利用重力衛(wèi)星研究青?，敹嗉霸颇涎ǖ卣鹬苓?002—2021年重力變化

鄒正波 張 毅 談洪波 崔立魯 尹 鵬 吳桂桔

1)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071 2)防災(zāi)科技學(xué)院，三河 065201 3)引力與固體潮國(guó)家野外觀測(cè)研究站，武漢 430071 4)湖北省地震局，武漢 430071 5)成都大學(xué)，建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106

0 引言

重力監(jiān)測(cè)作為地震監(jiān)測(cè)的重要手段之一，為地震科學(xué)提供了重要的基礎(chǔ)研究資料。 中國(guó)以地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)為目的的地面重力監(jiān)測(cè)工作始于邢臺(tái)地震，并在之后的幾十a(chǎn)中取得了飛速發(fā)展，在地震監(jiān)測(cè)、 預(yù)測(cè)特別是中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)中發(fā)揮了重要作用(祝意青等，2018； 胡敏章等，2019)。 總結(jié)基于地面觀測(cè)的地震震例發(fā)現(xiàn)： 7～8級(jí)地震震前地表重力變化時(shí)間長(zhǎng)達(dá)0.5～3a(褚慶忠等，2014)； 胡敏章等(2019)通過(guò)研究重力變化的量級(jí)與震級(jí)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)6、 7、 8級(jí)地震的震前異?？蛇_(dá)70μGal、 90μGal、 120μGal(1μGal=1×10-8m·s-2)，與對(duì)流動(dòng)重力網(wǎng)及震例分析的結(jié)果基本一致(祝意青等，2018)； 地面重力雖具備觀測(cè)空間分辨率及精度高的優(yōu)點(diǎn)，也存在觀測(cè)周期長(zhǎng)，觀測(cè)成本高，受地面交通、 氣候等條件影響覆蓋范圍有限等不足。 青?，敹嗟卣鸢l(fā)生于中國(guó)的西部地區(qū)，該區(qū)地面重力測(cè)點(diǎn)相對(duì)稀疏，采用重力衛(wèi)星技術(shù)可為瑪多地震相關(guān)研究提供月時(shí)間尺度的觀測(cè)補(bǔ)充，為更好地發(fā)揮重力學(xué)科作用提供支持。

重力衛(wèi)星作為一種新的觀測(cè)技術(shù)，可從觀測(cè)周期與空間覆蓋等方面彌補(bǔ)地面重力觀測(cè)的不足，更好地發(fā)揮重力學(xué)科在地震監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)。 以探測(cè)時(shí)變重力場(chǎng)為主要科學(xué)目標(biāo)的重力衛(wèi)星計(jì)劃GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiments)在軌運(yùn)行15a(2002年3月17日—2017年10月10日)，已獲取了大量空間分辨率為300km、 時(shí)間分辨率為月的動(dòng)態(tài)重力場(chǎng)，為水文學(xué)、 冰川學(xué)、 氣象學(xué)及地震學(xué)研究做出了特有的貢獻(xiàn)(Tapleyetal.，2019)。 目前，已基于其所返回的數(shù)據(jù)成功提取到多次與地震相關(guān)的重力變化(Hanetal.，2006； 王武星等，2010，2014； 鄒正波等，2012； 張克亮等，2014； Daietal.，2016； 鄒正波，2016； Panetetal.，2018； Zhengetal.，2018； Chaoetal.，2019)，最小震級(jí)可達(dá)MW8.3(2013年鄂霍次克海地震)，為地震過(guò)程的重力動(dòng)態(tài)演變提供了科學(xué)樣本，具備開(kāi)展地震研究的潛力。 GRACE-FO(GRACE Follow-on，2018年5月22日發(fā)射)是GRACE的后續(xù)衛(wèi)星，其在復(fù)制GRACE設(shè)備的基礎(chǔ)上配備了更高精度的星間激光測(cè)距儀，已在全球范圍內(nèi)成功延續(xù)了GRACE衛(wèi)星計(jì)劃(Boergensetal.，2020)。 然而，其探測(cè)地震的能力是否有所增強(qiáng)、 是否能探測(cè)到青?，敹郙S7.4地震，仍需通過(guò)理論模擬其同震重力變化并加以評(píng)估。

