利用重力衛星研究青海瑪多及云南漾濞地震周邊2002—2021年重力變化

鄒正波 張 毅 談洪波 崔立魯 尹 鵬 吳桂桔

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

0 引言

重力監測作為地震監測的重要手段之一，為地震科學提供了重要的基礎研究資料。 中國以地震監測預報為目的的地面重力監測工作始于邢臺地震，并在之后的幾十a中取得了飛速發展，在地震監測、 預測特別是中長期預測中發揮了重要作用(祝意青等，2018； 胡敏章等，2019)。 總結基于地面觀測的地震震例發現： 7～8級地震震前地表重力變化時間長達0.5～3a(褚慶忠等，2014)； 胡敏章等(2019)通過研究重力變化的量級與震級關系，發現6、 7、 8級地震的震前異常可達70μGal、 90μGal、 120μGal(1μGal=1×10-8m·s-2)，與對流動重力網及震例分析的結果基本一致(祝意青等，2018)； 地面重力雖具備觀測空間分辨率及精度高的優點，也存在觀測周期長，觀測成本高，受地面交通、 氣候等條件影響覆蓋范圍有限等不足。 青海瑪多地震發生于中國的西部地區，該區地面重力測點相對稀疏，采用重力衛星技術可為瑪多地震相關研究提供月時間尺度的觀測補充，為更好地發揮重力學科作用提供支持。

重力衛星作為一種新的觀測技術，可從觀測周期與空間覆蓋等方面彌補地面重力觀測的不足，更好地發揮重力學科在地震監測方面的優勢。 以探測時變重力場為主要科學目標的重力衛星計劃GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiments)在軌運行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、 時間分辨率為月的動態重力場，為水文學、 冰川學、 氣象學及地震學研究做出了特有的貢獻(Tapleyetal.，2019)。 目前，已基于其所返回的數據成功提取到多次與地震相關的重力變化(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)，最小震級可達MW8.3(2013年鄂霍次克海地震)，為地震過程的重力動態演變提供了科學樣本，具備開展地震研究的潛力。 GRACE-FO(GRACE Follow-on，2018年5月22日發射)是GRACE的后續衛星，其在復制GRACE設備的基礎上配備了更高精度的星間激光測距儀，已在全球范圍內成功延續了GRACE衛星計劃(Boergensetal.，2020)。 然而，其探測地震的能力是否有所增強、 是否能探測到青海瑪多MS7.4地震，仍需通過理論模擬其同震重力變化并加以評估。

1 研究區域

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

圖 1 給出了研究區域的基本信息，藍色及粉紅色線條分別為一級和二級塊體邊界，紅色圓點代表2002—2021年研究區域內的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 研究區域Fig. 1 Map of the study area.

2 數據與方法

2.1 衛星重力數據及其處理方法

GRACE、 GRACE-FO衛星主要通過高精度星間測距技術(K波段微波測距技術及LRI激光測距技術)實現低低衛衛跟蹤測量，可極大限度地提取地球質量變化信息，進而提供高精度的時變重力場模型產品。 本文選取美國德州大學奧斯汀分校空間研究中心發布的GRACE及GRACE-FO的RL06月重力場模型計算研究區的重力變化。 該模型已經扣除了大氣、 海洋、 潮汐等效應的影響，最高階次為60，覆蓋時長為2002年4月—2021年3月(部分月份存在缺數)。

利用衛星重力場球諧模型提取震中區周邊的時空變化處理步驟包括： 1)用SLR衛星的J2數據替換同期的GRACE、 GRACE-FO的C20數據(Suetal.，2020)； 2)從模型中扣除冰后回彈效應的影響； 3)對模型進行300km扇形濾波平滑，以減少南北異常條帶的影響； 4)扣除周期效應影響； 4)獲取研究區域重力場時空變化。

