2010—2020年云南及周緣絕對重力變化特征

張新林 汪 健 胡敏章王嘉沛 李忠亞 張 毅

1)中國地震局地震研究所，武漢 430071 2)中國地震局地震大地測量重點實驗室，武漢 430071

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，隨著高精度絕對重力儀測量技術(shù)的發(fā)展和高精度絕對重力儀的應(yīng)用，絕對重力測量在建立重力測量基準(zhǔn)、 高精度相對重力儀的標(biāo)定、 相對重力聯(lián)測控制解算以及監(jiān)測地殼垂直形變和地球動力學(xué)有關(guān)的重力變化方面發(fā)揮著越來越重要的作用。 高精度絕對重力觀測，特別是重復(fù)絕對重力觀測對重力場動態(tài)變化檢測具有重要意義。 首先，高精度絕對重力測量能夠探測出地球內(nèi)部的質(zhì)量運移和一些地球動力學(xué)事件引起的微小重力變化(Lambertetal.，2001； Williamsetal.，2001； 王勇等，2004)； 其次，重力變化的研究是地震監(jiān)測的重要一環(huán)，對震前、 同震及震后的重力變化特征開展研究分析有助于我們了解震源機制、 地震孕育過程并作出地震中長期預(yù)測(Zhuetal.，2010)； 最后，重復(fù)絕對重力測量給出了重力場的長期變化趨勢，為研究重力場的變化特征提供了重要的基礎(chǔ)觀測資料(祝意青等，2007，2012)。

自1998年起，以服務(wù)于地震監(jiān)測為主、 兼顧其他領(lǐng)域應(yīng)用的綜合性科學(xué)工程項目 “中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”開始實施，重力觀測是其重要內(nèi)容之一(牛之俊等，2002)，每2a對分布在中國大陸范圍內(nèi)的25個重力基準(zhǔn)站進行絕對重力測量(許厚澤，2003)。 2010年，由中國地震局牽頭，中國科學(xué)院、 國家測繪地理信息局和總參測繪導(dǎo)航局共同承擔(dān)的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)的實施，使得重力基準(zhǔn)點擴充至100個，測量周期為2～3a一期，該絕對重力觀測網(wǎng)是中國目前精度最高、 覆蓋范圍最廣的重力基準(zhǔn)網(wǎng)，以監(jiān)測整個中國大陸強地震活動引起的重力變化為主要目的，在絕對重力控制下進行相對重力聯(lián)測，獲取重力變化信息(韓宇飛等，2020)。 目前已經(jīng)完成了5期的觀測任務(wù)，在重力基準(zhǔn)的建立和應(yīng)用上發(fā)揮了重要作用(邢樂林等，2016)。

云南地區(qū)是中國地震活動最為強烈的地區(qū)之一。 為研究與地震有關(guān)的重力變化，本文整理了陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在云南及周邊區(qū)域10個重力基準(zhǔn)點(昆明、 東川、 蒙自、 思茅、 勐海、 耿馬、 瑞麗、 下關(guān)、 麗江和攀枝花)2010—2020年共5期的絕對重力觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了每期各基準(zhǔn)點的重力值及其點值精度，提取了不同時間尺度和時段的重力變化速率，分析了不同時間段和時間尺度的重力場變化特征。

1 云南及周邊陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)點的絕對重力重復(fù)觀測結(jié)果

自2010年陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)項目實施至今，中國地震局地震研究所承擔(dān)了云南省及鄰區(qū)的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)10個重力基準(zhǔn)點的全部5期絕對重力測量任務(wù)(圖 1)。 第1期為2010—2012年，第2期為2013—2014年，第3期為2015—2016年，第4期為2017—2018年，第5期為2019—2020年。 使用的儀器分別為2005年引進國內(nèi)的FG5-232、 2017年引進的FG5X-255和2018年引進的FG5X-259，該型絕對重力儀器的設(shè)計精度已能達(dá)到(1～2)×10-8m·s-2(Niebaueretal.，1995； Okuboetal.，1997)，完全滿足陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)項目的絕對重力測量設(shè)計指標(biāo)要求(地殼運動監(jiān)測工程研究中心，2014)。