1 研究區(qū)域

表1 2002年3月—2021年3月研究區(qū)域內(nèi)MS≥7.0地震的信息Table1 The MS≥7.0 earthquake data during 2002—2021 in the study area

圖 1 給出了研究區(qū)域的基本信息，藍(lán)色及粉紅色線條分別為一級(jí)和二級(jí)塊體邊界，紅色圓點(diǎn)代表2002—2021年研究區(qū)域內(nèi)的MS≥7.0地震及云南漾濞MS6.4地震的震中，底圖顏色代表海拔。

圖1 研究區(qū)域Fig. 1 Map of the study area.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)及其處理方法

GRACE、 GRACE-FO衛(wèi)星主要通過(guò)高精度星間測(cè)距技術(shù)(K波段微波測(cè)距技術(shù)及LRI激光測(cè)距技術(shù))實(shí)現(xiàn)低低衛(wèi)衛(wèi)跟蹤測(cè)量，可極大限度地提取地球質(zhì)量變化信息，進(jìn)而提供高精度的時(shí)變重力場(chǎng)模型產(chǎn)品。 本文選取美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分?？臻g研究中心發(fā)布的GRACE及GRACE-FO的RL06月重力場(chǎng)模型計(jì)算研究區(qū)的重力變化。 該模型已經(jīng)扣除了大氣、 海洋、 潮汐等效應(yīng)的影響，最高階次為60，覆蓋時(shí)長(zhǎng)為2002年4月—2021年3月(部分月份存在缺數(shù))。

利用衛(wèi)星重力場(chǎng)球諧模型提取震中區(qū)周邊的時(shí)空變化處理步驟包括： 1)用SLR衛(wèi)星的J2數(shù)據(jù)替換同期的GRACE、 GRACE-FO的C20數(shù)據(jù)(Suetal.，2020)； 2)從模型中扣除冰后回彈效應(yīng)的影響； 3)對(duì)模型進(jìn)行300km扇形濾波平滑，以減少南北異常條帶的影響； 4)扣除周期效應(yīng)影響； 4)獲取研究區(qū)域重力場(chǎng)時(shí)空變化。

2.2 GLDAS數(shù)據(jù)及水文信號(hào)的提取

陸地水儲(chǔ)量變化在重力衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的地球重力場(chǎng)變化中貢獻(xiàn)巨大，需要考慮分析并加以扣除，選擇與GRACE數(shù)據(jù)相同時(shí)段的1°×1°月模型進(jìn)行計(jì)算。 獲取GLDAS陸地水儲(chǔ)量變化可以從水平衡方程入手，即為降水、 蒸發(fā)及徑流之差，也可直接選取地表水濕度、 雪水質(zhì)量及植冠表面水質(zhì)量之和。 本文用第2種方法進(jìn)行提取，具體方法為： 1)利用GLDAS提取格網(wǎng)化的月陸地水儲(chǔ)量變化； 2)將格網(wǎng)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成同期的最高階次為60的球諧系數(shù)，提取GLDAS月重力場(chǎng)模型； 3)對(duì)模型進(jìn)行與重力衛(wèi)星相同的去南北條帶處理； 4)提取與衛(wèi)星重力觀測(cè)同時(shí)、 同區(qū)域的重力場(chǎng)變化； 5)在進(jìn)行重力變化數(shù)據(jù)處理分析前，將該結(jié)果從衛(wèi)星重力數(shù)值中剔除。

2.3 斷層模型及基于位錯(cuò)理論的同震重力變化

3 結(jié)果與討論

3.1 重力長(zhǎng)期變化率

圖2 2002—2021年研究區(qū)域的重力變化趨勢(shì)Fig. 2 The trend of gravity variation in study area during 2002—2021.

