陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對重力基準(zhǔn)的建立及應(yīng)用

邢樂林，李　輝，李建國，張為民，何志堂

1. 中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071； 2. 61365部隊，天津 300211； 3. 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077； 4. 陜西測繪地理信息局，陜西 西安 710054

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陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對重力基準(zhǔn)的建立及應(yīng)用

邢樂林1，李輝1，李建國2，張為民3，何志堂4

1. 中國地震局地震研究所地震大地測量重點實驗室，湖北 武漢 430071； 2. 61365部隊，天津 300211； 3. 中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，湖北 武漢 430077； 4. 陜西測繪地理信息局，陜西 西安 710054

Foundationsupport：KeyDirectorFoundationofInstituteofSeismology,CEA(No.IS201326130);SpecialFoundationforEarthquakeResearch,CEA(No.201508006);TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.41204019)

利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)100個基準(zhǔn)站的首期觀測數(shù)據(jù)，建立了基本覆蓋我國大陸范圍的高精度絕對重力基準(zhǔn)，各基準(zhǔn)站點值精度均小于5.0 μGal/a，為相對重力聯(lián)測提供了高精度起算基準(zhǔn)點，可獲得真實的相對重力聯(lián)測平差結(jié)果，避免重復(fù)重力觀測獲得的重力場動態(tài)變化圖出現(xiàn)畸變。成都基準(zhǔn)臺重復(fù)重力觀測獲得的重力變化規(guī)律表明，汶川地震前長期重力變化率達(dá)5.01±0.7 μGal/a，如此大的震前重力變化很可能是由于地下物質(zhì)運移引起的。聯(lián)合絕對重力和GRACE衛(wèi)星長期測量數(shù)據(jù)，根據(jù)二者系統(tǒng)偏差確定了武漢地區(qū)的地殼沉降速率，為-3.27±0.65mm/a。

重力基準(zhǔn)；陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)；絕對重力測量；重力變化；形變

1957年，我國建成了第一個國家重力基本網(wǎng)，簡稱“57網(wǎng)”，屬于波茨坦系統(tǒng)，由22個基本點和80個一等點構(gòu)成，基本點點值平均精度為150.0μGal(1Gal=10-2m/s2)，一等點點值平均精度為250.0μGal。57網(wǎng)精度偏低，且含大約13.5mGal的系統(tǒng)偏差[1]。

為了適應(yīng)國防、科研和國民經(jīng)濟的發(fā)展需求，1983—1985年，由國家測繪局等單位重新建立了中國重力基本網(wǎng)，簡稱“85網(wǎng)”，該網(wǎng)由6個絕對重力基準(zhǔn)點、46個基本點和5個引點構(gòu)成，采用LCR-G型相對重力儀進(jìn)行聯(lián)測，絕對重力基準(zhǔn)點重力值采用意大利IMGC絕對重力儀進(jìn)行測定，其中昆明重力值還同時用我國計量院NIM2絕對重力儀進(jìn)行測定，并作為起算基準(zhǔn)，并與巴黎A3點進(jìn)行國際聯(lián)測，點值平均精度為25.0μGal[2]。

2002年，在85網(wǎng)的基礎(chǔ)上，我國建成了又一個國家重力基本網(wǎng)，簡稱“2000網(wǎng)”，該網(wǎng)由21個基準(zhǔn)點、126個基本點和112個引點組成，采用LCR-G型相對重力儀進(jìn)行聯(lián)測，絕對重力觀測首次使用FG5絕對重力儀，平差時采用弱基準(zhǔn)原則，基本點點值平均精度為6.6μGal，基準(zhǔn)點的點值平均精度為2.3μGal[3]。

自1998年起，隨著國家重大科學(xué)工程項目中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)(簡稱“網(wǎng)絡(luò)工程”)的開展，每2—3年對覆蓋中國大陸范圍內(nèi)的25個基準(zhǔn)站進(jìn)行一期絕對重力觀測[4]，由中國科學(xué)院承擔(dān)實施，至2010年開始運行的中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)增加了另外75個基準(zhǔn)站，共由100個基準(zhǔn)點構(gòu)成，該絕對重力觀測網(wǎng)是我國目前精度最高、覆蓋范圍最廣的重力基準(zhǔn)網(wǎng)，由中國地震局、總參測繪導(dǎo)航局、中國科學(xué)院和國家測繪地理信息局聯(lián)合承擔(dān)實施。