圖1 云南及鄰區(qū)絕對重力測點及構(gòu)造示意圖Fig. 1 Absolute gravity measurement stations and tectonic map of Yunnan and its adjacent areas.黃色方框區(qū)域為本文研究區(qū)域，紅色圓點代表絕對重力基準(zhǔn)點，紅色線條代表一級板塊邊界，藍(lán)色線條代表二級板塊邊界，灰色線條代表斷裂帶

圖 2 云南及鄰區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)站的絕對重力觀測序列Fig. 2 Time series of absolute gravity values at gravity fundamental stations of CMONOC in Yunnan Province and the adjacent region.重力值均歸算到觀測墩面重力標(biāo)處，豎線為觀測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差，觀測結(jié)果左側(cè)為每次使用的觀測儀器編號，斜線為觀測值的線性最小二乘擬合； 藍(lán)色斜線代表第1～2期重力變化率，紅色斜線代表第2～5期的重力變化率， 灰色斜線代表全部5期的重力變化率

表1為10個絕對重力觀測點在2010—2020年期間的觀測時間、 觀測儀器、 觀測結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差。 其中，麗江測點在陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)實施第1期(2010—2012年)為麗江天文臺站點，而在后4期任務(wù)中改為麗江地震臺站點，因此本文只采用了麗江地震臺的后4期觀測數(shù)據(jù)。 觀測結(jié)果顯示，所有觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為(0.19～3.60)×10-8m·s-2，最大的標(biāo)準(zhǔn)偏差為第2期2014年11月8日瑞麗測點的3.60×10-8m·s-2，最小的標(biāo)準(zhǔn)偏差為第5期2020年8月11日勐海測點的0.19×10-8m·s-2。

表1 2010—2020年云南省及鄰區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)站的絕對重力觀測結(jié)果

注 觀測點位均為武漢(2000國家重力基本網(wǎng)3035號點)。

2 重力變化趨勢分析

2010—2020年云南9個測點及攀枝花測點的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)5期絕對重力測量使用了FG5-232、 FG5X-255和FG5X-2593種儀器，其中前3期使用的儀器均為FG5-232； 第4期使用儀器為FG5X-255； 第5期的下關(guān)和麗江測點使用了FG5X-259，其余測點均使用FG5X-255。 通常我們認(rèn)為各儀器自身性能穩(wěn)定、 各期任務(wù)期間儀器自身無系統(tǒng)誤差，但儀器間往往存在輕微系統(tǒng)差。 因此，為確定表1 中各測點的重力變化是否由不同F(xiàn)G5絕對重力儀之間的儀器偏差導(dǎo)致，我們對比了3種儀器在2000國家重力基本網(wǎng)3035號點的觀測結(jié)果。 由于FG5X-259自2018年7月起才引進國內(nèi)，故未能參加2018年3月的絕對重力儀集中比對，而FG5-232因返廠維修升級，未能參加2020年12月的絕對重力儀集中比對。 比對結(jié)果顯示，F(xiàn)G5-232與FG5X-255的一致性較好，而FG5X-255與FG5X-259一致性稍差，但不同的FG5型絕對重力儀之間的觀測結(jié)果差異很小。 因此，使用的不同儀器測量對各測點的重力變化影響基本可以忽略不計(表2)。

表2 絕對重力儀(FG5-232、 FG5X-255和FG5X-259)比對觀測結(jié)果Table2 The comparison of the observation results of absolute gravimeters(FG5-232，F(xiàn)G5X-255，F(xiàn)G5X-259)

圖3 云南及鄰區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)站重力變化速率Fig. 3 Change rate of gravity values at gravity fundamental stations of CMONOC in Yunnan Province and the adjacent region.a 第1～2期(2010—2014年)的重力變化速率； b 第2～5期(2014—2020年)的重力變化速率； c 第1～5期(2010—2020年)的重力變化速率

