釋而逐漸發(fā)展起來(lái)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

震前深部物質(zhì)運(yùn)移的場(chǎng)源模型

地震的孕育和發(fā)生往往伴隨著地殼內(nèi)部質(zhì)量變化和運(yùn)移，會(huì)引起區(qū)域重力場(chǎng)的變化。20世紀(jì)70年代以來(lái)，陳運(yùn)泰院士等科學(xué)家提出了“地下物質(zhì)遷移”假說(shuō)，認(rèn)為由構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的深地殼物質(zhì)（流體）運(yùn)移可能引起與地震孕育和發(fā)生相關(guān)的“等效質(zhì)量源”信號(hào)。但受限于當(dāng)時(shí)相對(duì)重力觀測(cè)儀器的精度和缺少絕對(duì)重力基準(zhǔn)約束，測(cè)網(wǎng)覆蓋能力弱等因素，使得準(zhǔn)確提取與地震孕育過(guò)程相關(guān)的重力前兆信號(hào)存在較大挑戰(zhàn)。

21 世紀(jì)以來(lái)，高精度絕對(duì)重力測(cè)量技術(shù)逐漸實(shí)用化。例如，目前廣泛使用的FG5/FG5X型絕對(duì)重力儀，其觀測(cè)精度可達(dá)2微伽。這使得研究重力場(chǎng)的時(shí)間變化信號(hào)可以獲得更加準(zhǔn)確的基準(zhǔn)約束。我們陸續(xù)跟蹤研究了青藏高原周邊多次大地震前后的微重力變化(圖3)，包括2008年汶川MS8.0地震，2013年蘆山MS7.0地震，2015年尼泊爾MW7.8地震和2022年門(mén)源MS6.9地震，提出了幾次大地震前深部物質(zhì)（流體）遷移的場(chǎng)源模型，研究結(jié)果為證明震前深部物質(zhì)遷移假說(shuō)提供了有力的高精度絕對(duì)重力觀測(cè)證據(jù)。

圖3 青藏高原周邊多次大地震前后的絕對(duì)重力觀測(cè)微重力變化

構(gòu)建多手段綜合地球物理陣列

進(jìn)一步，為了評(píng)估深部流體引起的地表重力變化，我們通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)估高壓地殼流體侵入地下數(shù)公里后所引起的重力變化信號(hào)。深部高壓流體侵位可產(chǎn)生十年左右的重力正異常，侵位的最初2-3年重力場(chǎng)變化速率非?？欤ù笥?微伽/年），是最佳的觀測(cè)窗口。研究成果可為重力測(cè)網(wǎng)觀測(cè)和布局提供理論支撐，為研究與地殼內(nèi)部物質(zhì)（流體）運(yùn)移引起的地表重力變化提供了理論依據(jù)。此外，我們從地下流體運(yùn)移過(guò)程與斷層運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系角度出發(fā)，提出多手段綜合地球物理陣列的設(shè)想（圖4），推動(dòng)地球物理觀測(cè)手段從單一走向交叉；從單次觀測(cè)，走向時(shí)變；提高信噪比、提高精度，量化不確定性；以數(shù)值模擬方法，評(píng)估地表可觀測(cè)到的變化特征和量級(jí)，指導(dǎo)觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)和數(shù)據(jù)解釋。

圖4 多手段綜合地球物理陣列設(shè)想

近期，我們基于四川重力測(cè)網(wǎng)的絕對(duì)和相對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果，利用自研的開(kāi)源地球物理計(jì)算軟件“地學(xué)家-GEOIST”中的貝葉斯重力方法體系，提取了2013年蘆山MS7.0地震前后高精度的時(shí)變重力信號(hào)，并結(jié)合小震時(shí)空分布特征、流體觀測(cè)結(jié)果（He同位素，甲烷等）以及殼幔速度模型等多種地球物理和地球化學(xué)觀測(cè)手段，構(gòu)建了融合多學(xué)科研究結(jié)果的深部場(chǎng)源模型（圖5）。該研究成果在地震時(shí)變重力場(chǎng)建模和定量解釋方面提供了非常有意思的新思路。

圖5 融合多學(xué)科觀測(cè)結(jié)果的蘆山地震深部場(chǎng)源模型

子圖1：地表重力觀測(cè)獲取的震源區(qū)重力變化；子圖2：震源區(qū)內(nèi)震前小震活動(dòng)遷移與流體擴(kuò)散模型較為一致；子圖3：地表和衛(wèi)星觀測(cè)的震源區(qū)及附近斷層的幔源氣體釋放異常；子圖4：震源區(qū)位于低速層內(nèi)。

上述成果可以為如何有效提高大規(guī)模陸地重力測(cè)量數(shù)據(jù)的精度、高精度時(shí)變微重力數(shù)據(jù)應(yīng)用于地震前兆異常的探索以及震前信號(hào)的建模和定量解釋提供了新的研究思路和有意義的參考。

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