通過(guò)2002年4月—2021年3月重力長(zhǎng)期變化率分布結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)： 1)重力變化的空間分布與中國(guó)大陸活動(dòng)塊體的分塊有一定的相關(guān)性，且呈明顯的四象限分區(qū)特征： 東北部的鄂爾多斯塊體整體呈重力減小的態(tài)勢(shì)，西南邊界地區(qū)—青藏高原東觸角(緬甸、 尼泊爾與中國(guó)交界的地區(qū))重力沿EW向減小，西北的青藏高原中部(新疆、西藏、青海交界)的重力以0.2×10-8μGal·a-1的速率增加，華南地塊的重力以正變化為主，其他地區(qū)的重力變化較弱。 研究區(qū)域整體形成負(fù)—正—負(fù)—正大四象限空間分布特征； 2)一級(jí)或次級(jí)塊體的邊界區(qū)域重力變化均極小或?yàn)?，如華南地塊W側(cè)、 鄂爾多斯地塊周緣等均存在這一現(xiàn)象，玉樹(shù)地震、 蘆山地震、 緬甸地震、 九寨溝地震、 瑪多地震等均發(fā)生在塊體邊界地區(qū)，與地面重力觀測(cè)震例蘆山地震、 玉樹(shù)地震、 九寨溝等的結(jié)論相似，這一研究可為地震預(yù)報(bào)的地點(diǎn)判定提供大尺度背景依據(jù)，也為地面重力監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供了更多的震例樣本。

3.2 重力累積變化及差分變化

由于GRACE-FO是GRACE衛(wèi)星計(jì)劃的延續(xù)，盡管在全球范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的偏移(Boergensetal.，2020)，但兩者之間存在約1a的數(shù)據(jù)空白(2017年7月—2018年5月)，且2015年以后數(shù)據(jù)缺失較多，雖然可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法和SWARM衛(wèi)星的數(shù)據(jù)填補(bǔ)這些空白，但與直接觀測(cè)結(jié)果相比仍存在差距，因此本文只給出了基于觀測(cè)的重力變化結(jié)果。

衛(wèi)星重力變化結(jié)果可為地震的孕震背景及孕震過(guò)程研究提供大尺度依據(jù)，具有重要的參考價(jià)值。 本文利用重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)及水文模型提取到不受陸地水儲(chǔ)量變化影響的重力信號(hào)，并以此為基礎(chǔ)得到2002—2020年累積重力變化及差分重力變化。 考慮到7級(jí)地震的孕育時(shí)間尺度達(dá)不到20a，因此只選擇了最近10a的結(jié)果進(jìn)行展示和分析(圖3，4)，圖中紅點(diǎn)表示云南漾濞和青?，敹嗟卣鸬恼鹬?，綠點(diǎn)則為相應(yīng)時(shí)段內(nèi)發(fā)生地震的震中。 分析圖 3、 圖 4 不難發(fā)現(xiàn)：

圖3 2010—2020年累積重力變化Fig. 3 The cumulative gravity changes from 2010 to 2020.

圖4 2010—2020差分年重力變化Fig. 4 The annual differential gravity changes from 2010 to 2020.

(1)累積重力變化的四象限分區(qū)特征很顯著，這與長(zhǎng)期重力變化中(圖 2)負(fù)—正—負(fù)—正的空間分布格局基本一致，局部區(qū)域在不同年份存在小幅度差異變化。 具體而言，鄂爾多斯塊體以重力減少為主，2010—2020年重力減少的范圍和振幅都逐步增大； 青藏地塊則保持重力增加的態(tài)勢(shì)； 印度板塊以北、 西藏與尼泊爾交界區(qū)域的重力沿NE向減少； 華南地塊則以重力正變化為主，且空間變化較大。

(2)自2010年以來(lái)，研究區(qū)發(fā)生了玉樹(shù)MS7.1、 緬甸MS7.6、 蘆山MS7.0、 于田MS7.3、 尼泊爾MS8.1、 九寨溝MS7.0、 瑪多MS7.4等多次大地震，將這些地震的震中位置與局部重力變化結(jié)果進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，地震均發(fā)生在衛(wèi)星重力變化的零值區(qū)或極小值區(qū)域(正、 負(fù)轉(zhuǎn)換帶上)，這與已有的大地震孕震過(guò)程中地面重力時(shí)變特征研究的結(jié)果一致(祝意青等，2018； 胡敏章等，2019)。