3 結(jié)論與認(rèn)識

覆蓋中國的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對重力測網(wǎng)的重復(fù)觀測，為獲取與地殼運動密切相關(guān)的重力場時空變化提供了豐富可靠的研究資料。 許多學(xué)者針對中國大陸絕對重力動態(tài)變化結(jié)果開展了研究，但研究區(qū)域主要集中在構(gòu)造活動活躍、 研究熱點的青藏高原區(qū)域(Sunetal.，2009； 邢樂林等，2011； Chenetal.，2016)，而與其他區(qū)域的絕對重力動態(tài)變化結(jié)果相關(guān)的研究目前還少有報道。

(1)云南省內(nèi)的9個重力基準(zhǔn)點及攀枝花基準(zhǔn)點2010—2020年的5期的絕對重力觀測數(shù)據(jù)顯示，除昆明測點之外，其他9個測點均呈現(xiàn)第1～2期(2010—2014年)重力增加，第2～5期(2014—2020年)重力減小的現(xiàn)象，重力變化趨勢先增后減的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2014年前后。 仔細(xì)分析昆明測點的重力變化趨勢，發(fā)現(xiàn)在文中設(shè)置的3個不同時間尺度和時段的年變化速率都很小。 楊學(xué)慧等(2016)分析了昆明站2010—2014年的降雨對形變資料的干擾結(jié)果，認(rèn)為昆明測點的觀測山洞巖層滲水性強，易受雨水侵蝕和滲入，且觀測點位NW向的水潭儲水量在不同季節(jié)各不相同，山洞受山體雨水和水潭荷載變化影響較大，特別是雨季，加載效應(yīng)明顯。 而昆明是10個測點中惟一位于山洞的測點，該測點5期觀測數(shù)據(jù)顯示重力值在雨季最大(2018年5月11日觀測結(jié)果)，且其他4期非雨季觀測數(shù)據(jù)非常接近，其不同于其他9個重力基準(zhǔn)點的變化趨勢的主要原因可能是受測點處山體含水和水潭荷載的影響，山體和水潭的水量加、 卸載變化對重力的影響量化分析有待進一步研究。 此外，表1 所示各測點的5期觀測數(shù)據(jù)是在不同年份的不同月份觀測實施所獲得的，由于缺乏各測點的水文資料，均未考慮其季節(jié)性重力變化，因此剔除其影響是我們后期重要的研究工作之一。

(3)云南境內(nèi)斷層錯綜復(fù)雜、 地質(zhì)構(gòu)造活動活躍，區(qū)域重力場變化幅度大、 速度快、 升降轉(zhuǎn)換周期短(孫少安等，2009，2015)，本文覆蓋全云南及鄰區(qū)的絕對重力測點的重力分時段趨勢研究也正好印證此觀點。 但在此背景之下，覆蓋云南全境及鄰區(qū)的絕對重力測點變化卻統(tǒng)一呈現(xiàn)了先升后降的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折發(fā)生在2014年前后，在重力變化增大至轉(zhuǎn)折點時，于2014年先后發(fā)生了魯?shù)镸S6.5、 盈江MS6.1和景谷MS6.6地震，隨后重力一直呈減小趨勢，直至2021年漾濞MS6.4地震發(fā)生之前。 其重力場變化機制可能是由青藏高原受印度板塊推擠向NE運移，后受四川盆地阻擋，青藏高原下的地殼物質(zhì)轉(zhuǎn)向SE的云南及鄰近區(qū)域的運動所主導(dǎo)(王興臣等，2015； Panetal.，2018)。

(4)10個測點在3個不同時段內(nèi)的重力變化趨勢各不相同，反轉(zhuǎn)周期短，這也對絕對重力測量模式提出了新的要求，應(yīng)對絕對重力測點進行加密布設(shè)并縮短觀測周期，以進一步提高中國大陸絕對重力測量服務(wù)于地震監(jiān)測和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動特征研究的能力。