(1.中国地震局地震研究所,地震大地测量重点实验室,湖北 武汉 430071; 2.武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站,湖北 武汉 430071; 3.中国地震局地球物理研究所,北京 100081; 4.中国地震局第二监测中心,陕西 西安 710054; 5.武汉大学测绘学院,湖北 武汉 430079; 6.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院,湖北 武汉 430071; 7.云南省地震局,云南 昆明 650224)
(1.Key Laboratory of Earthquake Geodesy,Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Wuhan 430071,Hubei,China)(2.National Observation and Research Station of Gravitation and Earth Tide,Wuhan 430071,Hubei,China)(3.Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China)(4.The Second Monitoring and Application Center,China Earthquake Administration,Xi'an 710054,Shaanxi,China)(5.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430079,Hubei,China)(6.Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology,CAS,Wuhan 430071,Hubei,China)(7.Yunnan Earthquake Agency,Kunming 650224,Yunnan,China)
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0055
中国大陆受西部印度—欧亚板块碰撞和东部太平洋板块俯冲影响,形成了以活动断裂带为边界的“活动块体”构造特征,地震活动具有“分布广、震级大、震源浅、灾害重”的特征(张培震等,2013)。为最大限度减轻地震灾害,中国是全球唯一以政府行为长期开展地震分析预报的国家(邵志刚等,2017)。
1966年邢台7.2级大地震后,我国开始开展地震监测、预报和科研工作,逐步建立了测震、地壳形变、流体、地磁、重力等观测网络,开展了相关观测研究和地震分析预报工作(张国民等,2006)。其中,流动重力观测采用绝对重力控制下的相对重力联测技术,以少量绝对重力观测为控制点,以相对重力仪联测野外测点,通过平差计算获取测点重力值,并通过定期复测获得重力变化资料,应用于大震地点的中长期预测(祝意青等,2018; 胡敏章等,2019)。
50余年来,经不断探索和实践,我国逐步建立了覆盖中国大陆的地震流动重力观测网,实现了标准化的观测,形成了地震分析预报的“半定量”方法(贾民育等,1995,2000; 祝意青等,2018; 胡敏章等,2019; 李树鹏等,2024),在6.0级以上地震地点的中长期预测中取得了较好效果(祝意青等,2018,2022)。同时,对强震前重力变化机理开展了研究(陈运泰等,1980; 李瑞浩等,1987; 申重阳等,2011; Chen et al,2016; Wang et al,2023)。本文从重力观测网与仪器、观测与数据处理分析方法、地震预测应用、震前重力变化机理研究等方面总结中国大陆地震流动重力观测的历史和现状,分析其面临的问题,讨论未来的发展需求,为相关工作推进提供参考。
以1966年邢台7.2级、1975年海城7.3级、1976年唐山7.8级、2008年汶川8.0级等大地震活动为契机,随着观测技术的进步,我国逐步建立了由绝对重力控制网和相对重力联测网组成,覆盖中国大陆的地震流动重力观测网。
(1)1966—1997年
1966年邢台7.2级大地震后,我国开始开展地震重力观测技术的探索,至19世纪70年代末,先后在华北、南北地震带等地区的主要断裂带布设了各类跨断层测线如图1所示的辽东半岛地震流动重力测线,并在辽宁北镇至庄河重力测线上观测到了1975年海城7.3级地震前的重力变化(卢造勋等,1978),且通过对北京—天津—唐山—山海关长距离火车测线的观测获得了1976年唐山7.8级地震前后的重力场变化(陈运泰等,1980; 李瑞浩等,1987)。流动重力观测主要采用Worden、CG-2型等低精度相对重力仪,各区域、测线独立观测,无绝对重力控制,观测精度可达20～30 μGal(1 μGal=1.0×10-8 m/s2)(重力清理攻关小组,1985)。