(3)從圖 3 所示的多年重力變化可見(jiàn)，青?，敹?.4級(jí)和云南漾濞6.4級(jí)地震的震中區(qū)均處于重力正、 負(fù)交界區(qū)，幅度變化也很小，幾乎為0，云南漾濞地震震區(qū)從2011年以來(lái)幾乎都位于重力正變化高梯度帶的低值處(圖 3， 4)，而青海瑪多地震震區(qū)多年來(lái)也一直位于研究區(qū)大四象限分布的中心低值區(qū)內(nèi)。 另外，無(wú)論從空間分布還是振幅變化程度來(lái)看，2019—2020年與之前10a的結(jié)果均有顯著差異，四象限程度明顯增強(qiáng)，正、 負(fù)振幅均明顯增加。 從圖 4 所示的差分重力變化結(jié)果可見(jiàn)，相對(duì)于2019年，2020年瑪多北部出現(xiàn)了1μGal的重力增加，而漾濞地震震區(qū)以北則出現(xiàn)3μGal的重力減少。 大地震的空間位置與局部重力場(chǎng)變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系反映了大地震孕育過(guò)程中震中周邊物質(zhì)流與應(yīng)力場(chǎng)的遷移變化規(guī)律。

(4)研究區(qū)四象限分布的正、 負(fù)交界線與一級(jí)或次級(jí)板塊邊界基本吻合，表明重力變化分區(qū)能為板塊邊界的劃分提供重要依據(jù)，也從側(cè)面證明了衛(wèi)星重力變化與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(板塊運(yùn)動(dòng))有關(guān)。 衛(wèi)星重力變化(空間固定點(diǎn))來(lái)源于質(zhì)量遷移，且重力變化與質(zhì)量變化成正比，因此年重力變化能夠展示研究區(qū)域物質(zhì)流動(dòng)的動(dòng)態(tài)演化狀態(tài)，這種動(dòng)態(tài)變化蘊(yùn)含著大地震的孕震背景及孕震過(guò)程信息，能為大地震監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)提供重要的研判依據(jù)，同時(shí)也反映了重力衛(wèi)星具有探測(cè)大地震重力變化的能力。

3.3 區(qū)域重力變化的時(shí)間序列

選取2次地震震中區(qū)周邊一定范圍的數(shù)據(jù)，利用盆地函數(shù)方法(即范圍內(nèi)為1，范圍外為0)進(jìn)行區(qū)域平均，計(jì)算出2次地震震中區(qū)周邊的重力時(shí)間演變過(guò)程。 由于GRACE提取的重力變化時(shí)間序列存在周期性特征，且模型不能完全扣除，為研究與地震相關(guān)的重力變化，本文首先進(jìn)行了去周期信號(hào)處理，獲取了相應(yīng)的重力變化時(shí)間序列(圖 5 中藍(lán)色線條)，再對(duì)時(shí)序結(jié)果進(jìn)行12個(gè)月的滑動(dòng)平均處理(圖 5 中紅色線條)，以減少數(shù)據(jù)的無(wú)序震蕩。

圖5 青海瑪多及云南漾濞地震震區(qū)2002—2021年重力變化時(shí)間序列Fig. 5 The time series of gravity changes of seismic zone for Qinghai Maduo earhquake and Yunnan Yangbi earthquake.

青?，敹嗟卣饡r(shí)間變化序列(圖 5)結(jié)果表明： 1)采用滑動(dòng)平均方法能有效減少時(shí)序結(jié)果中的無(wú)序波動(dòng)，更能反映其長(zhǎng)期的變化特征； 2)GRACE觀測(cè)期間(2002年4月—2017年6月)區(qū)域重力變化趨勢(shì)性特征顯著，2002年4月—2005年5月該區(qū)重力以0.83μGal·a-1的速率出現(xiàn)趨勢(shì)性增加； 經(jīng)過(guò)2a的重力下降后，又開(kāi)始緩慢上升，隨后重力快速增加，2012年5月—2017年期間重力以0.66μGal·a-1的速率持續(xù)減少； 3)在GRACE-FO觀測(cè)時(shí)段(2018年6月—2021年3月)該區(qū)重力變化的幅度較大(-2～3μGal)，進(jìn)行滑動(dòng)平均后數(shù)據(jù)震蕩相對(duì)減弱，且捕捉到主要的特征變化，2018年6月—2021年3月重力變化經(jīng)歷了增加(2019年6月—2020年6月)—減少(2020年7月—2020年10月)—增加(2020年11月—2021年3月)的變化過(guò)程，這與唐山地震前的重力變化過(guò)程類似。

3.4 理論同震重力變化

圖6 模擬同震重力變化Fig. 6 Simulated coseismic gravity variation.

