高精度的時變重力場測量有助于研究地球內(nèi)外部系統(tǒng)的質(zhì)量遷移和重分布過程。近年來，隨著高精度絕對重力儀器的快速發(fā)展，通過絕對和相對重力建立的混合重力觀測系統(tǒng)可以獲得的高精度的時變重力信號，廣泛應(yīng)用于活動構(gòu)造區(qū)的地殼形變、密度變化和地殼深部流體運動等研究。然而，地表觀測的重力變化通常包含地表和地下多個場源過程產(chǎn)生的信號，而與地殼內(nèi)部地震活動相關(guān)的地表可觀測重力信號相對較弱，且變化機理尚不清楚，使得提取與深部構(gòu)造運動相關(guān)的重力存在巨大挑戰(zhàn)。因此，亟需探索科學(xué)的方法提取與深部場源過程相關(guān)的重力信號，并進行深部場源定量解釋，有利于理解地震孕震的深部物理過程。

為了解決以上問題，中國地震局地球物理研究所的陳石研究員團隊與日本統(tǒng)計數(shù)理研究所的莊建倉教授，采用新研發(fā)的貝葉斯重力數(shù)據(jù)處理方法體系用于2013年蘆山MS7.0地震前后的流動重力觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了可能與地表重力變化相關(guān)的深部場源物質(zhì)運移模型，并對蘆山地震的發(fā)震機制進行了探討，相關(guān)成果發(fā)表在Nature旗下雜志《Communications Earth & Environment》 。

 
1.高精度陸地時變重力數(shù)據(jù)解算

研究中基于四川重力測網(wǎng)2010年至2013年的絕對和相對重力觀測數(shù)據(jù)，采用貝葉斯重力平差方法獲得了高精度的多期重力點值結(jié)果，并量化了儀器性能參數(shù)的不確定性。該方法適用于大尺度陸地時變重力數(shù)據(jù)解算，可有效提高重力測量數(shù)據(jù)的解算精度（Chen et al., 2019; Wang et al., 2022）。采用含有時空正則化約束的貝葉斯視密度反演方法實現(xiàn)多期地殼視密度同步反演(Yang et al., 2021; Chen et al., 2022)，獲得了多期模型同化的累積重力變化。發(fā)現(xiàn)2013年蘆山MS7.0地震前在震中以南重力顯著增加，可達23微伽/年，震后逐漸減小，如圖1所示。

圖1 由地殼視密度模型獲得的多期模型同化的累積重力變化

震前：(a) 2010-08~2011-03, (b) 2010-08~2011-10, (c) 2010-08~2012-05, (d) 2010-08~2012-10; 震后：(e) 2010-08 ~2013-05 (f) 2010-08~2013-09. 黑色虛線標(biāo)記重力變化增加的區(qū)域。

 
2.水文和地殼形變效應(yīng)改正

根據(jù)收集的氣象站觀測降水蒸發(fā)數(shù)據(jù)，GLDAS和WGHM水文模型，以及多個連續(xù)GNSS臺站觀測數(shù)據(jù)，計算了由陸地水變化和地殼形變引起的重力變化約為-2微伽/年，如圖2所示，不足以解釋該區(qū)域重力增加變化。

圖2 研究區(qū)水文重力效應(yīng)與地殼垂直形變

(a) WGHM 模型中與地下水位變化相關(guān)的重力變化率。 (b) 與 GLDAS 的陸地水儲量相關(guān)的重力變化率。 (c) 氣象站降水、蒸發(fā)變化引起的重力變化率。 (d) GRACE 衛(wèi)星重力觀測的重力變化率。 (e) 連續(xù) GPS 測量的垂直速度。 圖(c)中藍色箭頭的位置表示氣象站的位置。

