2010—2020年云南及周緣絕對(duì)重力變化特征

張新林 汪 健 胡敏章王嘉沛 李忠亞 張 毅

1)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071 2)中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著高精度絕對(duì)重力儀測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和高精度絕對(duì)重力儀的應(yīng)用，絕對(duì)重力測(cè)量在建立重力測(cè)量基準(zhǔn)、 高精度相對(duì)重力儀的標(biāo)定、 相對(duì)重力聯(lián)測(cè)控制解算以及監(jiān)測(cè)地殼垂直形變和地球動(dòng)力學(xué)有關(guān)的重力變化方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 高精度絕對(duì)重力觀測(cè)，特別是重復(fù)絕對(duì)重力觀測(cè)對(duì)重力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)具有重要意義。 首先，高精度絕對(duì)重力測(cè)量能夠探測(cè)出地球內(nèi)部的質(zhì)量運(yùn)移和一些地球動(dòng)力學(xué)事件引起的微小重力變化(Lambertetal.，2001； Williamsetal.，2001； 王勇等，2004)； 其次，重力變化的研究是地震監(jiān)測(cè)的重要一環(huán)，對(duì)震前、 同震及震后的重力變化特征開(kāi)展研究分析有助于我們了解震源機(jī)制、 地震孕育過(guò)程并作出地震中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)(Zhuetal.，2010)； 最后，重復(fù)絕對(duì)重力測(cè)量給出了重力場(chǎng)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，為研究重力場(chǎng)的變化特征提供了重要的基礎(chǔ)觀測(cè)資料(祝意青等，2007，2012)。

自1998年起，以服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)為主、 兼顧其他領(lǐng)域應(yīng)用的綜合性科學(xué)工程項(xiàng)目 “中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”開(kāi)始實(shí)施，重力觀測(cè)是其重要內(nèi)容之一(牛之俊等，2002)，每2a對(duì)分布在中國(guó)大陸范圍內(nèi)的25個(gè)重力基準(zhǔn)站進(jìn)行絕對(duì)重力測(cè)量(許厚澤，2003)。 2010年，由中國(guó)地震局牽頭，中國(guó)科學(xué)院、 國(guó)家測(cè)繪地理信息局和總參測(cè)繪導(dǎo)航局共同承擔(dān)的中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(簡(jiǎn)稱 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)的實(shí)施，使得重力基準(zhǔn)點(diǎn)擴(kuò)充至100個(gè)，測(cè)量周期為2～3a一期，該絕對(duì)重力觀測(cè)網(wǎng)是中國(guó)目前精度最高、 覆蓋范圍最廣的重力基準(zhǔn)網(wǎng)，以監(jiān)測(cè)整個(gè)中國(guó)大陸強(qiáng)地震活動(dòng)引起的重力變化為主要目的，在絕對(duì)重力控制下進(jìn)行相對(duì)重力聯(lián)測(cè)，獲取重力變化信息(韓宇飛等，2020)。 目前已經(jīng)完成了5期的觀測(cè)任務(wù)，在重力基準(zhǔn)的建立和應(yīng)用上發(fā)揮了重要作用(邢樂(lè)林等，2016)。

云南地區(qū)是中國(guó)地震活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。 為研究與地震有關(guān)的重力變化，本文整理了陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)在云南及周邊區(qū)域10個(gè)重力基準(zhǔn)點(diǎn)(昆明、 東川、 蒙自、 思茅、 勐海、 耿馬、 瑞麗、 下關(guān)、 麗江和攀枝花)2010—2020年共5期的絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了每期各基準(zhǔn)點(diǎn)的重力值及其點(diǎn)值精度，提取了不同時(shí)間尺度和時(shí)段的重力變化速率，分析了不同時(shí)間段和時(shí)間尺度的重力場(chǎng)變化特征。

1 云南及周邊陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)點(diǎn)的絕對(duì)重力重復(fù)觀測(cè)結(jié)果

自2010年陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目實(shí)施至今，中國(guó)地震局地震研究所承擔(dān)了云南省及鄰區(qū)的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)10個(gè)重力基準(zhǔn)點(diǎn)的全部5期絕對(duì)重力測(cè)量任務(wù)(圖 1)。 第1期為2010—2012年，第2期為2013—2014年，第3期為2015—2016年，第4期為2017—2018年，第5期為2019—2020年。 使用的儀器分別為2005年引進(jìn)國(guó)內(nèi)的FG5-232、 2017年引進(jìn)的FG5X-255和2018年引進(jìn)的FG5X-259，該型絕對(duì)重力儀器的設(shè)計(jì)精度已能達(dá)到(1～2)×10-8m·s-2(Niebaueretal.，1995； Okuboetal.，1997)，完全滿足陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的絕對(duì)重力測(cè)量設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心，2014)。

