華北中東部衛(wèi)星時(shí)變重力場特征研究

楊利普，姜　磊，李德慶，徐志萍，徐順強(qiáng)，李怡青，熊　偉，康　敏

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州　450002)

華北中東部衛(wèi)星時(shí)變重力場特征研究

楊利普，姜磊，李德慶，徐志萍，徐順強(qiáng)，李怡青，熊偉，康敏

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州450002)

摘要：利用華北中東部GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力數(shù)據(jù)，以2003年、2004年重力年均值為基值，計(jì)算得到2005—2014年相對(duì)于該基值的重力場累積動(dòng)態(tài)變化和差分動(dòng)態(tài)變化圖像，并探討該區(qū)近10年來重力場的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征。結(jié)果表明：研究區(qū)10年間累積重力場以減小為主，2010年以后，差分重力變化呈NS向條帶狀展布，且重力變化增加，相鄰期差分重力場出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：GRACE衛(wèi)星重力；時(shí)變重力場；華北中東部

0引言

華北中東部存在多條活動(dòng)斷裂帶(圖1)，如NNE-NE向的山西活動(dòng)斷陷帶、NNE向的華北平原活動(dòng)斷陷帶、NWW向的張家口—渤海(張-渤)活動(dòng)構(gòu)造帶以及近EW向的內(nèi)蒙河套活動(dòng)斷陷帶等。這些活動(dòng)構(gòu)造帶也是中國大陸東部現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈、地震活動(dòng)頻度最高、強(qiáng)度最大的地區(qū)，歷史上曾發(fā)生過多次強(qiáng)震和大地震[1-2]。本文研究范圍(32°N～41°N，110°E～117°E，圖1)包括： 位于山

圖1　研究區(qū)范圍圖

西地震帶與張渤地震帶交匯部位的晉冀蒙交界地區(qū)； 位于汾渭地震帶南端，南依秦嶺褶皺山系北麓，北靠鄂爾多斯地塊東南緣的晉陜豫交界區(qū)；以及處于太行山斷塊、冀魯斷塊、皖豫斷塊交匯部位的華北地塊一級(jí)構(gòu)造單元。這3個(gè)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形多變，是歷史上強(qiáng)震的多發(fā)部位。強(qiáng)震或大地震受區(qū)域應(yīng)力場及主要活動(dòng)斷裂帶的控制，通常孕育并發(fā)生在活動(dòng)斷裂帶應(yīng)力高度積累的部位，這些部位及其附近在孕震階段的顯著差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，通常伴有顯著的重力場變化。因此，在特定的時(shí)-空尺度上，強(qiáng)震的孕育發(fā)生與區(qū)域重力場的非均勻時(shí)-空變化緊密相關(guān)[1]。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力衛(wèi)星作為重力觀測的一種手段，提供了長時(shí)間尺度的重力變化信息，已捕獲到2004年蘇門答臘-安達(dá)曼地震、2010年智利大地震、2011年日本東北部大地震引起的重力變化；同時(shí)，在蘆山MS7.0地震震前GRACE時(shí)變重力場的研究中也發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性變化。鄒正波等[3-9]利用GRACE數(shù)據(jù)中心公布的美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心處理的RL04模型數(shù)據(jù)最大階次60階的月重力場模型，對(duì)汶川MS8.0地震前后的局部重力場變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，大地震對(duì)局部重力場影響明顯。

本文利用GRACE衛(wèi)星時(shí)變重力資料，通過消除陸地水儲(chǔ)量變化的效應(yīng)，獲取反映2003—2014年華北中東部地區(qū)巖石圈重力場動(dòng)態(tài)變化的圖像，分析探討該區(qū)重力場時(shí)變特征。

