衛(wèi)星重力測量與全球物質(zhì)平衡問題研究＊

郝曉光 方 劍 劉根友 胡小剛 劉成恕

(1)中國科學(xué)院測量與地球物理研究所,武漢 430077 2)中國科學(xué)院動力大地測量學(xué)重點實驗室,武漢 430077)

衛(wèi)星重力測量與全球物質(zhì)平衡問題研究＊

郝曉光1,2)方 劍1,2)劉根友1,2)胡小剛1,2)劉成恕1)

(1)中國科學(xué)院測量與地球物理研究所,武漢 430077 2)中國科學(xué)院動力大地測量學(xué)重點實驗室,武漢 430077)

介紹衛(wèi)星重力場在固體地球科學(xué)中的應(yīng)用前景,討論“地球正常密度假說”和“板塊運動重力學(xué)機制”在“全球物質(zhì)平衡問題”研究中可能發(fā)揮的作用。

衛(wèi)星重力測量;物質(zhì)平衡;地球正常密度假說;板塊運動;重力學(xué)機制

1 引言

自 1996年起,作者等采用地球重力學(xué)的理論與方法對“地球質(zhì)量異常遷移”和“全球物質(zhì)平衡”等問題進行了深入研究,系統(tǒng)提出了“參數(shù)橢球理論”、“緯向密度理論”、“地球正常密度假說”和“板塊運動地球重力學(xué)機制”等基本理論和觀點[1-11]。2004年,德國波恩理論大地測量研究所、慕尼黑天文物理大地測量研究所、波茲坦地球科學(xué)研究中心(GFZ)、慕尼黑德國大地測量研究所、魏格納極地和海洋研究所等 9個科研機構(gòu)的 17位地球科學(xué)家提出了“地球系統(tǒng)中的質(zhì)量遷移和質(zhì)量分布”的國家優(yōu)先研究計劃 (Priority Research Program)[12]。該項研究計劃中的一項重要內(nèi)容是地球質(zhì)量異常遷移、質(zhì)量交換等。地球重力場及其變化的測量與之密切相關(guān),本文介紹衛(wèi)星重力場在固體地球科學(xué)中的應(yīng)用前景,討論“正常密度理論”在“全球物質(zhì)平衡問題”研究中可能發(fā)揮的作用。

2 衛(wèi)星重力場在固體地球科學(xué)中的應(yīng)用

在 Priority Research Program中,“地球重力與全球物質(zhì)平衡問題”是圍繞 CHAMP、GRACE和GOCE3顆重力衛(wèi)星展開的[13,14]。

衛(wèi)星重力測量不同于地面重力測量,具有全球性和整體性。在地面測量中,由于不同國家、不同時期采用的高程、重力基準以及重力歸算、改正方法的不同,導(dǎo)致各國間的重力場存在系統(tǒng)誤差;海洋和大陸也同樣會出現(xiàn)這樣的問題。衛(wèi)星重力場在不同國家之間、海陸之間是連續(xù)無間斷過渡的,使得重力場全球統(tǒng)一連貫,對于長波長重力大地水準面資料更體現(xiàn)了衛(wèi)星重力測量的優(yōu)勢。衛(wèi)星重力場可在以下方面發(fā)揮重要作用。

地殼表面是由不同的板塊組成的,各板塊邊界在重力場中有著明顯的表現(xiàn),在大洋中脊、海溝、板塊碰撞邊界等處顯示出巨幅的重力異常條帶。由此可見,重力異?？梢杂行У貏澐职鍓K構(gòu)造。在板塊內(nèi)部也存在著二、三級構(gòu)造單元,這些構(gòu)造單元的邊界通常是由一些大型斷裂帶組成或構(gòu)造單元間的物質(zhì)組分有差異。這樣通過重力異常的研究可以區(qū)分不同的構(gòu)造單元。