图1 1975年海城7.3级地震前辽东半岛地震流动重力测线及1500年以来5.0级以上历史地震分布(据卢造勋等,1978修改)
Fig.1 Gravimetry loops in Liaodong peninsula before the Haicheng M7.3 Earthquake in 1975 and distribution of M≥5.0 earthquakes since 1500(Modified from Lu et al,1978)
1980年以后,我国引进了LCR-G(LaCoste & Romberg-G)型高精度相对重力仪,选择重点区域建立了试验观测网,并开展了一些国际合作,较系统地开展了地震重力观测和分析预报实践。中国地震局地球物理研究所与美国哥伦比亚大学在京津唐张地区建立了一个包括7个固定台站和6条连接这些台站的流动重力测线组成的重力观测网(图2a),开展了空间连续和时间连续相结合的重力变化观测,获取了十几个4～5级地震相关重力变化,并提出了震质中、震质源的概念,以及地震孕育的联合膨胀模型、修改的联合膨胀模型等(顾功叙等,1997; Kuo et al,1999; 陈运泰等,2002)。1984年中国地震局地震研究所(湖北省地震局)与德国汉诺威大学、云南省地震局等合作,在滇西地震预报实验场建立了区域流动重力观测网(图2b),并开展了多期复测,发现5.0级以上地震多发生在重力变化高梯度带零值线附近等,初步总结了震级与重力变化量级之间的经验关系,并认识到地震孕育相关重力变化不局限于断层,而呈现“场”的特征(贾民育等,1995)。
2000年前后,我国在京津冀、河西走廊、郯庐地震带等地区建成了一批相互独立的区域重力测网,如图3a所示。贾民育和詹洁晖(2000)给出了反映重力变化范围的量——时变距,统计分析了震级与时变距的经验关系,并结合分形几何原理评价了区域流动重力测网的监测能力,指出区域流动重力测网对5.0级左右地震有较好监测能力,但因其覆盖范围太小而不具备6.0级以上强震监测能力。
图2 京津唐张地区(据顾功叙等,1997修改)(a)及滇西地震预报实验场(据王青华等,2019修改)(b)地震流动重力测网及1500年以来5.0级以上历史地震分布
Fig.2 Repeated gravimetry network in Beijing-Tianjin-Tangshan-Zhangjiakou earthquake region (Modified from Gu et al,1997)(a)and the Western Yunnan Earthquake Prediction Experiment Site (Modified from Wang et al,2019)(b),and distribution of M≥5.0 earthquakes since 1500
(2)1998—2008年
相互独立的区域流动重力测网难以获得全国整体重力变化,对6.0级以上强震监测能力不足(李瑞浩,1990; 贾民育,詹洁晖,2000)。因此,迫切需要建立全国性的重力观测网,统一观测基准,获取全国重力变化背景场,同时监测6.0级以上地震相关重力变化。1998年以后,随着高精度绝对重力仪的引进,在中国地壳运动观测网络(以下简称“网络工程”)项目资助下,由中国地震局牵头,联合中国科学院、原国家测绘局等部委共同建立了由25个绝对重力基准站、56个基本站和320个相对重力测点组成的重力观测网(许厚泽,2003),如图3b所示。基于网络工程(1998、2000、2002、2005年),以及中国地震局数字化地震观测网(2006—2007年)等,多部委联合采用FG5高精度绝对重力仪和LCR相对重力仪等开展了每2～3年1期的全国流动重力观测,获取了全国重力场变化,捕捉到了2001年昆仑山口西8.1级和2008年汶川8.0级地震前的大范围重力变化(祝意青等,2003,2010; 申重阳等,2009)。
(3)2008年以后
为进一步强化全国重力场变化监测,2010年,中国地震局联合自然资源部、中国科学院、教育部等,依托国家重大科技基础设施——中国大陆构造环境监测网络(以下简称“陆态网络”)项目建立了覆盖中国大陆的统一重力观测网,该网由100个绝对重力基准站和600余个相对重力联测点组成(邢乐林等,2016; 韩宇飞等,2020),如图3c所示,是当时精度最高、覆盖范围最广的重力基准网,弥补了区域重力测网的不足,与中国大陆综合地球物理场观测等项目协同观测,为此后6.0级以上强震地点中长期预测奠定了基础(祝意青等,2018; 申重阳等,2020)。
