基于GRACE衛星和地表流動重力的汶川MS 8.0地震前重力時空變化

王偉力 鄭 兵 舒東林 曾 濤 易松泉 馬伶俐 蘇 琴

1）中國雅安 625000 四川省地震局地殼形變觀測中心

2）中國四川 610059 成都理工大學

0 引言

汶川MS8.0 地震是我國大陸近年來發生的一次巨大災難性地震，震中位于南北地震帶次級地震帶龍門山斷裂帶中段。四川省地震局1986 年起即在該區建立了流動重力監測網（30°—32°N，100°—103°E），并使用高精度LCR-G 型重力儀進行每年不少于1 期的重力監測。地震的孕育過程伴隨著地下物質的運移及質量再分布，能夠導致地球重力場數千千米的空間變化及數秒到數十年的時間變化。利用地表流動重力測量，能觀測到構造活動和局部地殼應力集中而引起的地殼形變（高程）和密度（質量）變化（陳運泰等，1980；賈民育等，1995；李輝等，2009）。GRACE 衛星重力觀測具有空間范圍廣闊及快速重復觀測等優點，可捕捉大區域、長時間的重力變化（鄒正波等，2016），能有效彌補地面觀測在時間和空間上的不足。利用上述2 種觀測方法，均能監測到因地震孕育而引起的重力變化，只是將兩者進行有效對比和聯合分析的相關文獻較少。因此，選擇GRACE 和流動重力資料對汶川地區重力變化開展對比和聯合研究，以提高星地重力一體化應用效能，對于深入理解該區構造活動及地球物理特征具有一定參考價值。

1 重力資料及處理

1.1 流動重力資料處理

選取四川2003—2007 年共6 期流動重力資料，進行如下處理：①用LGADJ 軟件（賈民育等，1994；祝意青等，2005）進行擬穩平差，統一起算基準，擬穩點（鄭兵等，2014）采用1998 年以來點位穩定且受外界干擾比較小的測點；②對多期觀測結果進行整體分析，了解并合理確定各臺儀器的觀測精度和先驗方差，以得到最佳解算結果；③用最小二乘配置，對重力觀測數據進行擬合推估，確定網格化地表重力值，以突出顯示構造困素的重力效應（孫少安等，1999）。數據處理結果表明，流動重力資料具有較高精度，各期點值的平均精度在（±10.5—±15.8）μGal 之間。

1.2 GRACE 星重力資料處理

選取GFZ 提供的GRACE LEVEL-2（RL05）引力位系數（2002—2009 年），時間分辨率為一個月。數據為截至90 階的正則化球諧系數，已利用背景模型扣除非潮汐大氣和高頻海洋信號以及各種潮汐（包括海潮、固體潮和極潮等）的影響，主要反映重力場的非潮汐、非大氣和非海洋的時變信號（鄒正波等，2013）。所用時間基準與流動重力相同，不做去條帶處理，對重力數據進行DDK2、DDK5、DDK8 濾波，與未做濾波的預處理數據進行對比。鑒于GRACE 雙星系統對位系數C20 項不敏感，計算時將C20 作為常數，通過差分消除其影響。

已知地球重力場模型時間序列，求解地球上某點（r,θ,λ）的重力變化Δg（鄒正波等，2010），公式如下

式中，Δg為重力異常，（為相關重力場球諧系數與正常重力場的完全規格化球諧系數之差，為完全規格化締合勒讓德多項式，lmax是位系數最大階數，r是觀測點與地球質心的距離，l、m為球諧系數對應的階數和次數，λ、θ分別對應于觀測點的經度和余緯，Wl為高斯濾波函數。

2 汶川地區星地重力段差變化

重力段差是指兩點之間重力值的差異。跨斷裂的兩點重力段差時間序列變化反映了在構造應力場作用下活動斷裂兩盤構造變形和物質變遷所產生的重力效應（祝意青等，2010）。考慮到衛星重力NS 向條帶誤差影響，選取2 條近EW 走向、跨不同斷裂的測線，其中茂縣—安昌測線跨越茂縣—汶川斷裂和北川—映秀斷裂，徹底關—什邡測線跨越北川—映秀斷裂和灌縣—安縣斷裂，對比分析汶川MS8.0 地震前6 年汶川地區衛星和地表流動重力觀測所求測線兩端點重力段差的時序變化。