圖1 云南及鄰區(qū)絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)及構(gòu)造示意圖Fig. 1 Absolute gravity measurement stations and tectonic map of Yunnan and its adjacent areas.黃色方框區(qū)域?yàn)楸疚难芯繀^(qū)域，紅色圓點(diǎn)代表絕對(duì)重力基準(zhǔn)點(diǎn)，紅色線條代表一級(jí)板塊邊界，藍(lán)色線條代表二級(jí)板塊邊界，灰色線條代表斷裂帶

圖 2 云南及鄰區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)站的絕對(duì)重力觀測(cè)序列Fig. 2 Time series of absolute gravity values at gravity fundamental stations of CMONOC in Yunnan Province and the adjacent region.重力值均歸算到觀測(cè)墩面重力標(biāo)處，豎線為觀測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差，觀測(cè)結(jié)果左側(cè)為每次使用的觀測(cè)儀器編號(hào)，斜線為觀測(cè)值的線性最小二乘擬合； 藍(lán)色斜線代表第1～2期重力變化率，紅色斜線代表第2～5期的重力變化率， 灰色斜線代表全部5期的重力變化率

表1為10個(gè)絕對(duì)重力觀測(cè)點(diǎn)在2010—2020年期間的觀測(cè)時(shí)間、 觀測(cè)儀器、 觀測(cè)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)偏差。 其中，麗江測(cè)點(diǎn)在陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施第1期(2010—2012年)為麗江天文臺(tái)站點(diǎn)，而在后4期任務(wù)中改為麗江地震臺(tái)站點(diǎn)，因此本文只采用了麗江地震臺(tái)的后4期觀測(cè)數(shù)據(jù)。 觀測(cè)結(jié)果顯示，所有觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為(0.19～3.60)×10-8m·s-2，最大的標(biāo)準(zhǔn)偏差為第2期2014年11月8日瑞麗測(cè)點(diǎn)的3.60×10-8m·s-2，最小的標(biāo)準(zhǔn)偏差為第5期2020年8月11日勐海測(cè)點(diǎn)的0.19×10-8m·s-2。

表1 2010—2020年云南省及鄰區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)站的絕對(duì)重力觀測(cè)結(jié)果

注 觀測(cè)點(diǎn)位均為武漢(2000國(guó)家重力基本網(wǎng)3035號(hào)點(diǎn))。

2 重力變化趨勢(shì)分析

2010—2020年云南9個(gè)測(cè)點(diǎn)及攀枝花測(cè)點(diǎn)的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)5期絕對(duì)重力測(cè)量使用了FG5-232、 FG5X-255和FG5X-2593種儀器，其中前3期使用的儀器均為FG5-232； 第4期使用儀器為FG5X-255； 第5期的下關(guān)和麗江測(cè)點(diǎn)使用了FG5X-259，其余測(cè)點(diǎn)均使用FG5X-255。 通常我們認(rèn)為各儀器自身性能穩(wěn)定、 各期任務(wù)期間儀器自身無(wú)系統(tǒng)誤差，但儀器間往往存在輕微系統(tǒng)差。 因此，為確定表1 中各測(cè)點(diǎn)的重力變化是否由不同F(xiàn)G5絕對(duì)重力儀之間的儀器偏差導(dǎo)致，我們對(duì)比了3種儀器在2000國(guó)家重力基本網(wǎng)3035號(hào)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果。 由于FG5X-259自2018年7月起才引進(jìn)國(guó)內(nèi)，故未能參加2018年3月的絕對(duì)重力儀集中比對(duì)，而FG5-232因返廠維修升級(jí)，未能參加2020年12月的絕對(duì)重力儀集中比對(duì)。 比對(duì)結(jié)果顯示，F(xiàn)G5-232與FG5X-255的一致性較好，而FG5X-255與FG5X-259一致性稍差，但不同的FG5型絕對(duì)重力儀之間的觀測(cè)結(jié)果差異很小。 因此，使用的不同儀器測(cè)量對(duì)各測(cè)點(diǎn)的重力變化影響基本可以忽略不計(jì)(表2)。

表2 絕對(duì)重力儀(FG5-232、 FG5X-255和FG5X-259)比對(duì)觀測(cè)結(jié)果Table2 The comparison of the observation results of absolute gravimeters(FG5-232，F(xiàn)G5X-255，F(xiàn)G5X-259)

圖3 云南及鄰區(qū)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)重力基準(zhǔn)站重力變化速率Fig. 3 Change rate of gravity values at gravity fundamental stations of CMONOC in Yunnan Province and the adjacent region.a 第1～2期(2010—2014年)的重力變化速率； b 第2～5期(2014—2020年)的重力變化速率； c 第1～5期(2010—2020年)的重力變化速率