本文利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)100個基準(zhǔn)站的絕對重力觀測數(shù)據(jù)，建立了基本覆蓋中國大陸范圍的高精度絕對重力基準(zhǔn)，對重力值及其點值精度進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并對南北地震帶重力測量數(shù)據(jù)在不同控制基準(zhǔn)下的結(jié)果進(jìn)行了研究，利用長期絕對重力重復(fù)測量資料，分析汶川和蘆山地震前后重力變化規(guī)律，聯(lián)合GRACE衛(wèi)星長期數(shù)據(jù)根據(jù)二者的系統(tǒng)差確定了武漢地區(qū)的地殼垂直運動速率。

1　絕對重力基準(zhǔn)確定

1.1絕對重力測定

2010—2011年，中國地震局、總參測繪導(dǎo)航局、中國科學(xué)院和國家測繪地理信息局利用FG5絕對重力儀對陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對重力網(wǎng)的100個測站進(jìn)行了測量，見表1。其中，重力垂直梯度測定精度小于0.03μGal/cm，絕對重力儀在每個測點上至少觀測25組，每組100次下落，利用g軟件對落體數(shù)據(jù)進(jìn)行重力固體潮、海潮負(fù)荷、大氣壓力、極移和重力垂直梯度等改正，測定絕對重力值的組間精度應(yīng)小于5.0μGal[5]。

表1　絕對重力測量任務(wù)

1.2基準(zhǔn)總的不確定度

絕對重力儀的誤差源主要由4部分組成：系統(tǒng)單元與模式、環(huán)境噪聲、安裝調(diào)試和改正計算模型，前3部分為重力儀本身能產(chǎn)生的相應(yīng)測量誤差，第4部分包括計算固體潮、海潮負(fù)荷、大氣壓力、極移和重力垂直梯度等改正項采用公式的誤差[5]，各改正項計算公式的精度見表2。

表2　影響絕對重力儀測量精度的各改正項計算公式及精度

表2中，固體潮改正精度mT=0.3 μGal，大氣壓力改正精度mB=1 μGal，極移改正精度mP=0.05 μGal，激光改正精度ml=0.05 Gal，Rb鐘改正精度mR=0.05 μGal，重力垂直梯度改正精度mgrod=h(cm)·0.03 μGal/cm，系統(tǒng)設(shè)計精度ms=1 μGal，系統(tǒng)設(shè)置精度mss=1 Gal，則總的不確定度T的計算公式為

(1)

式中,σ為組間精度；N為觀測組數(shù)；m為測量精度。式(1)即為絕對重力儀測定地面重力值的總的不確定度計算公式。

將組間精度σ取測定要求的限差5.0 μGal，根據(jù)式(1)由T=4.4 μGal，故當(dāng)組間精度σ小于5.0 μGal時，建立的絕對重力基準(zhǔn)精度小于4.4 μGal。

1.3武漢站絕對重力基準(zhǔn)的建立

2012年4月，中國地震局利用FG5-232絕對重力儀在武漢引力與固體潮野外觀測站進(jìn)行了連續(xù)25組觀測，每小時觀測1組，每組100次下落，單次下落時間間隔為10 s，每次下落共獲得700個時間、距離對(ti,zi,i=1～700)，根據(jù)2500次下落的時間、距離對(ti,zi,i=20～619)利用最小二乘擬合計算每次下落測定的有效高度處的重力值，并對其進(jìn)行固體潮、海潮負(fù)荷、大氣壓力、極移和重力垂直梯度等改正后，絕對重力均值及其精度如圖1所示。

圖1　絕對重力值及其精度Fig.1　The absolute gravity value and its error

由圖1可以看出，武漢基準(zhǔn)站的絕對重力基準(zhǔn)總的不確定度為4.3 μGal，組間精度為1.7 μGal。

2　基準(zhǔn)初步分析

按照1.3節(jié)所示的方法，對100個測站的重力觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，獲得了各基準(zhǔn)站的絕對重力值及其精度。從整體來看，100個基準(zhǔn)站的絕對重力值呈現(xiàn)北高南低的形態(tài)，這是由于絕對重力值的大小主要受基準(zhǔn)站的緯度和高程兩方面的影響，其中，重力值最大的為緯度最高的漠河，最小的為緯度較低、高程很高的仲巴，二者差值超過3000 mGal。