2.2 GLDAS數據及水文信號的提取

陸地水儲量變化在重力衛星監測的地球重力場變化中貢獻巨大，需要考慮分析并加以扣除，選擇與GRACE數據相同時段的1°×1°月模型進行計算。 獲取GLDAS陸地水儲量變化可以從水平衡方程入手，即為降水、 蒸發及徑流之差，也可直接選取地表水濕度、 雪水質量及植冠表面水質量之和。 本文用第2種方法進行提取，具體方法為： 1)利用GLDAS提取格網化的月陸地水儲量變化； 2)將格網化數據轉化成同期的最高階次為60的球諧系數，提取GLDAS月重力場模型； 3)對模型進行與重力衛星相同的去南北條帶處理； 4)提取與衛星重力觀測同時、 同區域的重力場變化； 5)在進行重力變化數據處理分析前，將該結果從衛星重力數值中剔除。

2.3 斷層模型及基于位錯理論的同震重力變化

3 結果與討論

3.1 重力長期變化率

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

通過2002年4月—2021年3月重力長期變化率分布結果不難發現： 1)重力變化的空間分布與中國大陸活動塊體的分塊有一定的相關性，且呈明顯的四象限分區特征： 東北部的鄂爾多斯塊體整體呈重力減小的態勢，西南邊界地區—青藏高原東觸角(緬甸、 尼泊爾與中國交界的地區)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，其他地區的重力變化較弱。 研究區域整體形成負—正—負—正大四象限空間分布特征； 2)一級或次級塊體的邊界區域重力變化均極小或為0，如華南地塊W側、 鄂爾多斯地塊周緣等均存在這一現象，玉樹地震、 蘆山地震、 緬甸地震、 九寨溝地震、 瑪多地震等均發生在塊體邊界地區，與地面重力觀測震例蘆山地震、 玉樹地震、 九寨溝等的結論相似，這一研究可為地震預報的地點判定提供大尺度背景依據，也為地面重力監測預測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衛星計劃的延續，盡管在全球范圍內未出現明顯的偏移(Boergensetal.，2020)，但兩者之間存在約1a的數據空白(2017年7月—2018年5月)，且2015年以后數據缺失較多，雖然可以通過數學方法和SWARM衛星的數據填補這些空白，但與直接觀測結果相比仍存在差距，因此本文只給出了基于觀測的重力變化結果。

衛星重力變化結果可為地震的孕震背景及孕震過程研究提供大尺度依據，具有重要的參考價值。 本文利用重力衛星數據及水文模型提取到不受陸地水儲量變化影響的重力信號，并以此為基礎得到2002—2020年累積重力變化及差分重力變化。 考慮到7級地震的孕育時間尺度達不到20a，因此只選擇了最近10a的結果進行展示和分析(圖3，4)，圖中紅點表示云南漾濞和青海瑪多地震的震中，綠點則為相應時段內發生地震的震中。 分析圖 3、 圖 4 不難發現：

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特征很顯著，這與長期重力變化中(圖 2)負—正—負—正的空間分布格局基本一致，局部區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勢； 印度板塊以北、 西藏與尼泊爾交界區域的重力沿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，研究區發生了玉樹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果進行比較可發現，地震均發生在衛星重力變化的零值區或極小值區域(正、 負轉換帶上)，這與已有的大地震孕震過程中地面重力時變特征研究的結果一致(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，青海瑪多7.4級和云南漾濞6.4級地震的震中區均處于重力正、 負交界區，幅度變化也很小，幾乎為0，云南漾濞地震震區從2011年以來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多年來也一直位于研究區大四象限分布的中心低值區內。 另外，無論從空間分布還是振幅變化程度來看，2019—2020年與之前10a的結果均有顯著差異，四象限程度明顯增強，正、 負振幅均明顯增加。 從圖 4 所示的差分重力變化結果可見，相對于2019年，2020年瑪多北部出現了1μGal的重力增加，而漾濞地震震區以北則出現3μGal的重力減少。 大地震的空間位置與局部重力場變化的對應關系反映了大地震孕育過程中震中周邊物質流與應力場的遷移變化規律。

(4)研究區四象限分布的正、 負交界線與一級或次級板塊邊界基本吻合，表明重力變化分區能為板塊邊界的劃分提供重要依據，也從側面證明了衛星重力變化與構造運動(板塊運動)有關。 衛星重力變化(空間固定點)來源于質量遷移，且重力變化與質量變化成正比，因此年重力變化能夠展示研究區域物質流動的動態演化狀態，這種動態變化蘊含著大地震的孕震背景及孕震過程信息，能為大地震監測及預測提供重要的研判依據，同時也反映了重力衛星具有探測大地震重力變化的能力。

