地震重力觀測技術(shù)的新發(fā)展方向：絕對重力與重力梯度一體化觀測＊

吳 瓊 許健生

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

我國大陸地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、邊界動力多樣，形成了以活動地塊為主的構(gòu)造格局。地震是地球內(nèi)部熱物質(zhì)運(yùn)移驅(qū)動地塊運(yùn)動的結(jié)果[1-2]，而地球時(shí)變重力場包含了豐富的地球內(nèi)部熱物質(zhì)分布與運(yùn)移信息。在強(qiáng)震孕育過程中，震中周邊數(shù)百至數(shù)千千米范圍內(nèi)，常伴有殼——幔熱物質(zhì)運(yùn)移驅(qū)動地塊預(yù)滑的現(xiàn)象[3-8]，此現(xiàn)象會引起持續(xù)數(shù)月至數(shù)年的 10 μGal（1 μGal=1×10?8m/s2）級重力場異常變化[9]。地表 μGal級的時(shí)變微重力場測量，可為地球內(nèi)部熱物質(zhì)運(yùn)移、地殼形變、火山、地震等地球內(nèi)部動力學(xué)過程提供直接觀測數(shù)據(jù)。因此，高精度、高時(shí)空分辨力的微重力觀測資料能精確描述強(qiáng)震孕育過程中活動地塊的運(yùn)動特征，為地震預(yù)測和地震科學(xué)研究提供有效的觀測資料。

目前，我國已建成以流動重力測量為主的重力站網(wǎng)[10-12]，獲得了重力變化異常與地震震級之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，開展了孕震機(jī)理探索研究，相關(guān)成果已在中強(qiáng)地震的中長期危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測和地球科學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用[13-14]。但在對標(biāo)國際先進(jìn)水平、自然災(zāi)害防治需求和技術(shù)發(fā)展趨勢等方面，目前我國重力站網(wǎng)在絕對重力觀測方面還存在3個(gè)方面的明顯不足： ① 絕對重力標(biāo)定與控制缺失，絕對重力控制能力弱，相對重力儀器格值因子偏離和潮汐基準(zhǔn)不統(tǒng)一； ② 缺乏有效的重力場源識別能力； ③ 新型觀測技術(shù)特別是重力梯度測量技術(shù)尚未被應(yīng)用于地震監(jiān)測[15]。主要表現(xiàn)如下：

（1）觀測時(shí)間的稀疏和觀測點(diǎn)位的離散。目前中國地震局只有5臺FG5/A10型絕對重力儀，承擔(dān)每年150個(gè)點(diǎn)位的絕對重力測量任務(wù)，每臺儀器每年平均需要完成30個(gè)測點(diǎn)的觀測，每個(gè)絕對重力觀測點(diǎn)1年只測2次。而絕對重力觀測點(diǎn)之間的距離一般是幾百千米甚至上千千米；

（2）布設(shè)空間上的不均勻、不合理。在大地震頻發(fā)的西部地區(qū)觀測點(diǎn)稀疏，在大地震相對較少的東部地區(qū)觀測點(diǎn)相對較密；

（3）目前采用的絕對觀測儀器全部依賴進(jìn)口，由于價(jià)格昂貴、維修周期長、出口限制等因素的制約，不易實(shí)現(xiàn)大面積、高時(shí)空分辨力的觀測需求。國內(nèi)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)自行開發(fā)的絕對重力儀還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，不能與中國地震臺網(wǎng)其他前兆觀測儀器匹配進(jìn)行長期連續(xù)觀測。

因此，基于已有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度絕對重力測量技術(shù)，開展絕對重力與重力梯度一體化測量系統(tǒng)研制和陣列式觀測技術(shù)研究，針對捕捉大地震前地球內(nèi)部熱物質(zhì)運(yùn)移動態(tài)和地下流體遷徙規(guī)律這個(gè)具體的科學(xué)目標(biāo)，選擇合適的野外臺站，開展示范應(yīng)用。通過與臺站形變、流體和測震數(shù)據(jù)的融合分析，探索地球內(nèi)部熱物質(zhì)運(yùn)移的時(shí)空演化物理模型，獲取地震孕育、發(fā)生過程中地球物理場變化的直接科學(xué)證據(jù)，具有十分重要的應(yīng)用意義。

1 高精度絕對重力觀測可為大地震孕育和短臨預(yù)測提供直接觀測證據(jù)