2008年汶川8.0级地震后,中国地震局系统总结了地球物理场观测的优势和局限性,认识到有必要将区域重力测网连接成整体,并统一观测基准,地震重力监测网建设和观测技术得到了快速发展。2009年,通过华北强震跟踪项目建设,将原本分散分布于辽东半岛、京津冀、山西地堑、郯庐断裂带、胶东半岛、邢台老震区等区域的流动重力观测网连接形成了大华北流动重力观测网,是我国建立的第一个大区域流动重力观测网,如图4所示。2010—2012年,通过中国综合地球物理场观测——青藏高原东缘地区(一期)项目建设,将南北地震带的滇西地区、鲜水河断裂带、河西走廊等区域流动重力网连接,形成了由400个相对重力联测点和10个绝对重力基准点构成的流动重力测网,如图5a所示。2013—2014年,通过中国综合地球物理场观测——鄂尔多斯地块周缘
图3 截至2001年的全国地震流动重力区域测网(a),中国地壳运动观测网络工程重力网(1998—2000年)(b)及中国大陆构造环境监测网络重力网(2010年)(c)
Fig.3 Repeated gravimetry network in Chinese Mainland up to 2001(a)and repeated gravimetry network in Crustal Movement Observation Network of China(1998—2000)(b),and repeated gravimetrynetwork in Tectonic Environment Monitoring Network of China(2010)(c)
图4 华北强震跟踪项目建设的大华北地区流动重力观测网
Fig.4 Repeated gravimetry network in North China founded by North China Strong Earthquake Tracking Project
地区(二期)项目建设,建立了环鄂尔多斯地块的流动重力观测网,由533个相对重力联测点和10个绝对重力基准点组成,如图5b所示。2015—2017年,通过中国综合地球物理场观测—大华北地区(三期)项目建设,通过在东北地区新建60个相对重力联测点,并整合华北地区流动重力测网,形成了由1 570个重力测点组成的大华北、东北地区整体流动重力观测网,如图5c所示。此外,新疆、福建、广东、海南、广西等省地震局也通过自筹经费等渠道,建立了覆盖天山地震带、东南沿海地震带等重点区域的流动重力测网,如图6a所示。上述区域性流动重力测网的建设为中国大陆整体流动重力观测奠定了基础。
截至2016年,中国大陆已建成了由4 000余个 相对重力联测点、4 500余个相对重力测段和101个绝对重力测点组成的流动重力观测网,主要分为全国网(图3c)和重点监视区测网(大华北、南北带、天山地震带、东南沿海等地区)两大部分(申重阳等,2020; 祝意青等,2022)。全国网由中国大陆构造环境网络工程支持,构成覆盖全国的高精度观测网,测点间距一般为50～100 km,每两年复测1期,用于监测中国大陆长期重力场变化。
图5 中国综合地球物理场观测项目建立的流动重力测网
Fig.5 Repeated gravimetry network founded by Multiple Geophysical Field Observation Project of China
图6 2008年以后新疆、广东、福建、广西、海南等省地震局建设的区域流动重力测网(a)及2017年以来融合全国网和区域网形成的中国大陆地震流动重力观测网(b)
Fig.6 Regional repeated gravimetry network constructed by Xinjiang,Guangdong,Fujian,Guangxi and Hainan(a),and repeated gravimetry network in Chinese Mainland formed by integrating the national and regional network since 2017(b)
重点监视区测点间距一般为20～50 km,除东北地区每年观测1期外,其它地区每年观测2期。该网在布局和运行方面主要存在几个问题:①测网在华南、西部地区仅有全国网的数条测线覆盖,空间密度严重不足; ②强震多发的青藏高原东缘测网较稀疏,监测能力不足,全国网和重点监视区测网观测周期不统一,全国网每2年观测1期,制约了观测成果的应用; ③绝对重力测点主要依靠陆态网络设置,覆盖面不足。