3.3 區域重力變化的時間序列

選取2次地震震中區周邊一定范圍的數據，利用盆地函數方法(即范圍內為1，范圍外為0)進行區域平均，計算出2次地震震中區周邊的重力時間演變過程。 由于GRACE提取的重力變化時間序列存在周期性特征，且模型不能完全扣除，為研究與地震相關的重力變化，本文首先進行了去周期信號處理，獲取了相應的重力變化時間序列(圖 5 中藍色線條)，再對時序結果進行12個月的滑動平均處理(圖 5 中紅色線條)，以減少數據的無序震蕩。

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

青海瑪多地震時間變化序列(圖 5)結果表明： 1)采用滑動平均方法能有效減少時序結果中的無序波動，更能反映其長期的變化特征； 2)GRACE觀測期間(2002年4月—2017年6月)區域重力變化趨勢性特征顯著，2002年4月—2005年5月該區重力以0.83μGal·a-1的速率出現趨勢性增加； 經過2a的重力下降后，又開始緩慢上升，隨后重力快速增加，2012年5月—2017年期間重力以0.66μGal·a-1的速率持續減少； 3)在GRACE-FO觀測時段(2018年6月—2021年3月)該區重力變化的幅度較大(-2～3μGal)，進行滑動平均后數據震蕩相對減弱，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)的變化過程，這與唐山地震前的重力變化過程類似。

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星的精度提出了更具體的要求： 只有在重力衛星的時變重力探測精度提高1～2個數量級的前提下，方有可能探測到青海瑪多MS7.4地震的同震重力變化； 本研究為重力衛星地震的需求論證提供了理論依據。

4 結論

GRACE及GRACE-FO衛星長期對地觀測為研究全球及區域質量遷移及重力變化提供了寶貴的科學數據，為地震重力場研究提供了特有的長尺度、 近連續的靜態及時變觀測資料，具有重要的參考價值。 本文利用近20a的衛星重力資料提取到2021年青海瑪多地震及云南漾濞地震震區周邊大尺度的背景重力場時變信息，得到以下結論：

(1)研究區域的重力變化分區明顯，長期存在負—正—負—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勢，印度板塊以北、 西藏與尼泊爾交界區域重力沿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年以來的MS≥7.0地震，如汶川地震、 玉樹地震、 蘆山地震、 九寨溝地震、 瑪多地震和尼泊爾地震等都發生在負—正—負—正大四象限的中心區域或與構造相關的高梯度帶的拐角處，與地面重力地點預測的結論一致。 本工作為地面重力地震預測研究提供了更多的震例樣本。

(3)云南漾濞地震震區自2010年以來幾乎都位于重力正變化高梯度帶的低值帶，青海瑪多地震震區多年來也位于研究區大四象限分布的中心低值區內。 且這2次地震震前2a的變化較之前10a的結果在空間和振幅上均有顯著空間增強異常，四象限程度明顯增強。 其重力異常變化與根據地面重力觀測結果總結的震例異常的結論一致。 本研究為云南漾濞和青海瑪多地震的孕震背景提供了大尺度及長時間的數據支持。

(4)青海瑪多震前2a重力經過了1a的持續增加—4個月的減少—再次增加的過程，這與唐山地震前的重力變化過程相似。 云南漾濞地區的重力值在汶川地震及青海玉樹地震發震時均有顯著的跳變，然而這些跳變是否與這2次地震相關，還需要后續開展深入研究。

當前GRACE-FO采用的高精度星間激光測距技術并未有效提高衛星重力場模型的精度，且星間測距技術并非當前重力衛星模式的瓶頸。 而采用衛星星座將是比較現實的提高衛星重力探測精度的方法。 目前國內的天琴二號衛星及未來通過國際合作建立的衛星星座，將為探測更多地震提供新的契機。

此外，由于青海地震震中區位于黃河的源頭且在青藏高原上，冰川消融、 湖泊水位等變化會對區域重力場產生影響，在后續的研究中將對該問題做進一步探討。