由于地球的 “不可入性” ，迄今為止，人類對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直接觀察僅達(dá)到地球表皮十幾千米的深度。目前，世界上最深的鉆井深達(dá)12262 m，而這個(gè)超深鉆井深度和地球平均半徑（6370 km）相比，只能算是 “皮毛” 深度。因此，地震學(xué)家對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大地震的孕育和發(fā)生過程的認(rèn)識，主要還是間接的。盡管如此，幾十年來地震學(xué)家在對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地震成因的研究上還是取得了長足的進(jìn)步[16]。

對汶川MS8.0地震的研究表明，震前的臨震預(yù)滑活動在孕震區(qū)周邊的地塊上是普遍存在的。例如，臨震前數(shù)天至數(shù)小時(shí)，在陜西省周至地震臺（Δ=590 km）所處地塊發(fā)生了數(shù)次預(yù)滑（位移），預(yù)滑導(dǎo)致周至臺的深井水位發(fā)生了持續(xù)時(shí)間達(dá)1小時(shí)左右的 “階躍式” 變化（圖1a）；臨震前20多分鐘，在四川省姑咱地震臺（Δ=155.1 km）所處地塊發(fā)生的預(yù)滑導(dǎo)致高導(dǎo)層中的流體有一次突然釋放，沿巖石裂隙流失。這種質(zhì)量突然遷徙導(dǎo)致姑咱臺附近的微重力值 “階躍式” 下降約50多μGal（圖1b）[17-18]。

圖1 汶川 MS8.0 地震前周至臺深井水位儀（a） 和姑咱臺相對重力儀記錄（b） [17-18]Fig.1 Recordings from water-level meter in Zhouzhi station （a） and relative gravimeter in Guza station （b） before the Wenchuan earthquake[17-18]

2002年9月至汶川MS8.0地震前，在距震中約50 km的四川郫縣地震臺就觀測到了絕對重力值變化呈增大的趨勢，變化率為（5.01±0.7）μGal/a。特別是2002年9月——2004年1月，顯著增大約15.8 μGal[19]。Tanaka等[20]利用FG5絕對重力儀，在震前1天和震后7天時(shí)間段內(nèi)幸運(yùn)地觀測到在巖手山西南8 km處MS6.1地震的絕對重力變化，他們結(jié)合震區(qū)GPS、相對重力的觀測數(shù)據(jù)，確認(rèn)了絕對重力觀測值偏大6 μGal是明確的同震重力異常。Chen等[21]利用2002——2008年西藏——青海——新疆——四川地區(qū)重力場測量數(shù)據(jù)，確定了重力場異常數(shù)據(jù)與2007——2010年13個(gè)MS＞6.0的地震之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。Kao等[22]利用臺灣地區(qū)24個(gè)點(diǎn)位2004——2016年連續(xù)絕對重力測量數(shù)據(jù)，通過扣除地下水等非地球動力學(xué)因素的誤差，與GPS觀測結(jié)果對比分析確定不同點(diǎn)位的絕對重力測量值的變化與臺風(fēng)、地震、火山活動、莫霍面沉降等因素的相關(guān)關(guān)系。Timofeev等[23]基于自主研發(fā)的GABL型絕對重力儀，通過長期的絕對重力測量，研究了不同類型地震發(fā)生前的絕對重力變化。圖2為Talaya臺站和Irkutsk臺站在2008年8月27日Kultuk地震發(fā)生前后的絕對重力測量結(jié)果，距離震中地區(qū)較近的Talaya臺站絕對重力觀測結(jié)果呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，最大變化量達(dá)到了 25 μGal。

圖2 Talaya 臺站（上部曲線，1992-10——2014-10，最大變化 25 μGal） 與 Irkutsk 臺站（下部曲線，1995-10——2006-10，±2 μGal） 的絕對重力測量結(jié)果變化[23]Fig.2 Changes of the absolute gravity measurements at Talaya（Upper curve，1992-10——2014-10，up to maximum 25 μGal changes） and Irkutsk （Lower curve，1995-10——2006-10，±2 μGal changes） observatory[23]

日本神火火山（Shinmoe-dake volcano）的連續(xù)絕對重力觀測數(shù)據(jù)（FG5型絕對重力儀，每小時(shí)1組，持續(xù)觀測41天）表明（圖3），每次火山噴發(fā)前后均有對應(yīng)絕對重力觀測值的線性減小和恢復(fù)過程。其中VE#1——VE#3對應(yīng)明顯的火山噴發(fā)，E#4——E#5對應(yīng)小規(guī)模的火山噴發(fā)，T#1——T#9對應(yīng)地下巖漿的運(yùn)動但未噴發(fā)[24]。

