基于旋轉模型的青藏高原重力變化研究

李立功，段虎榮，牛麗娟

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院, 陜西 渭南 714000；2.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054）

基于旋轉模型的青藏高原重力變化研究

李立功1，段虎榮2，牛麗娟1

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院, 陜西 渭南 714000；2.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054）

用數值模擬方法研究了地殼旋轉運動與空間重力變化的關系，得出地殼劃分的長方體的旋轉運動引起的重力變化呈中心對稱分布。青藏高原地區(qū)的研究資料表明，該區(qū)域繞青藏高原東構造存在順時針旋轉運動。文中結合該地區(qū)的數字高程以及GPS觀測速率數據，計算了青藏高原塊體旋轉運動引起的重力變化，并與GRACE衛(wèi)星重力觀測結果進行了對比分析。

構造；衛(wèi)星重力；旋轉運動；重力變化

青藏高原是世界上海拔最高、最年輕、動力學環(huán)境最復雜的高原，是地學研究的熱點。衛(wèi)星重力探測技術以其快速、高效、幾乎覆蓋全球并能給出大尺度的重力變化等特點，大大改善了人們對地球重力場的認識[1-4]。與傳統(tǒng)的重力觀測理論不同，現(xiàn)有的重力變化理論模型大都不太適合解釋衛(wèi)星重力觀測到的結果[5]。為此，本文建立了地殼旋轉模型，嘗試通過模型的旋轉運動來模擬地殼運動，進而對引起的重力變化進行分析解釋。

1 旋轉模型及計算方法

1.1 地殼旋轉產生的重力變化

由萬有引力定律可知，在重力場中，對于某個相對固定的觀測點（ε，η，ζ），點源物質位移時產生的重力變化為[6]：

式中，G表示地球引力常數；m表示點源物質的質量；r1、r2分別表示位移前后觀測點到點源物質的距離。

在進行地質體實際研究時,可將地質體分成若干個規(guī)則的長方體[5]，每個長方體可以理解為由n個點源物質組成。根據式（1），對第i個長方體運動進行積分，就可以得到該長方體發(fā)生位移時在空間某處產生的重力變化[6]。

式中，ρ表示介質密度；V表示長方體的體積。

根據式（2），當直立長方體做旋轉運動時，為便于數據處理計算，不妨在建模時，將直立長方體的2個底面建立為正方形，設其底邊長為2l，棱長為2h。此時，在相應空間點處的重力變化為：式中，θ為長方體旋轉運動所轉過的角度，θ ∈[0,2π]。設（XC，YC，ZC）為長方體中心點坐標，則X1，X2∈ [XC-l，XC+l]，Y1，Y2∈ [YC-l，YC+l]，Z1，Z2∈ [ZC-h，ZC+h]。

由重力的可加性知，所有長方體的旋轉運動引起空間點（ε，η，ζ）處的重力變化為：

1.2 GRACE衛(wèi)星觀測數據計算重力變化[5,7]

GRACE衛(wèi)星采用高-低和低-低SST兩種模式進行探測，可以精確測定地球重力場的中、長波部分的變化。在正常橢球情況下,對地面某點（r，θ，λ）處的地球重力位球函數r求導，可得：式中，Plm (c osθ)為完全規(guī)格化l階m級締合Legendre多項式；fM為地球引力常數為完全規(guī)格化的球函數系數；R為地球半徑；r為地面觀測點到地球質心的距離；λ、θ為觀測點的經度和緯度。

GARCE衛(wèi)星數據觀測得到的重力場球諧系數可以表示為重力場長期的靜態(tài)平均值、重力場的長期變化與固體潮、海潮、極潮的影響及大氣、非潮汐變化影響的組合。而對某個區(qū)域的某一時間跨度而言，重力場系數可以看成背景場與其改正之和[8]。

將GRACE衛(wèi)星每年獲得的重力場與背景重力場求差，就可得到年重力場的變化值：

即

其中，ΔC、ΔS 表示月重力場和背景重力場模型的球諧系數之差。為抑制GRACE衛(wèi)星重力模型球諧系數高階部分的噪聲及截斷誤差的影響，加入各項同性高斯平滑函數Wl即

2 數值模擬地殼旋轉位移引起的重力場變化

進行數據模擬的單個長方體參數為：X軸方向（X1=0 km，X2=20 km），Y軸方向（Y1=0 km， Y2=20 km），Z軸方向（Z1=0 km, Z2=30 km）。計算點分布在ζ=0．0的平面上，共100個，點間隔10 km，運動前后介質密度ρ=2.67×103kg/m3。表1為長方體旋轉參數表。