地球科學(xué)家從地震、重力、地磁、大地測量和地球自轉(zhuǎn)等地球物理觀測資料的分析和研究中初步揭示出了地球內(nèi)部不同尺度橫向不均勻的圖像,認識到不僅上地幔存在橫向不均勻,而且下地幔與地核都存在不同程度、不同尺度的橫向不均勻性。地球內(nèi)部是由許多不同密度的物質(zhì)圈層組成,由于地球內(nèi)部的構(gòu)造運動使各物質(zhì)圈層間的界面起伏變化。密度界面的起伏變化會產(chǎn)生重力異常,通過重力反演可以確定地球內(nèi)部各界面的起伏。如：中國大陸東部受西太平洋板塊俯沖、消減的影響,造成一系列與弧后擴張有關(guān)的陸緣海伸展和斷陷盆地;西部和西南部由于印度板塊與青藏塊體陸殼碰撞的構(gòu)造效應(yīng),形成巨厚的地殼。這些地殼結(jié)構(gòu)特征在重力場中能夠清晰地體現(xiàn)出來。另外,地球內(nèi)部的物質(zhì)密度也存在橫向不均勻,通過聯(lián)合重力和地震層析成像資料反演可以獲得地球內(nèi)部密度分布狀況,并由此建立三維地球圈層結(jié)構(gòu)模型。

作為地球動力過程的結(jié)果,大陸碰撞、下插以及復(fù)雜的地殼巖石圈結(jié)構(gòu)都是地球歷史或現(xiàn)今演化的產(chǎn)物。這些動力結(jié)果在地表產(chǎn)生重力異常是各種地質(zhì)演化模型的重要約束條件。可以利用高精度中長波重力資料研究巖石圈彈性特征、參數(shù),地殼均衡補償調(diào)整狀態(tài),動力地形和地幔對流形態(tài)等。結(jié)合其他地球物理方法還可以獲得地幔粘滯度、地幔柱、拆層板片、俯沖帶的詳細結(jié)構(gòu)、板塊碰撞、下插的深度形態(tài)等動力學(xué)特征。地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫向不均勻和我們理解的地球內(nèi)部的許多動力學(xué)過程又緊密地聯(lián)系起來,例如地震層析技術(shù)揭示的上地幔和全地幔橫向不均勻可能直接與板塊構(gòu)造相聯(lián)系。地震層析結(jié)果表明,相應(yīng)板塊構(gòu)造學(xué)說所表述的在大洋中脊的下部存在上升的熱地幔物質(zhì),在海溝存在冷卻下降的地幔物質(zhì),它構(gòu)成了上地幔動力學(xué)過程的基本圖像。同時地震層析還顯示出了一些超級熱柱從核-幔邊界上涌穿過地幔而上升到地球表層的可能性。但人們對地球內(nèi)部的這些認識尚存爭議,需要地球科學(xué)家在這些領(lǐng)域作更深入的研究,也需要高精度高分辨率的資料去驗證。

特別重要的是,CHAMP、GRACE和GOCE重力衛(wèi)星所提供的時變地球重力場信息為研究地球內(nèi)部的質(zhì)量分布和遷移提供了嶄新的方法和研究空間。當時變重力衛(wèi)星資料達到相當?shù)木群头直媛蕰r,可以檢測到板塊運動等地球表面動力學(xué)過程,甚至可以檢測到地幔黏滯度橫向變化、對流形態(tài)趨勢、消退俯沖帶、拆層板片及地幔柱活動等地球深部物質(zhì)運移和動力過程;促進板塊構(gòu)造理論研究的發(fā)展、揭示地幔對流過程。

板塊構(gòu)造理論促進了地球科學(xué)研究的重大發(fā)展。板塊構(gòu)造和板塊運動理論的驗證,有賴于全球板塊相對運動可靠的直接測量結(jié)果。另一方面,板塊構(gòu)造和板塊運動理論的發(fā)展現(xiàn)狀尚不能解釋一些重大的地學(xué)問題：一是板塊運動的動力學(xué)機制尚未解決;二是板內(nèi)和板緣運動的復(fù)雜性尚未取得精確描述,特別是板塊內(nèi)部非均勻微動態(tài)信息的精細監(jiān)測更為不足;三是板塊構(gòu)造理論已出現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢,表明這一理論還需要進一步修正、完善和深化。這些基本問題的解決,都有賴于對可靠的定量數(shù)據(jù)和由此獲得的更清晰的地殼運動圖像和內(nèi)部物質(zhì)運移的研究。GPS技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)積累了大量的地殼形變觀測資料,使得現(xiàn)今全球構(gòu)造運動研究有了很大的發(fā)展,但是由于 GPS觀測的只是地表層的幾何形變量,對于板塊運動的內(nèi)部過程和動力機制不能給出答案。時變重力場可以給出地球內(nèi)部物質(zhì)的質(zhì)量變化和運移信息。