100個基準(zhǔn)站的重力點值精度均小于5.0 μGal，平均精度為2.2 μGal，小于2.0 μGal的為53個，比例達(dá)50%以上。整體而言，鄂爾多斯和東北地塊的基準(zhǔn)站精度稍差，主要受點位觀測環(huán)境噪聲的影響；對于沿海地區(qū)，由于海潮負(fù)荷影響較大，永興島和廈門的精度最差，其他基準(zhǔn)站的精度經(jīng)海潮負(fù)荷改正后精度也難以達(dá)到2.0 μGal。隨著陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步實施，將對100個基準(zhǔn)站進(jìn)行2—3年周期的絕對重力復(fù)測，其絕對重力變化能夠體現(xiàn)重力基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，反映區(qū)域地殼垂直形變和地下物質(zhì)重新分布等特性。

較“85網(wǎng)”先進(jìn)的“2000網(wǎng)”，利用FG5建立了21個絕對重力基準(zhǔn)，并以此為控制進(jìn)行了相對重力聯(lián)測，平差后獲得了基本覆蓋中國大陸范圍內(nèi)的重力基準(zhǔn)，基本點點值平均精度為6.6 μGal，基準(zhǔn)點的點值平均精度為2.3 μGal，而陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)利用FG5絕對重力儀直接建立了覆蓋中國大陸范圍的絕對重力基準(zhǔn)，點值平均精度為2.2 μGal。

3　基準(zhǔn)應(yīng)用

3.1控制測量

理論上，重力網(wǎng)中有一個重力基準(zhǔn)即可解決秩虧問題，而在實踐中需要多個基準(zhǔn)進(jìn)行附和平差，這就要求重力網(wǎng)中盡可能有多個基準(zhǔn)，否則將會扭曲平差結(jié)果，且平差后對應(yīng)低精度的基準(zhǔn)[6-7]。隨著網(wǎng)絡(luò)工程、2000網(wǎng)的實施，特別是陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的實施，我國的重力網(wǎng)體系解決了之前存在的問題：絕對重力基準(zhǔn)較少，不能有效地消除相對重力儀標(biāo)定系統(tǒng)引起的測量系統(tǒng)誤差，獲得的整體重力場動態(tài)變化圖像在絕對重力控制較弱的地區(qū)會發(fā)生一定的畸變。

以南北地震帶2014年9月的重力測量數(shù)據(jù)為例，共1349個相對重力聯(lián)測點，包括21個絕對應(yīng)力基準(zhǔn)點，其中4個為網(wǎng)絡(luò)工程的重力基準(zhǔn)。利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的21個重力基準(zhǔn)值和網(wǎng)絡(luò)工程的4個重力基準(zhǔn)值分別對相對重力聯(lián)測數(shù)據(jù)進(jìn)行弱基準(zhǔn)原則的平差[7]，即絕對重力基準(zhǔn)中誤差為5.0 μGal，相對重力中誤差為15.0 μGal。平差結(jié)果表明，點值平均精度分別為11.9 μGal和14.1 μGal。

根據(jù)誤差傳播規(guī)律，差值的精度為±18.0 μGal，當(dāng)差值大于一倍中誤差的點為由基準(zhǔn)控制引起的顯著畸變，則大于18.0 μGal的點共49個，小于-18.0 μGal的點共74個，顯著畸變點個數(shù)共123個，約占總點數(shù)1349的9%。

顯著畸變點主要位于南北地震帶的西部和東南部區(qū)域，而在網(wǎng)絡(luò)工程重力基準(zhǔn)點區(qū)域不存在顯著畸變，這主要因為川西高原、云貴高原與其鄰區(qū)地形差異較大，網(wǎng)絡(luò)工程的重力基準(zhǔn)點的控制范圍未到達(dá)整體區(qū)域所需要的重力量程，而陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)點則能夠覆蓋其量程范圍。