2017年,中国地震局重力观测技术管理部组织专家,对全网进行了优化。以地震监测预报需求为主要导向,兼顾其它领域应用,新测网优化原则主要包括:①局部加密:在交通条件允许的情况下,对华南、青藏高原东缘等测网稀疏地区进行了加密; ②资源整合:融合全国网和重点监视区测网形成全国整体测网; ③强化绝对控制:在现有101个绝对重力测点基础上进行了局部加密,形成了129个绝对重力点; ④保持资料延续性:主要保留原测网中有固定标志、环境稳定的测点,删并临时设置测段。
在上述原则指导下,新设计测网由2 088个相对重力点、2 614相对重力测段、129个绝对重力测点组成,如图6b所示。该测网删除河南、鄂尔多斯块体、东南沿海等地区测线共2 000余段,同时增加华南、滇南、藏东、甘青川交界等薄弱地区测线共计515段,对全国主要地震带、大断裂(块体边界等)形成了完整覆盖,同时顾及了与GNSS观测站、连续重力台站的连测。2017—2019年,中国地震局联合自然资源部、中国科学院等部委,对大华北、南北地震带、天山地震带开展了每年2期、其它地区每年1期的流动重力观测,观测资料除应用于地震分析预报外,还将进一步促进中国大陆动力学、构造运动等研究。在经费充足的情况下,为保持资料延续性,实际观测点数远大于测网设计点数(申重阳等,2020)。但由于2020年新冠肺炎疫情后观测经费大幅度缩减,难以维持上述观测规模。
观测仪器是影响高精度重力场变化观测结果的关键,而直接影响仪器观测精度的主要因素是温度、振动、气压和磁场干扰,早期使用的ZSM-III型、CG-2型、Worden重力仪等受上述因素影响尤其严重(重力清理攻关小组,1985),因此,相对重力观测规范中对仪器运输、观测过程均进行了严格规定。1980年,我国先后引进了LCR-G型、CG-5型、BURRIS、CG-6型等高精度相对重力仪,1998年先后引入了FG5/FG5X型高精度绝对重力仪和A10型便携式绝对重力仪,均成为当前地震流动重力测量的主要装备,其主要技术参数见表1。通过采用绝对重力控制下的相对重力联测技术进行野外观测,并以绝对重力观测为基准进行平差计算,区域重力观测精度可达～10 μGal,全国网整体平差解算精度可优于15 μGal。
表1 当前使用的主要地震流动重力观测仪器
Tab.1 The main gravimetry instruments for earthquake monitoring in use
近年来,国产重力观测仪器研制也取得了显著进展(孙和平等,2021; 林君等,2024),有望摆脱高精度重力观测仪器长期依赖进口的局面。中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、清华大学、中国地震局地球物理研究所等单位研制的自由落体式绝对重力仪,以及华中科技大学、浙江工业大学、中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院等单位研制的冷原子(量子)绝对重力仪参加了第10届国际绝对重力比测,观测精度整体接近了目前成熟商用的FG5X、A10型绝对重力仪(Wu et al,2021)。华中科技大学、中国科学技术大学、浙江工业大学等单位研制的冷原子(量子)绝对重力仪已在相关地震台站开展了较长时间的连续重力观测或流动观测,初步验证了其在地震监测业务应用的潜力(陈泺侃等,2023; 翁堪兴等,2024; 李忠亚等,2024)。北京奥地探测仪器有限公司研制的ZSM-6型石英弹簧相对重力仪,中国船舶重工集团公司第七〇七研究所研制的ZL22-1型金属弹簧相对重力仪均已通过中国地震台网中心组织的地球物理观测仪器入网定型测试,初步具备了开展高精度重力变化观测的能力,并已在物探等行业得到应用(陶照明等,2021; 常金鑫等,2024)。
高精度地面流动重力变化观测主要采用了绝对重力控制下的相对重力联测技术,即以少量绝对重力观测值作为控制基准,通过相对重力联测技术获得各测点间重力段差,经整体平差处理后获得各测点重力值,再通过定期复测获得重力变化,即流动重力测量。绝对重力测量通常在固定台站进行,采用仪器自带软件进行数据处理。相对重力联测则采用双程往返测量的方法以控制仪器漂移等引起的误差,且采用2台及以上的仪器同步观测,以便相互检校。如图7所示,联测时从A点出发,并在规定时间内(一般不超过72 h) 返回A点测量,顺序为:A→B→C→D→C→B→A,通过众多测线的相互连接组成如图6b所示的测网。图6b所示地震流动重力观测网的主体是相对重力联测点,因此,相对重力联测工作是当前地震流动重力测量的主要工作。
图7 相对重力联测示意图
Fig.7 Schematic diagram of relative gravimetry
流动重力数据处理包括绝对重力观测数据处理和相对重力联测数据处理。绝对重力观测数据处理一般采用仪器自带软件完成,获取基准点墩面绝对重力值。相对重力联测点是流动重力观测网(图6b)的主体,相对重力联测是流动重力测量的主要工作,因而对相对重力联测数据的处理是获得高精度观测资料的关键,主要包括数据预处理、平差计算、系统误差检测与改正、非线性零漂改正等过程。