表1 長方體旋轉參數表

圖1 旋轉運動引起的重力異常等值線圖/10-8ms-2

3 青藏高原地區(qū)重力場變化

圖2中紅色線框范圍為本文研究區(qū)域。中國西部地區(qū)地殼運動的位移場整體上具有由西南向北東方向運動的特點，而且青藏高原地區(qū)繞喜馬拉雅東構造具有明顯的順時針轉動模式。

圖2 青藏高原地區(qū)GPS運動速度場

3.1 GRACE衛(wèi)星監(jiān)測青藏高原地區(qū)重力變化

受時間和空間分辨率的影響，GRACE衛(wèi)星在研究局部地區(qū)的重力變化及其原因上，效果不顯著。但是可以從大尺度上反映地球重力場的變化。又考慮到間隔時間長的旋轉運動應更明顯，根據式（6）和式（8），以青藏高原地區(qū)東經80°～105°、北緯20°～35°地區(qū)GRACE GX-OG-_2-GSM 2005年12個月的重力場模型平均值作為背景重力場模型，與2009年12個月的重力場模型的平均值求差，計算2009年相對于2005年青藏高原地區(qū)的重力變化。模型最大階次為120階，高斯平滑半徑取390 km，分辨率為1°×1°[10]，如圖3所示。

圖3 2005～2009年青藏高原地區(qū)120階重力場變化/10-8ms-2

從圖中我們可以看到昆明以西地區(qū)是重力場變化值最大的地方，變化值為正值；而在喜馬拉雅山脈的南部以及青藏高原地區(qū)和川滇區(qū)域的交界部分，重力異常值為負值。

將上述結果與該地區(qū)的GPS觀測速度場（見圖2）進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，因為青藏高原主體地殼向北運動,而且呈現(xiàn)由南到北逐漸減小的趨勢，物質的流出較為明顯, 所以該地區(qū)的重力變化值為負；而青藏高原地殼存在繞喜馬拉雅東構造順時針旋轉運動，受到四川地塊的阻擋作用，所以昆明以西地區(qū)的重力變化值為正[11]。

3.2 青藏高原地區(qū)數值模擬的重力變化

為方便計算，本文只考慮塊體作旋轉運動的情況，建立如圖4所示坐標系，把圖2所示研究區(qū)域分成15行25列，1°×1°大小的長方體。計算面為xoy平面（Z=0），即每個計算點都位于相應長方體在xoy平面投影的中心位置。對于每個長方體塊體，地殼厚度統(tǒng)一取30 km，h表示塊體地形高度，hmax表示塊體地形的最大高度。

圖4 塊體地形高度

考慮到該地區(qū)的地形、氣候等條件的影響，從http://www．ngdc．noaa．gov/網站獲取青藏高原研究地區(qū)的地形數據，結合圖3中紅色線框所示范圍內GPS觀測站的運動速率[9]及《中國大陸現(xiàn)今地殼運動》附錄二中記錄的中國大陸GPS測站的速度場來確定塊體運動[12]。對于GPS觀測點分布不均勻的塊體，采用以計算點為中心，以1°為半徑搜索，按距離平方的倒數定權的方法進行加權平均內插得到。塊體的旋轉運動量為塊體內所有旋轉運動量的平均值，由公式（3）和（4）可得青藏高原地區(qū)重力變化如圖5。

將旋轉數據計算的重力變化與應用GRACE衛(wèi)星數據計算的重力變化進行綜合對比分析可知，兩者的圖形形態(tài)和數值都有較好的一致性。青藏高原地區(qū)的重力變化為負，昆明以西地區(qū)的重力變化值為正。但在部分地區(qū)也存在差異，這些差異需進一步研究。

圖5 由旋轉運動引起的青藏高原地區(qū)重力變化/10-8ms-2

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P223.0

B

1672-4623（2014）04-0037-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.012

李立功，碩士，研究方向為衛(wèi)星重力。

2013-10-09。

項目來源：陜西省教育廳自然科學基金資助項目（12JK0798）；陜西省科學技術廳自然科學基礎研究計劃資助項目（2011JM5005）；陜西鐵路工程職業(yè)技術學院科研基金資助項目（2011-40）。