 
3.重力變化的深部等效質(zhì)量源反演

基于“地下物質(zhì)遷移”假說(Chen et al., 1979)和“震質(zhì)源/中”的概念模型（Kuo et al., 1993; Chen et al., 2016; Jia et al., 2023），認(rèn)為由構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動的深地殼物質(zhì)（流體）運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。因此，研究中假設(shè)震源區(qū)以南的重力增加可能與深部地殼中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移有關(guān)，采用簡化的密度均勻的圓盤形等效場源模型來量化深部物質(zhì)變化范圍?；?/span>MCMC方法估計圓盤模型參數(shù)，并進行不確定分析，如圖3所示，相較于未同化的重力結(jié)果，采用模型同化的重力變化率反演獲得的圓盤模型參數(shù)不確定性更小，反演殘差較小。

圖3 模型同化前后的重力變化與相應(yīng)圓盤模型

（a）      和（b）表示分別采用平差的重力點值和模型同化的重力率反演獲得的圓盤模型參數(shù)；（c）模型同化的重力變化率與相應(yīng)的圓盤模型。

 
4.震源區(qū)地震學(xué)和地?zé)嵊^測結(jié)果

選取該圓盤區(qū)域內(nèi)2010年8月至蘆山地震前10公里以下的2級以上地震，發(fā)現(xiàn)小震震中隨時間從圓盤中心向蘆山地震震源遷移，與假設(shè)地下流體擴散速率約為10 m2/s的理論結(jié)果較為一致（Yukutake et al., 2011），如圖4（a-c）所示。根據(jù)地表流體觀測站以及衛(wèi)星觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了在龍門山斷裂帶南部存在 3He/4He 和 CH4 的異常釋放(Cui et al., 2017; Zhang et al., 2021)，如圖5（a）所示，而且采用SWChinaCVM-1.0三維殼幔速度模型（Liu et al., 2021），發(fā)現(xiàn)圓盤形等效場源模型位于低速帶區(qū)域內(nèi)，如圖5（b-d）所示，小震沿高低速度帶邊界分布。

圖4蘆山 MS7.0 地震前小震活動的時空特征

圖(b-c)和(d-e)分別給出了藍色和綠色陰影區(qū)域內(nèi)震中距、震源深度與地震發(fā)生時間的相關(guān)關(guān)系。

圖5 3He/4He, CH4 and CO釋放異常區(qū)和過圓盤中心與震中的三條速度剖面

 
5.地表重力變化的深部場源建模

最后，本文構(gòu)建了融合多種觀測結(jié)果的深部場源模型，如圖6所示，推測蘆山地震前的重力增加可能與震源區(qū)大規(guī)模的深部物質(zhì)（流體）遷移有關(guān)(Liu et al., 2022)。論文研究成果可以為如何有效提高大規(guī)模陸地高精度重力測量數(shù)據(jù)的精度提供系統(tǒng)性解算流程，并為地震時變重力場建模和定量解釋提供了新的研究思路。依托該成果應(yīng)用于地震前兆異常的探索，可以為國家防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)提供關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)支撐。

圖6 蘆山地震震源區(qū)與地表重力變化相關(guān)的深部場源模型

研究成果在2023年發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Communications Earth & Environment》。研究受地震科學(xué)聯(lián)合基金（批準(zhǔn)號：U1939205）、中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項（批準(zhǔn)號：DQJB22K42, DQJB21R30）、國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號42004069, 42104090）、日本地震數(shù)據(jù)研究創(chuàng)新項目（STAR-E) (JPJ010217）共同資助。

【文獻引用】

Wang, L., Chen, S., Zhuang, J. et al. Gravity field changes reveal deep mass transfer before and after the 2013 Lushan earthquake. Commun Earth Environ 4, 194 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00860-z

【作者簡介】

王林海，重力與地殼形變研究室助理研究員，主要從事時變重力數(shù)據(jù)處理與場源建模研究。Email: wlh@cea-igp.ac.cn

陳石(通訊作者)，重力與地殼形變研究室研究員，主要從事重磁位場方法與地球動力學(xué)研究工作。Email: chenshi@cea-igp.ac.cn