(1)数据预处理
数据预处理的主要目的在于将重力仪观测读数转换为重力值单位,同时尽量消除仪器系统误差以及固体潮、气压等各种外部干扰因素的影响,主要包括:格值表转换、格值系数转换、周期误差改正、重力固体潮改正、气压改正、仪器高改正等(李瑞浩,1988; Torge,1989)。
(2)平差计算
平差计算一般以绝对重力值为基准,采用经典平差方法获取测网内各测点的当期观测值,称为经典平差,一般采用中国地震局推广应用的LGADJ软件进行计算(刘少府等,1991)。“十一五”期间,在陆态网络支持下建立了基于Oracle数据库的流动重力数据管理与处理系统——MRG_GDPAS,初步实现了数据管理和处理的信息化。在平差方法方面,LGADJ和MRG_GDPAS的重力网平差模块均包括了经典平差、自由网平差和拟稳平差3个模块。近年来,考虑到全国流动重力观测时间跨度大、绝对重力观测与相对重力联测不同步等问题,有学者提出了兼顾测点重力变化速率的动态平差方法,提升了流动重力观测数据处理的合理性(康开轩等,2015; 隗寿春等,2016; 郝洪涛等,2022)。Chen等(2019)提出了基于贝叶斯原理的平差方法,在实现平差计算的同时可完成相对重力仪漂移参数估计等。
(3)格值和零漂参数影响的校正
相对重力仪格值系数和零漂参数变化是影响高精度重力变化资料获取的关键。为削弱相对重力仪格值系数变化带来的影响,学者们研究了多种改正方法,如区域适定法(贾民育,1994; 孙少安等,2002)、标定结果内插方法(Ukawa et al,2010)、重力差方法(郝洪涛,2011)等。区域适定法需要利用测区积累的多期资料,搜索测区内空间分布和重力值分布相对均匀、且重力变化较小的测点,计算过程相对繁琐。标定结果内插方法是利用多期基线场标定结果内插出观测时刻的格值系数,时效性较差。重力差方法则最为直观简便,如2期重力观测段差与测段重力变化之间强线性相关,则表明其包含仪器格值变化带来的影响,据此可以快速检测和修正格值系数变化带来的误差。当前地震流动重力观测数据日常处理中,多采用重力差方法来检测和校正格值系数变化带来的系统误差。在实际工作中,若测区内有较多的绝对重力基准点,则建议依据绝对重力观测结果进行仪器格值的区域标定,并在数据处理时将格值系数作为未知数同时解算,可以避免仪器格值系数变化引起的系统误差,该方法也已在实际应用中取得了较好效果(梁伟锋等,2015; 隗寿春等,2019)。相对重力仪零漂率通常在平差计算时作为仪器未知参数进行解算得出。但是,如果零漂率在野外观测时段内(通常为2～3个月)变动较大,特别是广泛应用的CG-5型相对重力仪,则会导致段差处理结果自差超限,影响精度评定和数据解算精度。因此,需首先将观测数据按照每条测线的闭合观测时间进行分段,逐段进行平差,计算得到各时间段的零漂率,分析重力仪零漂率变化和稳定性,然后根据各数据段零漂率计算结果进行校正(邢乐林等,2010; 郝洪涛等,2016),以提高数据处理精度和重力变化成果可靠性。
除构造运动外,测点周边环境变化有可能产生显著的重力变化,需要在重力变化异常分析时予以特别关注。典型的环境变化主要包括测点周边地形地貌改变、大型水库蓄放水的影响、土壤含水的季节性变化、局部地下水变化等。Li等(2024)发现2020年10月—2022年7月泸州基准站的绝对重力减小了超过90 μGal,在排除测站高程变化、陆地水储量、长江水位变化等影响后,发现台站周边土方开挖导致的地貌改变是引起该重力变化的直接原因。三峡等大型水库蓄放水引起的重力变化达150 μGal以上,但衰减很快,空间分布很集中(孙少安等,2006)。土壤含水等引起的季节性重力变化量级为～10 μGal(周江存等,2009),大华北地区因地下水流失及沉降引起的长期重力变化量级可达数十μGal(Hao et al,2021),局部地下水位变化的影响则有可能超过100 μGal(李树鹏等,2020),在重力变化异常分析时应予以关注。在地震重力监测业务工作中,通过合理布设观测点位(远离大型水体等)和合理安排野外观测时间(同季节观测)可一定程度上削弱上述影响。对于华北等存在大范围沉降的区域,则通常利用GNSS观测的长期垂直形变资料对重力变化资料进行部分修正。因重力场变化一般具有区域连续性特征,在重力变化数据分析过程中,如果发现区域内某单点重力变化特别显著,则基本可判定其受到了测点周边环境变化的影响,应予以剔除。