固體地球存在一些高速移動質(zhì)量的地球動力學(xué)過程,板塊邊緣(例如退縮的 Tonga俯沖帶)移動速率達 20 cm/a;印度板塊與青藏塊體陸殼碰撞的構(gòu)造效應(yīng),水平運動達 10 cm/a,垂直運動達 1 cm/a。在造山帶、隆升和剝失不平衡的地區(qū),幾毫米差異可產(chǎn)生幾微伽重力信號。在碰撞帶或上升地幔柱、拆沉的巖石圈板塊根引起的垂直流速度達 1～100 cm/a,激發(fā)的時變大地水準面可達 0.001～0.01 mm/a。短期的地球動力學(xué)和板塊構(gòu)造過程具有間歇性,小于 100 km斷層受地震激發(fā)的同震和震后變形、火山,其時變重力為每年幾微伽。這些板塊運動和構(gòu)造運動產(chǎn)生的重力信號應(yīng)該能被重力衛(wèi)星識別,并利用這些重力信息進行動力學(xué)機制研究。例如：青藏高原是我國大陸地殼水平和垂直運動最為強烈的地區(qū),也是全球陸內(nèi)地震活動最為強烈的地區(qū)。與世界上其他一些構(gòu)造活動的典型地區(qū),例如阿爾卑斯和北美相比,這里的現(xiàn)代地殼運動類型復(fù)雜、性質(zhì)多樣、變形強烈、地貌清晰,是全球地球動力學(xué)研究中具有特殊重要地位的實驗場。迄今為止,與這些根本性的地學(xué)問題有關(guān)的直接觀測證據(jù)極為缺乏,重力衛(wèi)星所觀測到的動態(tài)重力信號對于青藏高原隆升的動力機制研究將會起到極其重要的作用。利用時變重力場資料結(jié)合 GPS觀測結(jié)果可以獲得青藏高原的應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài),板塊碰撞模式以及殼內(nèi)物質(zhì)運移過程。

科學(xué)家已經(jīng)認識到不僅上地幔存在橫向不均勻,而且下地幔與地核都存在不同程度、不同尺度的橫向不均勻性。地幔內(nèi)物質(zhì)密度、溫度不均勻,板塊的下插、拆沉和地幔柱活動都會導(dǎo)致地幔對流產(chǎn)生。地幔對流導(dǎo)致了地球表面的板塊運動、重力大地水準面以及它們隨時間的變化。當我們知道了地球內(nèi)部驅(qū)動對流的密度異常分布和地球外部重力場,地球內(nèi)部的流變特征和地幔對流狀態(tài)就可定量確定了。利用高精度高分辨率衛(wèi)星重力大地水準面資料結(jié)合全球地震層析成像模型和高溫高壓礦物試驗結(jié)果我們可以獲得地幔密度分布結(jié)果。地幔密度異常產(chǎn)生地幔浮力變化導(dǎo)致物質(zhì)流動和應(yīng)力場,使得地球內(nèi)外各邊界變形,形成動力地形和大地水準面異常。長波大地水準面異常通常被解釋為黏滯地幔對流結(jié)果,因此,隨著重力衛(wèi)星資料的積累利用長波長重力大地水準面及其變化資料,與地震學(xué)和動力地形數(shù)據(jù)結(jié)合,有可能推算地幔黏滯度和大尺度地幔對流形態(tài)。

3 關(guān)于“地球正常密度假說”的討論

“地球正常密度假說”的基本觀點是：在地球自身重力的作用下,相對于地球的正常密度來說,“密度異常高”的地區(qū)的物質(zhì),會以某種方式向“密度異常低”的地區(qū)流動。這樣,“地球正常密度假說”就把“板塊運動機制問題”和“全球物質(zhì)平衡問題”融合在一起。也就是說,“板塊運動機制問題”與“全球物質(zhì)平衡問題”是同一個科學(xué)問題,板塊運動是“全球物質(zhì)平衡”的過程,“全球物質(zhì)平衡”則是板塊運動的結(jié)果,而衛(wèi)星重力測量的發(fā)展則為研究和解決這一科學(xué)問題提供了有力的觀測手段。