圖3 連續(xù)絕對重力測量監(jiān)測神火火山的孕育和噴發(fā)[24]Fig.3 Absolute gravity at the Kirisima Volcano Observatory as a function of Universal Time during the vulcanian eruption stage of Shinmoe-dake volcano in 2011[24]

基于這些高精度、高時(shí)空分辨力的絕對重力觀測數(shù)據(jù)的研究表明，地球內(nèi)部的熱物質(zhì)運(yùn)移可能是地塊運(yùn)動的動力來源，地球內(nèi)部的質(zhì)量遷徙可能是地震形成的主要機(jī)制[25-28]。因此，地震成因的基本問題，歸根結(jié)底是地球內(nèi)部熱物質(zhì)運(yùn)移在地震孕育過程中的動力學(xué)問題，獲得該過程的直接觀測數(shù)據(jù)是攻克地震成因問題的關(guān)鍵所在。而目前重力觀測可能是觀測地球內(nèi)部十幾公里以下熱物質(zhì)運(yùn)移最有效的地球物理學(xué)方法之一[29-30]。

2 陣列式高精度重力與重力梯度聯(lián)合觀測可有效提高地下場源體重力異常信號的分辨能力

由于直接的高精度重力測量并不能有效區(qū)分地下不同埋深、水平向不同間距的場源體。針對特定目標(biāo)的微重力觀測需要將目標(biāo)場源體的微重力信號從眾多場源體微重力信號的復(fù)雜背景中有效的提取出來。一般的方法是對每種場源體的重力擾動進(jìn)行建模并從觀測數(shù)據(jù)中扣除，而更有效的方法是采用共模差分的方式消除長周期共模擾動[31-33]，達(dá)到提取目標(biāo)場源體重力異常的目的。

這種測量模式大多用在航空/衛(wèi)星重力梯度測量中[34]，基于球諧函數(shù)解算的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)，雖然具有較大的覆蓋范圍，但精度相對較低[35-37]。衛(wèi)星重力可觀測到大于MS7.5的張裂型或者大于MS9.0的剪切型地震所產(chǎn)生的同震重力變化，但對于中小地震的監(jiān)測能力較弱。地面上一般采用一套相對重力儀等間距閉合測量或兩套相對重力儀等間距同步測量的方式來完成，這種方式一般測前需要對儀器進(jìn)行大量可靠的動態(tài)測試和靜態(tài)測試，并需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成多次復(fù)測。

如果利用高精度絕對重力觀測儀器，布設(shè)陣列式的觀測系統(tǒng)，對于分離不同深度場源體引起的地表微重力時(shí)變信號具有明顯的效果。圖4所示的模擬計(jì)算表明，對于單位質(zhì)量場源體的重力異常，水平方向間距80 m的兩臺重力儀同步測量的敏感性和分辨能力明顯提高[32]。圖5所示，垂直方向重力梯度測量的深部場源探測能力明顯提高（圖中的單位可以等比例放大，但不影響仿真計(jì)算效果）[38]。

圖4 單位質(zhì)量重力異常。單臺重力儀測量（a） 、兩臺重力儀水平間距 10 m 和 80 m （b） 測量重力場源敏感性模擬計(jì)算[32]Fig.4 Gravity change per unit mass.The simulation of source sensitivity of gravity field by a single gravimeter （a） and two gravimeters separated horizontally by 10 m and 80 m （b）[32]

圖5 單位質(zhì)量重力異常。垂直向不同高度的梯度測量重力場源敏感性模擬計(jì)算[38]Fig.5 Gravity change per unit mass.The simulation of source sensitivity of gravity field by gradient measurement at different heights in vertical direction[38]

由于每套相對重力儀器的格值因子標(biāo)定誤差和零漂誤差不同，基于相對重力測量儀器的陣列式測量模式將不可避免的引入測量或計(jì)算誤差，影響場源體的識別精度。隨著絕對重力測量技術(shù)的不斷成熟和完善[39]，以數(shù)天為時(shí)間間隔的持續(xù)高精度絕對重力觀測成為現(xiàn)實(shí)。而重力梯度測量的優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)地下密度異常體具有更高的靈敏度，能夠更加直接的突出目標(biāo)體的邊界[40]。因此，利用陸基臺站絕對意義[41]的重力與重力梯度一體化測量，同步獲得絕對重力加速度與垂直向重力梯度觀測數(shù)據(jù)，可有效減少相對重力測量數(shù)據(jù)由于漂移、平差等因素引入的觀測誤差，提高測點(diǎn)區(qū)域源自地球內(nèi)部介質(zhì)運(yùn)移引起的地表重力場異常信息的觀測精度[42]。此外，重力與梯度觀測時(shí)間的一致性還可以更好地獲取到重力場的高階部分，約束反演過程，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性[43]和重力場源的分辨精度。