地震是断层应力应变积累以致突破岩石强度后的突然失稳破裂(张培震等,2013)。地震孕育过程中,随着震源区应力积累,可能引起地壳形变和内部物质迁移,导致地表重力变化,强震常发生在与构造相关的重力变化高梯度带、零值线附近或四象限中心部位,如图8所示。通过分析重力变化空间分布特征、范围、量级、时间演化过程等,可以对强震地点进行较好的中长期预测(贾民育等,1995; 祝意青等,2018; 胡敏章等,2019)。表2给出了2013—2024年中国地震局重力学科专家对西部地区6.0级以上大震震中位置的1～3年中长期预测情况。2013年以来,中国大陆共发生6.0级以上地震35次,其中19次位于重力学科预测危险区内或在地震趋势分析中给出了明确意见,包括2024年甘肃积石山6.2级、新疆乌什7.1级等地震中国地震局.2023.2024年度地震趋势分析重力学科研究报告.,未进行预测的地震一般位于测点分布稀疏、观测能力薄弱的地区,如图9所示。
图8 2016年新疆呼图壁6.2级地震前(2015-09—2016-05)(a)和2022年四川芦山6.1级、泸定6.8级地震前(2019-09—2022-08)(b)重力变化
Fig.8 Gravity variations before the 2016 Hutubi MS6.2 earthquake in Xinjiang(2015-09-2016-05)(a) and the 2022 Lushan MS6.1 and Luding MS6.8 earthquakes in Sichuan(2019-09-2022-08)(b)
表2 2013—2024年6.0级以上地震中长期预测信息(据祝意青等,2018修改)
Tab.2 Mid-long term prediction for earthquakes with a magnitude of 6.0 or above since 2013(Modified from Zhu et al,2018)
图9 2013—2024年中国大陆6.0级以上地震预测情况
Fig.9 Prediction of earthquakes with a magnitude of 6.0 or above in Chinese Mainland since 2013
根据重力场变化观测和地震预测实践经验的积累,人们对破坏性地震发生前的重力变化“时、空、强”有了一定的认识,认识到发震时间、地点、震级与重力场变化存在如下定性关系(贾民育,詹洁晖,2000; 祝意青等,2018; 胡敏章等,2019):①重力变化的空间分布特征与发震地点预测有关; ②震前重力变化覆盖范围越大,则震级越大; ③震前重力变化量级越大,则震级越大; ④震前2～3年的观测对发震时间预测非常关键。
为了统一震前重力变化的半定量认识,有学者给出时变距S和重力变化异常量级G 2个参数来定量描述重力变化特征(贾民育,詹洁晖,2000; 胡敏章等,2019),S为震中至正异常区域中心的距离,即特征异常区的半径,重力变化范围为2S; G为地震、断裂构造运动相关重力变化正-负差异,其取值为:①重力变化异常图像出现梯度带和四象限特征时,G取正负变化的最大差值; ②仅有局部重力变化时,G取最大变化值(与历史震例保持延续性);③由于强震前一般有较长时间的重力场演化过程,而流动重力观测时间间隔较长,无法确定哪一期观测到的重力变化异常才最具代表性,因此当某地震有多期变化值时,取累计变化较为显著时期平均值作为G值。祝意青等(2018)较系统地总结了与5.0、6.0、7.0、8.0级地震孕育相关的重力变化异常形态、持续时间、量级、范围等特征。胡敏章等(2019)收集了89个震例,通过线性拟合,获得了震级与震前S和G的定量关系,结果表明震级越大则震前重力变化范围和量级越大。李树鹏等(2024)收集了107个震例,通过指数函数拟合,进一步量化了强震前重力变化特征,并讨论了不同地震类型的影响。表3给出了不同震级对应的震前重力变化异常范围2S和量级G之间的关系,可为震级预测提供参考。
表3 不同震级对应的震前重力变化异常范围和量级
Tab.3 The abnormal range and abnormal magnitude of gravity variations before earthquakescorresponding to different magnitudes
为有效捕捉地震孕育相关重力场变化的时空特征,流动重力测点的均匀格网化布局是最理想的选择,但是由于受地理和交通条件的限制,实际流动重力测网通常采用沿道路布设的方式实施,沿道路点距较小而测线间距离可能达数百公里,重力网观测能力很大程度上受测网布局的制约。根据表3,发现不同震级对测网最大点距(时变距S)和覆盖范围(4S)有不同要求。流动重力测网具有典型的分形特征,单纯计算相对重力测段长度并不能科学评价测网的监测能力,可以用分形方法来研究其空间分辨率,结合典型强震前的重力变化时变距S统计结果,对测网监测能力做出评估(贾民育,詹洁晖,2000; 李辉等,2010; 胡敏章等,2015)。