實際上,與其說“地球正常密度假說”是一種科學(xué)觀點、倒不如說它是一種哲學(xué)觀點。首先,“地球正常密度假說”認為驅(qū)動巖石圈與軟流圈運動的“水平重力”是地球自身的重力引起的,這就是哲學(xué)上的“內(nèi)因說”。其次,“地球正常密度假說”認為地幔密度異常是板塊運動的動力,當?shù)蒯Ｎ镔|(zhì)蠕動使重力位平衡之后,也就達到了“全球物質(zhì)平衡”,板塊運動不會周而復(fù)始、無限循環(huán),這就是哲學(xué)上的“有限論”。

重力與密度以及構(gòu)造之間的關(guān)系已有不少研究工作[15-20],而“地球正常密度假說”的基本觀點也得到了我國學(xué)者相關(guān)研究的支持[21-25]。一些地質(zhì)學(xué)家認為,山脈褶皺是由于地殼的水平運動擠壓所產(chǎn)生的,構(gòu)造運動的動力是水平力;但另一些地質(zhì)學(xué)家卻認為,山脈隆起是由于地殼的垂直運動所產(chǎn)生的,構(gòu)造運動的動力是垂直力;還沒有一種動力理論能夠同時解釋這兩種不同類型的構(gòu)造運動[26]?！暗厍蛘Ｃ芏燃僬f”則闡述地殼水平運動與垂直運動的辨證關(guān)系：一方面,巖石圈沿水平方向由密度異常高的地區(qū)向密度異常低的地區(qū)運動、造成大陸漂移和板塊運動;另一方面,軟流圈物質(zhì)沿水平方向由密度異常高的地區(qū)向密度異常低的地區(qū)運動,進而使得巖石圈沿垂直方向發(fā)生運動、造成山脈隆升和盆地沉陷。

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13 寧津生.跟蹤世界發(fā)展動態(tài)致力地球重力場研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報 (信息科學(xué)版),2001,26(6)：471-467. (Ning Jinsheng.Following the developments of the world devoting to the study on the Earth gravity field[J].Editoral Board of Geomatics and Information Science ofWuhan University,2001,26(6)：471-467)

14 孫文科.低軌人造衛(wèi)星(CHAMP、GRACE、GOCE)與高精度地球重力場——衛(wèi)星重力大地測量的最新發(fā)展及其對地球科學(xué)的重大影響[J].大地測量與地球動力學(xué), 2002,(1)：92-100.(Sun Wenke.Satellite in low orbit (CHAMP,GRACE,GOCE)and high precision Earth gravity field：the latest progress of satellite gravity geodesy and its great influence on geoscience[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2002,(1)：92-100)

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25 白文吉,等.山系的形成與板塊構(gòu)造碰撞無關(guān)[J].地質(zhì)論評,1993,39(2)：111-117.(BaiWenji,et al.No relationship between mountain-building and collision for plate tectonics[J].Geological review,1993,39(2)：111-117)

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SATELL ITE GRAVITY M EASUREM ENT AND STUDY ON GLOBAL MATERIAL BALANCE

Hao Xiaoguang1,2),Fang Jian1,2),Liu Genyou1,2),Hu Xiaogang1,2)and Liu Chengshu1)

(1)Institute of Geodesy and Geophysics of CAS,W uhan 430077 2)The Key Laboratory of Dynam ical Geodesy,CAS,W uhan 430077)

The application prospect of satellite gravitymeasurements in the science of solid earth is introduced and the role of earth normal density hypothesis and gravitymechanim of plate movement in the study of globalmaterial balance is discussed aswell.

satellite gravitymeasurement;material balance;earth normal density hypothesis;platemovement;gravitymechanism

1671-5942(2010)05-0038-04

2009-12-24

國家自然科學(xué)基金(90814009);質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項基金(數(shù)字化地震前兆地殼形變觀測方法標準研究,10-215);國家科技支撐計劃項目(2008BAC35B05)

郝曉光,男,1958年生,研究員,理學(xué)博士,主要從事地球重力學(xué)的理論研究.E-mail：hxg@whigg.ac.cn

P312.3

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