1數(shù)據(jù)處理

GRACE衛(wèi)星是美國國家航空航天局(NASA)跟德國航空中心的合作項(xiàng)目，是觀測地球重力場變化的衛(wèi)星。GRACE衛(wèi)星于2002年升空后開始將重力數(shù)據(jù)傳回地球。GRACE時(shí)變重力場數(shù)據(jù)源于德國地學(xué)中心(GFZ)發(fā)布的Level-2 RL05地球重力模型，選用模型為美國德克薩斯大學(xué)空間研究中心處理的GRACE CSR-rl 05月模型，該數(shù)據(jù)為處理后的規(guī)格化重力場位系數(shù)，最高階次為60階，高斯濾波半徑為300 km，模型已扣除了大氣、海洋、極潮、固體潮及海潮等影響[10]。差分重力場可以反映區(qū)域的局部重力效應(yīng)，由于濾波半徑的原因，為了更好地研究華北中東部重力場變化特征，故選取GRACE重力場數(shù)據(jù)的范圍遠(yuǎn)大于研究區(qū)范圍：30°N～45°N，105°E～120°E。由于GRACE時(shí)變信號(hào)包含了全球陸地水、冰川、地震等相關(guān)物質(zhì)遷移及質(zhì)量再分布信息，為了從GRACE中提取與地震活動(dòng)過程相關(guān)的重力變化信號(hào)，需要扣除包含降雨、蒸發(fā)(包括蒸騰)、徑流和地下水活動(dòng)等在內(nèi)的陸地水儲(chǔ)量變化帶來的影響。根據(jù)全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)GLDAS(Global Land Data Assimilation System)提供的等效雪水高、地表水適度、蒸發(fā)及徑流等水質(zhì)量信息，本文選取GLDAS提供的0.25°格網(wǎng)間隔的數(shù)據(jù)[10]。由式(1)建立水質(zhì)量變化與重力位系數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建方程，解算出水質(zhì)量變化對(duì)應(yīng)的球諧系數(shù)變化，采用與提取GRACE重力變化相同的方法得到陸地水質(zhì)量變化引起的重力變化，并從衛(wèi)星重力結(jié)果中去除該信息，從而獲得研究區(qū)各年份年均重力場模型[8]。

[ΔClmcos(mλ)+ΔSlmsin(mλ)]

(1)

式中：Δσ是質(zhì)量變化，ΔClm和ΔSlm是質(zhì)量變化引起的球諧系數(shù)變化，ρa(bǔ)νe為地球平均密度(5 517 kg/m3),kl為勒夫數(shù)。

以2005年與2003年、2004年差分重力變化結(jié)果(圖2)為例，經(jīng)陸地水儲(chǔ)量改正后，GRACE衛(wèi)星重力值變化較小，等值線走向、形態(tài)一致，對(duì)該區(qū)域時(shí)變重力場影響較小。

圖2　陸地水儲(chǔ)量改正前后GRACE衛(wèi)星重力場變化圖

鄭秋月等[11]、蘇曉莉等[12]、胡小工[13]等研究認(rèn)為，GRACE衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)經(jīng)過模型校正后，得到在一定區(qū)域尺度分辨率下的非大氣、非海洋的質(zhì)量變化。一般在季節(jié)性或更短的時(shí)間尺度上，這種剩余的重力場變化在陸地區(qū)域主要與水儲(chǔ)量變化相關(guān)[11-14]。本文認(rèn)為GLDAS陸面水模型變化對(duì)地表水文影響已消除，同時(shí)考慮到深部地下水是個(gè)穩(wěn)定的循環(huán)系統(tǒng)，在較大的空間時(shí)間尺度上對(duì)時(shí)變重力場的影響可以忽略不計(jì)。周新、鄒正波、姜磊等[4,6,8,15-20]利用相似的方法研究了智利、汶川、蘆山、尼泊爾等強(qiáng)地震前后GRACE衛(wèi)星重力變化特征，并認(rèn)為衛(wèi)星重力變化顯示了大地震前、時(shí)、后震源區(qū)周邊物質(zhì)遷移和動(dòng)力學(xué)變化過程。

首先，求取2003—2004年2年的平均重力場模型，并以該均值為基值，求出2005年以后的年均重力值相對(duì)該基值的變化，得到研究區(qū)從2005—2014年的重力累積動(dòng)態(tài)變化場(圖3)和重力差分動(dòng)態(tài)變化場(圖4)。

a　2005-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

b　2006-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

c　2007-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

d　2008-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

e　2009-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

f　2010-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

g　2011-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

h　2012-0304累積動(dòng)態(tài)變化場

i　2013-0304 累積動(dòng)態(tài)變化場

j　2014-0304累積動(dòng)態(tài)變化場注：圖中紅色矩形為研究區(qū)范圍圖3　GRACE衛(wèi)星重力場累積動(dòng)態(tài)變化圖