2.1 星地重力段差對比

以2003 年4 月為基準，截至2007 年6 月，得到6 期流動重力觀測數據，計算茂縣—安昌測線和徹底關—什邡測線的地表流動重力段差值。選擇與各期流動重力同時期的月衛星重力數據計算不同濾波半徑下的上述測線衛星重力段差值，繪制衛星和地表流動重力段差時序變化圖，結果見圖1，可見近EW 走向的2 條重力測線的重力段差時間序列變化特征一致，體現在：①GRACE 衛星重力段差結果受濾波半徑影響顯著。濾波半徑越大，GRACE 星重力段差變化越趨于穩定，不濾波或經DDK8 小半徑濾波的衛星觀測結果與流動重力觀測結果較為一致；②在變化率上，星地重力段差變化有一定可比性，衛星與地面重力變化率結果表現為變化率同步增大或減小。

圖1 衛星和流動重力段差時序變化（a）茂縣—安昌段差；（b）徹底關—什么邡段差Fig.1 Time series variation of satellite and mobile gravity

由圖1 可見，濾波對衛星重力觀測影響顯著。究其原因，可能與重力模型截取到90 階，僅反映重力變化的中長波部分有關。去相關濾波和平滑處理在一定程度上降低了重力場的變化量值（Kusche et al，2009）。有研究表明，濾波方法在削弱噪聲的同時，會對重力時變信號產生削弱，在諸多情況下，濾波導致的信號損失較嚴重（郭飛霄等，2018）。此外，測線所跨區域空間范圍較小，認為區域內各衛星重力觀測點的總誤差是相等的，在利用段差求差分時可有效消除這些誤差。

2.2 跨斷裂段差時序變化分析

重力段差時序變化能夠較好地反映跨斷裂地段的重力動態變化。流動重力重復觀測需要固定點位，汶川地震后道路和房屋毀壞嚴重，汶川地區大部分重力點位無法繼續觀測（鄭兵等，2008），缺少有效的震后地表流動重力觀測數據。衛星重力可以有效彌補地面重力在時間分辨率上的不足。選取點位穩定的茂縣、安昌、徹底關、什邡4 個地表重力觀測點作為衛星重力觀測特征點，反演特征點間的衛星重力觀測值，計算對應的重力段差值。鑒于濾波算法在消除誤差的同時會損失真實重力時變信號，將地表流動重力觀測結果結合未濾波衛星重力觀測數據，分析龍門山中段在汶川地震前的重力段差時序變化。以2002 年地表重力觀測時間（2002 年4 月）為基準，以月為采樣間隔，計算并繪制2 條測線在汶川地震前后的重力段差變化時序變化圖，結果見圖2。

由圖2 可見，汶川地震發生前5 年，星地重力段差變化呈現加速—減速—穩定的規律，反映了斷裂活動劇烈—減速—穩定的演化過程，表現為2002—2003 年變化劇烈增加，2004—2005 年減速變化，2006—2007 年變化量穩定在30 μGal 以內。2007 年6 月以后缺少流動重力觀測資料，由衛星重力觀測結果看，在2008 年2 月重力變化有一次20 μGal的反向調整，汶川地震發生后，重力段差經1 年的緩慢調整后基本恢復至震前水平。汶川地震前，龍門山中段2 條測線的重力段差變化均經歷了“加速—減速—穩定”的過程，表明該時段斷裂帶中段不同斷裂的構造活動分布規律較為一致。重力段差變化清晰反映了研究區構造活動具有劇烈—減弱—震前穩定—震前反向調整—發震—震后調整的特征。

圖2 2002—2009 年跨斷裂星地重力段差時間序列變化Fig.2 Sequence diagram of gravity interval difference across faults from 2002 to 2009