流动重力测网中的测点是典型的分形点集,有:
n(r)～rDf(0<Df<2) (1)
式中:n(r)是半径为r的方块内测点数; Df是点集的分形维,取值小于2且通常不为整数,Df取值越小则表示测点分布的不均匀性越严重。
贾民育(1996)指出,可用方盒法计算流动重力点集的分形维,建立log[n(r)]与log(r)之间的统计关系,且在r的一定区间内,log[n(r)]～log(r)曲线呈直线状态,该直线段的斜率的负值即为分形维:
Df=-log[n(r)]/log(r) (2)
同时,直线段与曲线段的分界点对应的r值为测网的最佳格网距,记为r0,可作为制作二维重力场变化图像时格网化参数选取的参考值。根据采样定理,最佳格网距为r0的流动重力测网的空间分辨率λ(即所能恢复的地球重力场信号的最短波长的一半)为:
根据式(2)、(3)计算得出,华北、南北地震带、 天山地震带、东北、华南、西部等区域,以及全国测网的分形维、最佳格网距、最小分辨率,并参考表3,对测网进行理论监测能力评估,结果如图 10和表4所示。从图可看出,受交通条件制约,流动重力测点分布依然不均匀。
结合表3、4和图 10可以看出,中国大陆流动重力测网的华北地区、南北地震带测网具备监测5级地震重力场变化的能力,天山、东北、华南地区测网具备监测5.5级地震重力场变化能力,西部地区测网具备监测6.5级地震重力场变化的能力。但表4给出的是不同地区流动重力测网测网的理论监测能力,实际应用中还应与观测时机、震中位置、局部测网密度等结合,宜放宽应用条件。从表4可以看出,不同区域的最佳格网距和最小分辨率虽能满足相应震级的重力场变化监测需求,但其尺度远大于表3给出的孕震范围,意味着当前测网尚不能实现对“源”的精细监测。实际上要获得5级以上地震较为完整的重力变化信息,在有条件的地方应适加密测点。
图 10 2017年新设计流动重力测网各区域的分形维、最佳格网距及最小分辨率
Fig.10 The fractal dimension,optimal lattice spacing,and minimum resolutionof the 2017 newly designed gravimetry network
表4 不同地区流动重力测网理论监测能力评估
Tab.4 The theoretical monitoring ability assessment for different areas of the mobile gravimetry network
如何理解地震前的重力场变化,这关系到对地震孕育和演化机理的深入认识。由于不同地震发生构造背景的多样性,并没有一种模式可以解释所有的地震前重力变化现象。几十年来,学者们通过对不同震例的总结,先后提出过质量迁移、膨胀扩容、闭锁剪力等多种孕震模式,深化了对地震重力变化机理的科学认识。
陈运泰等(1980)分析了1975年海城7.3级地震和1976年唐山7.8级地震前后的重力变化,指出重力变化与地震发生可能有密切的关系。进一步根据水准测量资料获得了震区高程变化,分析发现由测点高程变化引起的重力变化远小于实测重力变化; 据此推测某些大地震的孕育发生可能与地壳和上地幔内的质量迁移有关,认为所观测到的重力变化大部份是质量迁移引起的; 对地壳形变和内部质量迁移引起的重力变化效应进行了理论上的分析,但对质量迁移的物理过程并未给出解释。陈运泰等(2002)对京津唐张地区重力变化与地震活动关系的研究表明,流体(包括近地表水和深部流体)对地震孕育过程中重力变化有重要影响,且引起重力变化的“质量中心”与震中往往并不重合,并据此提出了震质源(hypocentroid)和震质中(epicentroid)的概念。根据地表观测的重力变化可以反演震质中,为地震孕育的深部动力过程研究提供参考(Kuo et al,1999; 陈石等,2011)。对2008年四川汶川8.0级、2013年四川芦山7.0级、2015年尼泊尔8.1级以及2022年青海门源6.9级等地震前的重力变化研究进一步表明大地震前地壳深部可能存在大规模的物质迁移(Chen et al,2016; Zhang et al,2019; Jia et al,2023; Wang et al,2023)。