2重力場的累積動(dòng)態(tài)變化及其特征

2005年相對(duì)于2003年、2004年(圖3a)，研究區(qū)以北京—石家莊—洛陽為界，以西為重力減小區(qū)，以東為重力上升區(qū)，重力變化場走向?yàn)镹E-NW向，負(fù)重力值范圍-4×10-8～0 m/s2，正重力值范圍0～6×10-8m/s2；2006—2008年(圖3b～圖3d)，重力場累積變化特征相似，研究區(qū)內(nèi)重力場負(fù)值區(qū)域向南擴(kuò)展，2007年重力值累積變化量最大，正、負(fù)重力值分別達(dá)-7×10-8m/s2和5×10-8m/s2；2009—2010年(圖3e～圖3f)，華北中東部地區(qū)重力累積變化場負(fù)值區(qū)域進(jìn)一步向東南擴(kuò)展，幅值繼續(xù)增加，在2009年達(dá)到 -10×10-8m/s2，2010年累積變化量有所減小，但負(fù)值變化區(qū)域不變，研究區(qū)東南部正值變化量減??；2011年與2003年、2004年相比(圖3g)，研究區(qū)重力場累積變化以負(fù)值為主，變化幅值減小至 -5×10-8m/s-2，中南部出現(xiàn)一正重力值變化中心，幅值達(dá)6×10-8m/s2；2012年相對(duì)2003年、2004年(圖3h)，華北中東部地區(qū)重力場以減小為主，等值線密集，中心變化量達(dá)11×10-8m/s2，正值重力變化位于研究區(qū)東南部菏澤附近，變化范圍0～4×10-8m/s2；2013年與2003年、2004年相比(圖3i)，研究區(qū)內(nèi)除呂梁西北部形成的重力場正值變化中心，其他地區(qū)重力場均表現(xiàn)為負(fù)值變化特征，幅值范圍 -8×10-8～0 m/s2；2014年相對(duì)2003年、2004年(圖3j)整個(gè)華北中東部地區(qū)重力場減小，幅值范圍-13×10-8～0 m/s2。

通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，在華北中東部地區(qū)，近10年來，累積重力場變化以減小為主，累積減小量可達(dá) -13×10-8m/s2，局部地區(qū)呈現(xiàn)重力值增加的狀態(tài)，說明該區(qū)域自2005年以來，地殼物質(zhì)在持續(xù)向周圍運(yùn)移。

3重力場的差分動(dòng)態(tài)變化及其特征

2006年相對(duì)2005年(圖4a)，華北中東部重力場整體減小，局部地區(qū)上升，在研究區(qū)西南部形成正重力變化中心，幅值在0～3×10-8m/s2；2006—2007年(圖4b)，重力場整體變化不大，在 -3×10-8～2×10-8m/s2范圍內(nèi)，與圖3a相比，正重力變化中心東移；2007—2008年(圖4c)，研究區(qū)重力場變化特征為南負(fù)北正，變化幅值較?。?3×10-8～2×10-8m/s2；2009年相對(duì)2008年(圖4d)，華北中東部地區(qū)重力場周圍減小、中部上升，變化范圍 -4×10-8～1×10-8m/s2；2010年與2009年相比(圖4e)，研究區(qū)內(nèi)重力場變化有正有負(fù)，幅值范圍 -2×10-8～3×10-8m/s2，在研究區(qū)西北部和東南部表現(xiàn)為重力減小，其他地區(qū)上升；2010—2011年(圖4f)，華北中東部地區(qū)重力場變化曲線呈NS向條帶狀展布，中部上升，兩側(cè)減小，變化范圍 -6×10-8～7×10-8m/s2，幅值較上一年增加了1倍，等值線密集；2012年與2011年相比(圖4g)，研究區(qū)差分重力場西部下降，東部上升，呈NS向展布，變化幅值在 -8×10-8～5×10-8m/s2范圍內(nèi)；2012—2013年(圖4h)，華北中東部重力場變化出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，西部上升，東部減小，且重力值達(dá)±10×10-8m/s2，等值線密集；2013—2014年(圖4i)，研究區(qū)內(nèi)差分重力場變化西負(fù)東正，NS向條帶狀展布，幅值為-7×10-8～3×10-8m/s2。