圖7 處理后的同震重力變化Fig. 7 Processed simulated co-seismic gravity variation.

同震重力變化的理論模擬研究為重力衛(wèi)星的精度提出了更具體的要求： 只有在重力衛(wèi)星的時(shí)變重力探測(cè)精度提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的前提下，方有可能探測(cè)到青?，敹郙S7.4地震的同震重力變化； 本研究為重力衛(wèi)星地震的需求論證提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

GRACE及GRACE-FO衛(wèi)星長(zhǎng)期對(duì)地觀測(cè)為研究全球及區(qū)域質(zhì)量遷移及重力變化提供了寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)，為地震重力場(chǎng)研究提供了特有的長(zhǎng)尺度、 近連續(xù)的靜態(tài)及時(shí)變觀測(cè)資料，具有重要的參考價(jià)值。 本文利用近20a的衛(wèi)星重力資料提取到2021年青?，敹嗟卣鸺霸颇涎ǖ卣鹫饏^(qū)周邊大尺度的背景重力場(chǎng)時(shí)變信息，得到以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)域的重力變化分區(qū)明顯，長(zhǎng)期存在負(fù)—正—負(fù)—正的大四象限空間布局，即鄂爾多斯塊體以重力減少為主，青藏地塊則保持重力增加態(tài)勢(shì)，印度板塊以北、 西藏與尼泊爾交界區(qū)域重力沿NE向減少，華南地塊則以重力的正變化為主，且板塊邊界的重力變化較小。

(2)2002年以來(lái)的MS≥7.0地震，如汶川地震、 玉樹(shù)地震、 蘆山地震、 九寨溝地震、 瑪多地震和尼泊爾地震等都發(fā)生在負(fù)—正—負(fù)—正大四象限的中心區(qū)域或與構(gòu)造相關(guān)的高梯度帶的拐角處，與地面重力地點(diǎn)預(yù)測(cè)的結(jié)論一致。 本工作為地面重力地震預(yù)測(cè)研究提供了更多的震例樣本。

(3)云南漾濞地震震區(qū)自2010年以來(lái)幾乎都位于重力正變化高梯度帶的低值帶，青海瑪多地震震區(qū)多年來(lái)也位于研究區(qū)大四象限分布的中心低值區(qū)內(nèi)。 且這2次地震震前2a的變化較之前10a的結(jié)果在空間和振幅上均有顯著空間增強(qiáng)異常，四象限程度明顯增強(qiáng)。 其重力異常變化與根據(jù)地面重力觀測(cè)結(jié)果總結(jié)的震例異常的結(jié)論一致。 本研究為云南漾濞和青?，敹嗟卣鸬脑姓鸨尘疤峁┝舜蟪叨燃伴L(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)支持。

(4)青?，敹嗾鹎?a重力經(jīng)過(guò)了1a的持續(xù)增加—4個(gè)月的減少—再次增加的過(guò)程，這與唐山地震前的重力變化過(guò)程相似。 云南漾濞地區(qū)的重力值在汶川地震及青海玉樹(shù)地震發(fā)震時(shí)均有顯著的跳變，然而這些跳變是否與這2次地震相關(guān)，還需要后續(xù)開(kāi)展深入研究。

當(dāng)前GRACE-FO采用的高精度星間激光測(cè)距技術(shù)并未有效提高衛(wèi)星重力場(chǎng)模型的精度，且星間測(cè)距技術(shù)并非當(dāng)前重力衛(wèi)星模式的瓶頸。 而采用衛(wèi)星星座將是比較現(xiàn)實(shí)的提高衛(wèi)星重力探測(cè)精度的方法。 目前國(guó)內(nèi)的天琴二號(hào)衛(wèi)星及未來(lái)通過(guò)國(guó)際合作建立的衛(wèi)星星座，將為探測(cè)更多地震提供新的契機(jī)。

此外，由于青海地震震中區(qū)位于黃河的源頭且在青藏高原上，冰川消融、 湖泊水位等變化會(huì)對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)產(chǎn)生影響，在后續(xù)的研究中將對(duì)該問(wèn)題做進(jìn)一步探討。