3.2地震前后絕對重力變化

成都基準(zhǔn)站是距離汶川和蘆山地震震中最近的基準(zhǔn)站，兩次地震發(fā)生前后，特別是汶川地震發(fā)生前后，中國地震局利用FG5絕對重力儀進(jìn)行了多期絕對重力測量。為提取構(gòu)造運動引起的重力變化，利用顧及全球主要河流的水位變化狀況的陸地水儲量模型[8](land surface discharge model,LSDM)，該模型的時間分辨率為24 h，空間分辨率為0.5°×0.5°，由GFZ基于ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasts)模型解算提供，經(jīng)積分負(fù)荷格林函數(shù)法[9]消除負(fù)荷影響后的長期重力變化，如圖2所示。

圖2　成都基準(zhǔn)站絕對重力變化Fig.2　The absolute gravity variation at Chengdu station

由圖2可知，絕對重力變化有如下特征：自2002年9月至汶川地震發(fā)生前，絕對重力變化呈增大趨勢，直至2008年1月，重力變化率為5.01±0.7 μGal/a；2002年9月至2004年1月，絕對重力變化十分顯著，約增大15.8 μGal；2008年5月汶川地震后，絕對重力變化呈下降恢復(fù)趨勢直至2011年11月，恢復(fù)至2008年1月水平，重力變化率為-1.66±0.48 μGal/a，但仍未恢復(fù)。2011年11月至2013年4月蘆山地震前的2期絕對重力呈增大趨勢，蘆山地震前的最后一期絕對重力增大至2008年5月水平。理論研究表明[10]，由位錯模型正演的大地震同震重力變化較為顯著，可達(dá)幾十甚至幾百微伽，但汶川地震前后的絕對重力觀測并未觀測到明顯的同震重力變化，這與該基準(zhǔn)站恰好處于理論同震重力變化非常微弱的區(qū)域有關(guān)[11]。

汶川地震前僅進(jìn)行了4期絕對重力觀測，且2004至2007年期間未進(jìn)行觀測，對長期重力變化率的擬合精度有一定的影響，但對明顯的變化率影響不大，而震前GPS結(jié)果表明震前活動性并不強的龍門山斷裂帶區(qū)域的水平位移并不明顯，形成強烈的閉鎖帶，整個斷裂帶的強閉鎖導(dǎo)致了慢應(yīng)變但高應(yīng)力積累，從而形成震前滑動虧損區(qū)或地震空區(qū)。水準(zhǔn)測量結(jié)果表明與位于穩(wěn)定的四川盆地的成都測點相比，龍門山斷裂帶區(qū)域的垂直位移也不明顯，僅幾個毫米，處于虧損帶[12]。因此地殼垂直位移引起的重力變化遠(yuǎn)小于絕對重力觀測到的重力變化，如此大的震前重力變化很可能是由于地下物質(zhì)運移或地殼密度變化引起的。

長期絕對重力變化與1976年唐山地震前的重力變化類似[13]，即在地震孕育過程中會引起震區(qū)周圍重力變化，強震的應(yīng)力與能量積累具有10年以上的時間尺度。區(qū)域巖體存在巨大應(yīng)力可能是發(fā)生地震的直接原因，震前重力變化呈明顯的增大趨勢，可通過擴容膨脹理論加以解釋。

3.3聯(lián)合GRACE衛(wèi)星資料確定區(qū)域長期地殼垂直形變速率

與武漢引力與固體潮站距離最近的GPS連續(xù)觀測站，其連續(xù)觀測結(jié)果表明武漢地區(qū)的長期地殼垂直運動具有明顯的下沉趨勢[14-16]，約為-3.0 mm/a。

隨著GRACE重力衛(wèi)星資料的累積，地表物質(zhì)再分布及其重力效應(yīng)的長期變化規(guī)律得以應(yīng)用，地面和GRACE衛(wèi)星長期重力變化的一致性存在以下區(qū)別：GRACE衛(wèi)星重力屬于空固坐標(biāo)系下，而地面重力觀測屬于地固坐標(biāo)系下，因此GRACE與地面重力變化的差異主要為地面垂直形變部分，即GRACE觀測不到因地固坐標(biāo)系下自由空氣梯度引起的重力變化[17-18]，這與利用位錯理論模擬GRACE衛(wèi)星檢測到的同震重力變化具有一致性[19]。

(2)