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

覆蓋中國(guó)的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)重力測(cè)網(wǎng)的重復(fù)觀測(cè)，為獲取與地殼運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的重力場(chǎng)時(shí)空變化提供了豐富可靠的研究資料。 許多學(xué)者針對(duì)中國(guó)大陸絕對(duì)重力動(dòng)態(tài)變化結(jié)果開(kāi)展了研究，但研究區(qū)域主要集中在構(gòu)造活動(dòng)活躍、 研究熱點(diǎn)的青藏高原區(qū)域(Sunetal.，2009； 邢樂(lè)林等，2011； Chenetal.，2016)，而與其他區(qū)域的絕對(duì)重力動(dòng)態(tài)變化結(jié)果相關(guān)的研究目前還少有報(bào)道。

(1)云南省內(nèi)的9個(gè)重力基準(zhǔn)點(diǎn)及攀枝花基準(zhǔn)點(diǎn)2010—2020年的5期的絕對(duì)重力觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，除昆明測(cè)點(diǎn)之外，其他9個(gè)測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)第1～2期(2010—2014年)重力增加，第2～5期(2014—2020年)重力減小的現(xiàn)象，重力變化趨勢(shì)先增后減的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2014年前后。 仔細(xì)分析昆明測(cè)點(diǎn)的重力變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)在文中設(shè)置的3個(gè)不同時(shí)間尺度和時(shí)段的年變化速率都很小。 楊學(xué)慧等(2016)分析了昆明站2010—2014年的降雨對(duì)形變資料的干擾結(jié)果，認(rèn)為昆明測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)山洞巖層滲水性強(qiáng)，易受雨水侵蝕和滲入，且觀測(cè)點(diǎn)位NW向的水潭儲(chǔ)水量在不同季節(jié)各不相同，山洞受山體雨水和水潭荷載變化影響較大，特別是雨季，加載效應(yīng)明顯。 而昆明是10個(gè)測(cè)點(diǎn)中惟一位于山洞的測(cè)點(diǎn)，該測(cè)點(diǎn)5期觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示重力值在雨季最大(2018年5月11日觀測(cè)結(jié)果)，且其他4期非雨季觀測(cè)數(shù)據(jù)非常接近，其不同于其他9個(gè)重力基準(zhǔn)點(diǎn)的變化趨勢(shì)的主要原因可能是受測(cè)點(diǎn)處山體含水和水潭荷載的影響，山體和水潭的水量加、 卸載變化對(duì)重力的影響量化分析有待進(jìn)一步研究。 此外，表1 所示各測(cè)點(diǎn)的5期觀測(cè)數(shù)據(jù)是在不同年份的不同月份觀測(cè)實(shí)施所獲得的，由于缺乏各測(cè)點(diǎn)的水文資料，均未考慮其季節(jié)性重力變化，因此剔除其影響是我們后期重要的研究工作之一。

(3)云南境內(nèi)斷層錯(cuò)綜復(fù)雜、 地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)活躍，區(qū)域重力場(chǎng)變化幅度大、 速度快、 升降轉(zhuǎn)換周期短(孫少安等，2009，2015)，本文覆蓋全云南及鄰區(qū)的絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)的重力分時(shí)段趨勢(shì)研究也正好印證此觀點(diǎn)。 但在此背景之下，覆蓋云南全境及鄰區(qū)的絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)變化卻統(tǒng)一呈現(xiàn)了先升后降的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)折發(fā)生在2014年前后，在重力變化增大至轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，于2014年先后發(fā)生了魯?shù)镸S6.5、 盈江MS6.1和景谷MS6.6地震，隨后重力一直呈減小趨勢(shì)，直至2021年漾濞MS6.4地震發(fā)生之前。 其重力場(chǎng)變化機(jī)制可能是由青藏高原受印度板塊推擠向NE運(yùn)移，后受四川盆地阻擋，青藏高原下的地殼物質(zhì)轉(zhuǎn)向SE的云南及鄰近區(qū)域的運(yùn)動(dòng)所主導(dǎo)(王興臣等，2015； Panetal.，2018)。

(4)10個(gè)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)不同時(shí)段內(nèi)的重力變化趨勢(shì)各不相同，反轉(zhuǎn)周期短，這也對(duì)絕對(duì)重力測(cè)量模式提出了新的要求，應(yīng)對(duì)絕對(duì)重力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行加密布設(shè)并縮短觀測(cè)周期，以進(jìn)一步提高中國(guó)大陸絕對(duì)重力測(cè)量服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)特征研究的能力。