Li和Fu(1983)和李瑞浩等(1987)利用1971—1980年的北京—天津—唐山—山海关火车测线资料,扣除温度、气压、地下水、测点高程变化等干扰因素影响后,获取了唐山、天津、山海关3个测点相对于北京的重力变化过程,发现3个测点在唐山7.8级地震前同步经历了重力增加—减小—恢复的过程。利用膨胀扩容理论解释了上述变化过程,认为唐山7.8级地震前后震源区经历了应力积累压缩(重力增大)—膨胀扩容(重力减小)—发震—震后恢复的过程,并且理论计算的重力变化与实测值具有较好的一致性。虽然目前的很多震例研究表明,地震往往不发生在重力变化最大的地区,而发生在与构造相关的重力变化高梯度带零值线或四象限中心部位(祝意青等,2018; 胡敏章等,2019; 李树鹏等,2024),膨胀扩容过程一直是解释地壳深部物质迁移动力学机制的重要物理模式。
申重阳等(2011)根据2009年云南姚安6.0级地震前震中及周边地区重力场变化的四象限分布特征,结合震源机制解,指出四象限重力分布可能反映了孕震体的先存剪应力,并据此提出了闭锁剪力孕震模式。黄浩哲等(2019)结合地震位错理论,利用等效位错定量描述震前闭锁剪力,并根据姚安6.0级地震前重力变化和震源机制反演了等效位错,据反演结果推测的姚安地震矩震级为MW5.88,与USGS给出的矩震级MW5.7接近。金雯等(2023)基于2022年四川泸定6.8级地震破裂模型计算了同震重力变化,根据同震和震前重力变化相似的四象限特征,以及发震断层的左旋走滑特征,进一步探讨了闭锁剪力孕震模式的可能性。目前,闭锁剪力模式虽然需要更多的重力、地壳形变等观测资料来验证,但可能提供了一种基于重力变化数据的地震数值预测新方法。
除上述模式外,Kuo和Sun(1993)在研究京津唐张地区重力变化与地震活动关系时,还采用了包含膨胀扩容、膨胀失稳、断层区膨胀等为一体的联合膨胀模式来解释该地区可能的孕震机制。顾功叙等(1997)则认为膨胀失稳模式不适用于京津唐张地区,并提出修改的联合膨胀模式用于解释重力变化与地震孕育发生的关系。
数十年来,围绕地震监测预报需求,以中国地震局为主,逐步建立了覆盖中国大陆的重力观测网,形成了较完善的数据处理和异常分析方法,在6.0级以上地震发震地点的中长期预测中取得了较好效果。为进一步加强强震相关重力变化过程监测、震前重力变化机理研究,以及地震分析预报应用等工作,需要加强人才队伍建设、提高观测系统能力、加强基础研究。
中国地震局自20世纪80年代以来,依托湖北省地震局(中国地震局地震研究所)建立了重力观测技术管理组,牵头统筹全国地震重力监测、数据处理和分析工作,在地震监测预报和科研工作中发挥了重要作用。近年来,有关单位在工作中存在监测与预报研究脱节现象。实际监测预报工作中,不少单位的野外监测人员同时兼有流动重力测量、GNSS测量、水准测量等任务,且不从事分析预报工作,而分析预报人员又缺乏对重力场变化的深入了解,不能充分发挥重力资料的预测效果,不利于专业队伍的形成和成长,更不利于新技术的推广应用。因此,应以技术管理组为核心,强化形成一支精通监测和分析预报,同时具备一定科研能力的人才队伍。
目前,流动重力观测随实现了全国范围的覆盖,但在空间分布上缺乏针对典型断裂带区域的监测设计,在重复周期上每年观测1～2期,难以捕捉与地震孕育相关的重力变化全过程,在观测技术上以相对重力联测为主体,绝对重力控制不足。未来,需推进《中国测震站网规划(2020—2030年)》中国地震局.2020.关于印发《中国测震站网规划(2020—2030年)》等四项规划的通知.附件3:中国地球物理站网(重力)规划(2020-2030年)(中震测发〔2020〕9号).的实施,形成高时空分辨率的重力观测系统,需从以下几方面强化建设:
(1)围绕典型构造带和潜在大震长期危险区,综合利用连续绝对重力观测、流动观测等手段,建设时间上连续、空间覆盖范围和密度合理的专门观测系统,为捕捉大震孕育相关的深部动力学过程提供基础资料。
(2)推进流动重力与超导重力、量子重力连续观测的深度融合,发挥各自时空分辨率优势,获取全国范围高时空分辨率的重力变化。
(3)加强绝对重力观测:一是增加全国特别是重点区域绝对重力数量; 二是尽量确保绝对重力测量与相对重力联测时间同步; 三是将量子重力连续绝对观测纳入流动重力观测体系作为控制基准。
(4)推进与卫星重力观测等融合,既实现独立观测资料的相互验证,又可实现时空分辨力上的相互补充。
由于受到地球内部的“不可入性”、大地震的“非频发性”、地震物理过程的复杂性等困难的制约(陈运泰,2009),地震预报依然是世界性难题。根据地表观测的重力变化反推地球内部构造变化,不可避免地存在多解性,导致研究与地震孕育相关的重力变化机理较为困难。无论是质量迁移、膨胀扩容,还是闭锁剪力模式,其最终引起的重力变化均可归结为地面测点高程的变化和地球内部物质迁移。尽管已有震例表明大震前存在数月至数年时间尺度的重力变化,可能由内部物质迁移引起,但其变化过程尚需要地震学、地壳形变、地下水等多方观测资料的佐证,其机理亦需要进行持续的研究。
本文涉及到国界的插图均已送相关部门审查并获通过,受理号:国审受字(2025)第00962号; 审图号: GS(2025)1274号。