綜上所述，自2005年至2010年，差分重力場變化平緩，在-4×10-8～5×10-8m/s2之間，2010年后，差分重力變化幅值增加至±10×10-8m/s2，且重力場變化呈NS向條帶狀展布，表明2010年以后，華北中東部地區(qū)受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制；此外，2011年日本地震后，研究區(qū)重力場變化幅度明顯增加(圖4g～圖4h)。

a　2006-2005差分動(dòng)態(tài)變化場

b　2007-2006差分動(dòng)態(tài)變化場

c　2008-2007差分動(dòng)態(tài)變化場

d　2009-2008差分動(dòng)態(tài)變化場

e　2010-2009差分動(dòng)態(tài)變化場

f　2011-2010差分動(dòng)態(tài)變化場

g　2012-2011差分動(dòng)態(tài)變化場

h　2013-2012差分動(dòng)態(tài)變化場

i　2014-2013差分動(dòng)態(tài)變化場圖4　GRACE衛(wèi)星重力場差分動(dòng)態(tài)變化圖

4討論及結(jié)論

1)華北中東部地區(qū)GRACE衛(wèi)星重力場累積變化表明：2003—2014年底，華北中東部地區(qū)重力值以減小為主，變化范圍-13×10-8～0 m/s2，研究區(qū)十幾年來總體表現(xiàn)可能為殼、幔物質(zhì)存在運(yùn)移。

2)華北中東部地區(qū)GRACE衛(wèi)星重力場差分變化表明：2010年以后，華北中東部地區(qū)重力值變化幅度增加了一倍，且呈NS向條帶狀展布，該區(qū)受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制作用增加。

3)2011年日本地震發(fā)生后，華北中東部地區(qū)2010—2014年差分重力場變化量較前幾年明顯增加，且相鄰年差分重力場變化出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

4)2005年與2003年、2004年差分重力變化結(jié)果表明：經(jīng)陸地水儲(chǔ)量改正后，華北中東部地區(qū)GRACE衛(wèi)星重力值變化較小，等值線走向、形態(tài)一致，對(duì)該區(qū)域時(shí)變重力場影響較小。

5)重力衛(wèi)星在發(fā)生巨大地震時(shí)的同震變化是非常明顯的，這在2004年蘇門達(dá)臘-安達(dá)曼大地震、2008 年的智利大地震和2011 年的日本大地震中被國內(nèi)外多個(gè)地震學(xué)者所證實(shí)。由于巨大地震前數(shù)年，震源區(qū)周邊衛(wèi)星重力場將會(huì)產(chǎn)生比較明顯的正負(fù)異常分布特征，隨著臨近發(fā)震時(shí)刻，震源區(qū)及周邊的重力差變化明顯加劇[15-20]。研究區(qū)GRACE衛(wèi)星重力場累積變化和差分變化均不存在比較明顯的正負(fù)異常分布、重力差變化明顯加劇等特征。

致謝：感謝中國地震局地震研究所鄒正波副研究員提供的陸地水儲(chǔ)量改正模型，并給予相關(guān)指導(dǎo)。

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Study on Gravity Changes in Eastern North China Based on Time Variable Gravity Data of GRACE Satellite

YANG Li-pu, JIANG Lei, LI De-qing, XU Zhi-ping, XU Shun-qiang, LI Yi-qing,XIONG Wei, KANG Min

(Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China)

Abstract:Using the GRACE time-variable gravity data and set annual average values of 2003 and 2004 as the base value, we obtained cumulatively dynamic changes in the gravity field and differential dynamic changes image from 2005 to 2014 by calculating with respect to the above-mentioned base value, and on this basis we analyzed the spatial and temporal dynamic variations of gravity field in this region nearly a decade. The results show that the accumulated gravity field in the study area is dominated by decrease in this decade; after 2010, differential gravity changes are in the SN-trending banded distribution, gravity field changes increase and differential gravity field inverses in the adjacent phase.

Key words:GRACE gravity; Time-variable gravity field; Eastern North China

收稿日期:2015-12-11

基金項(xiàng)目：中國地震局物探中心青年基金項(xiàng)目(YFGEC2014010)

作者簡介：楊利普(1982—)，男，河北邢臺(tái)人，工程師，主要從事地球物理數(shù)據(jù)處理方法研究．E-mail： gme511@163.com

中圖分類號(hào):P315.726

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1003-1375(2016)02-0019-08

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.004

楊利普，姜磊，李德慶，等．華北中東部衛(wèi)星時(shí)變重力場特征研究[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(2):19-26.