3 汶川地震前川滇地區衛星重力動態變化

地球重力場變化圖像是地震監測預報的基本信息源（寧津生，2002；申重陽等，2008）。2008 年以前四川地表流動重力測網未優化，地表流動重力觀測與衛星重力觀測難以有效進行聯合對比。選取2003 年1 月至2008 年4 月的衛星重力數據，經高斯濾波（300 km），提取汶川地震前該時段重力變化。選取對應時間尺度的水文模型（GLDAS）進行水文信息數據提取和球諧系數展開，采用與重力變化提取相同的方法，得到因陸地水質量變化引起的重力變化，并在衛星重力結果中扣除，以扣除水文因素的影響。以2003 年為基準，繪制川滇地區衛星重力場差分變化圖像和累積變化動態圖像（圖3，圖4），探索汶川地震前衛星觀測的重力時空變化。考慮到汶川地震對重力場的同震影響，2008 年重力變化以2008 年1—4 月衛星重力數據計算。

由重力場差分動態變化圖像（圖3）可見，川滇地區2003—2008 年重力場變化劇烈，表明該區域在汶川地震前5 年構造運動較為強烈，其中：2003—2004 年，基本以26°N 為界，形成南邊強烈的負重力變化、北邊弱正重力變化的格局；2004—2005 年，重力變化更加劇烈，變化幅度約±2 μGal；2005—2006 年，川滇棱形塊體呈弱負重力變化，塊體南側及四川盆地NE 部呈弱正重力變化，重力變化零值線穿越汶川地區；2006—2007 年，川滇地區整體呈弱正重力變化，包括龍門山次級塊體、阿壩次級塊體在內的四川地區整體重力正值變化小于0.5 μGal；2007 年至汶川地震發生前，重力場變化近似呈現以川滇棱形塊體為中心的“四象限分布”現象，汶川地區處于重力變化零值線附近。

圖3 川滇地區衛星重力場差分動態變化（a）2003—2004 年；（b）2004—2005 年；（c）2005—2006 年；（d）2006—2007 年；（e）2007—2008 年Fig.3 The differential dynamic change of gravity field of Sichuan-Yunnan area

由重力累積動態變化圖像（圖4）可見，2003—2005 年重力累積變化呈增大態勢，但2006 年開始呈近似四象限分布，只是高值區和低值區中心和量值存在一定的動態變化；2006 年至汶川地震發生前，若爾蓋—汶川一帶東西兩側出現重力累積變化高值區，且累積值不斷增大，川滇棱形塊體以南出現重力累積變化低值區，且負變化逐漸變小。汶川地震孕育過程中，衛星重力場變化表現出“增大—減速增大—減小”的特征，且震前2 年形成近似垂直于龍門山斷裂帶的重力變化梯度帶，與姜永濤（2017）的研究結果一致。

圖4 川滇地區衛星重力場累積動態變化（a）2003—2004 年；（b）2004—2005 年；（c）2005—2006 年；（d）2006—2007 年；（e）2007—2008 年Fig.4 The cumulative dynamic change of gravity field of Sichuan-Yunnan area

4 結論

利用GRACE 衛星和地表流動重力數據，計算位于龍門山斷裂帶中段2 條測線2002—2009 年的重力段差變化，繪制汶川MS8.0 地震前6 年川滇地區衛星重力差分、累積重力變化圖像。重力段差分析時，缺少2008—2009 年地表流動重力段差值，但衛星重力清晰反映了該時期重力段差的調整變化，可見衛星重力與地表流動觀測在時間空分辨率上可以有效融合。衛星重力動態變化圖像顯示，汶川MS8.0 地震前川滇地區重力場出現“近似四象限分布”“增大—減速增大—減小”等變化特征。綜合分析龍門山斷裂中段重力段差變化及川滇地區衛星重力場動態變化，可以發現：①衛星與地面的重力段差值難以建立有效聯系，未經濾波處理的衛星重力段差變化與流動重力觀測結果較符合。研究小范圍的重力段差變化時，采用未經濾波的衛星重力數據是否可以有效減小重力信號的濾波損失，值得進一步探討；②星地重力段差變化顯示，在汶川地震發生前，龍門山斷裂中段不同斷裂的構造活動具有“加速—減速—穩定”的特征。衛星重力等值線圖較清晰地反映了汶川地震孕育中重力場演化過程。

衛星重力具有探測大地震發生前重力變化的能力（鄒正波等，2012），相信隨著科技的進步及監測精度的提高，衛星重力將會更好地和地面重力相融合，在地震監測和預測研究中發揮更大作用。

文中部分圖件采用GMT 繪制，在撰寫過程中得到鄒正波副研究員的幫助，在此表示衷心感謝。