3 絕對重力與重力梯度一體化測量技術(shù)是未來地震重力監(jiān)測的新發(fā)展方向

高精度的垂直向重力梯度測量數(shù)據(jù)不僅用于直接描繪地下場源體的邊界，同時(shí)也是絕對重力測量結(jié)果向不同高度歸算的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在絕對重力測量之前需要完成場地重力梯度的測量，一般的測量方式是借助兩套甚至多套相對重力儀，通過垂直方向不同高度位置多次往復(fù)閉合測量的方式完成垂直向重力梯度的測量[44]。由于絕對重力測量的精度一般在5 μGal以內(nèi)，常用的CG5、貝爾雷斯和拉科斯特相對重力的精度為10 μGal，目前最先進(jìn)的CG6型相對重力儀的標(biāo)稱精度為5 μGal，因此，利用相對重力測量得到的梯度值用來歸算絕對重力測量結(jié)果時(shí)，梯度測量的準(zhǔn)確度偏差會直接帶入最終的絕對重力儀測量結(jié)果的誤差評估之中[39]。

直接的重力梯度測量需求從1971年美國空軍首次提出 1 E（1 E=0.1 μGal/m）移動級重力梯度測量儀器至今，重力梯度測量儀器的研究得到了世界科學(xué)家的高度重視，并取得了迅速發(fā)展。測量原理從旋轉(zhuǎn)差分加速度計(jì)、扭力測量、靜電懸浮測量、超導(dǎo)測量等幾個(gè)方向發(fā)展[45-46]，同時(shí)其測量方式也由靜態(tài)到動態(tài)，從船載到航空，由航空向著星載發(fā)展。目前唯一商用的高精度重力梯度儀采用旋轉(zhuǎn)差分加速度計(jì)測量原理，具有高穩(wěn)定性和測量精度[47]，成功應(yīng)用于航空和航海重力梯度測量。超導(dǎo)重力測量原理與彈簧式相對重力測量原理相比，具有更小的零漂，是具有重要發(fā)展前景的一類靜態(tài)重力梯度測量儀器[48]。而基于MEMS加速度計(jì)的重力梯度儀以其質(zhì)量輕和體積小成為了未來航空重力和重力梯度測量的首選[49]。

但上述的梯度測量屬于相對測量范疇，要獲得高精度的重力梯度測量結(jié)果，一方面需要加速度測量傳感器技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于梯度測量需求和不同傳感器之間測量性能指標(biāo)極高的一致性，另一方面還需要對每個(gè)加速度傳感器的標(biāo)度因子進(jìn)行定期標(biāo)定以消除漂移誤差累積和不一致帶來的梯度測量誤差。而絕對測量范疇的重力梯度測量儀器，具有無零漂、無需標(biāo)定、無動態(tài)范圍限制的優(yōu)點(diǎn)，因此，20世紀(jì)末美國宇航局的火星探測計(jì)劃中，就資助美國從事絕對重力儀生產(chǎn)的Micro-g公司，首次開展絕對測量范疇的激光干涉重力梯度測量的原理性試驗(yàn)，目的是用于火星的深部結(jié)構(gòu)探測。隨著激光干涉技術(shù)和原子干涉技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，激光干涉重力梯度儀和原子干涉重力梯度儀將是未來絕對測量范疇的重力梯度測量儀器的主要發(fā)展方向[50]。

4 結(jié)論

基于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度絕對重力測量技術(shù)，開展技術(shù)成熟度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、便于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和臺站觀測試驗(yàn)推廣的絕對重力與重力梯度一體化測量儀器的研制，可以打破國際上的行業(yè)技術(shù)壟斷，有效提升試驗(yàn)區(qū)域重力網(wǎng)的絕對重力控制能力[51]。高精度和高時(shí)空分辨力的絕對重力與重力梯度一體化觀測，為我國專業(yè)地震臺站的重力觀測技術(shù)革新提供了新發(fā)展方向?；诘貐^(qū)同類觀測儀器的多源數(shù)據(jù)融合分析也為開展地球長時(shí)間尺度的潮汐響應(yīng)、局部地區(qū)的斷層參數(shù)和地殼結(jié)構(gòu)研究，為區(qū)域地球動力學(xué)背景和孕震機(jī)理提供全方位的重力學(xué)支撐[52-54]，有助于發(fā)現(xiàn)可重復(fù)出現(xiàn)，且物理意義明確的前兆信號，對破壞性地震的短、臨預(yù)測有 “追本溯源” 和 “臨門一腳” 的作用。