圖3　武漢基準(zhǔn)站絕對重力變化Fig.3　The absolute gravity change at Wuhan station

圖4　GRACE觀測到的武漢區(qū)域重力變化Fig.4　Gravity change of Wuhan area detected by GRACE

2002至2010年大地站的GPS連續(xù)觀測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明地面垂直形變速率為-3.49±0.3mm/a[15]，與本文聯(lián)合絕對重力觀測和GRACE衛(wèi)星重力測量獲得的區(qū)域地殼垂直形變速率相差約0.2mm/a，這表明該方法在研究區(qū)域地殼垂直形變速率時的有效性。

圖5　水負(fù)荷引起的武漢基準(zhǔn)站重力變化Fig.5　Gravity change of Wuhan station caused by water loading

4　結(jié)　論

利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)100個絕對重力基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)，建立了高精度絕對重力基準(zhǔn)，滿足相對重力聯(lián)測對起算基準(zhǔn)要求。

成都基準(zhǔn)站長期絕對重力變化表明，自2002年9月至汶川地震發(fā)生前，絕對重力變化呈增大趨勢直至2008年1月；2002年9月至2004年1月，絕對重力變化十分顯著； 2008年5月汶川地震后，絕對重力變化呈下降恢復(fù)趨勢直至2011年11月，恢復(fù)至2008年1月水平，但仍未恢復(fù)。2011年11月至2013年4月蘆山地震前的2期絕對重力呈增大趨勢，蘆山地震前的最后一期絕對重力增大至2008年5月水平。

在汶川地震和蘆山地震的孕育過程均引起震區(qū)周圍的重力變化呈上升趨勢，震后重力變化呈下降恢復(fù)趨勢，強震的應(yīng)力與能量積累具有10年以上的時間尺度。

對武漢基準(zhǔn)站長期絕對重力觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將水文負(fù)荷重力效應(yīng)進(jìn)行改正，對GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行去相關(guān)和扇形濾波后，確定了武漢地區(qū)的地殼垂直形變速率。

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(責(zé)任編輯：張艷玲)

EstablishmentofAbsoluteGravityDatuminCMONOCandItsApplication

XINGLelin1,LIHui1,LIJianguo2,ZHANGWeimin3,HEZhitang4

1.KeyLaboratoryofEarthquakeGeodesy,InstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Wuhan430071,China; 2. 61365Troops,Tianjin300211,China; 3.InstituteofGeodesyandGeophysics,ChinaAcademyofSciences,Wuhan430077,China; 4.ShaanxiAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation,Xi’an710054,China

ThehighaccuracyabsolutegravitydatumcoveredtheChinesemainlandareaisestablishedbyusingabsolutegravitymeasurementdataofonehundredstationsinCMONOC(CrustalMovementObservationNetworkofChina),theaccuracyofeachstationisbetterthan5.0 μGal/a.Thehighaccuracygravitydatumcanbeusedforrelativegravitymeasurementsinadjustment,andtherealgravityvaluecanbedeterminedfromrelativegravitymeasurementdataofadjustmentbyusingthegravitydatumtoavoiddistortionoftherealfigureofgravitychange.ThetrendofabsolutegravitychangefromseveralobservationsatChengdustationshowsthattheseculartrendofgravitychangeislargerthan5.01±0.7 μGal/a,whichisprobablycausedbythedistributionofmassbelowtheearth.TherateoflandsubsidenceofWuhanareais3.27±0.65mm/adeterminedfromcombinedlong-termabsolutegravitymeasurementsandGRACEsatellitedataaccordingtothetwosystemdifference.

gravitydatum;CMONOC;absolutegravitymeasurements;gravitychange;deformation

2015-01-01

2015-10-15

邢樂林(1979—)，男，博士，副研究員，研究方向為重力變化觀測與解釋。Firstauthor：XINGLelin(1979—)，male,PhD,associateresearcher,majorsinobservationofgravitychangeanditsapplication.

E-mail：xinglelin@163.com

P229

A

1001-1595(2016)05-0538-06

中國地震局基本科研業(yè)務(wù)專項(IS201326130)；中國地震局地震行業(yè)科研專項(201508006)；國家自然科學(xué)基金(41204019)

引文格式：邢樂林，李輝，李建國,等.陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對重力基準(zhǔn)的建立及應(yīng)用[J].測繪學(xué)報，2016,45(5)：538-543.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20140653.

XINGLelin,LIHui,LIJianguo,etal.EstablishmentofAbsoluteGravityDatuminCMONOCandItsApplication[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2016,45(5):538-543.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20140653.