华北中东部卫星时变重力场特征研究

杨利普，姜　磊，李德庆，徐志萍，徐顺强，李怡青，熊　伟，康　敏

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州　450002)

华北中东部卫星时变重力场特征研究

杨利普，姜磊，李德庆，徐志萍，徐顺强，李怡青，熊伟，康敏

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州450002)

摘要：利用华北中东部GRACE卫星时变重力数据，以2003年、2004年重力年均值为基值，计算得到2005—2014年相对于该基值的重力场累积动态变化和差分动态变化图像，并探讨该区近10年来重力场的时空动态变化特征。结果表明：研究区10年间累积重力场以减小为主，2010年以后，差分重力变化呈NS向条带状展布，且重力变化增加，相邻期差分重力场出现反转。

关键词：GRACE卫星重力；时变重力场；华北中东部

0引言

华北中东部存在多条活动断裂带(图1)，如NNE-NE向的山西活动断陷带、NNE向的华北平原活动断陷带、NWW向的张家口—渤海(张-渤)活动构造带以及近EW向的内蒙河套活动断陷带等。这些活动构造带也是中国大陆东部现今地壳运动最强烈、地震活动频度最高、强度最大的地区，历史上曾发生过多次强震和大地震[1-2]。本文研究范围(32°N～41°N，110°E～117°E，图1)包括： 位于山

图1　研究区范围图

西地震带与张渤地震带交汇部位的晋冀蒙交界地区； 位于汾渭地震带南端，南依秦岭褶皱山系北麓，北靠鄂尔多斯地块东南缘的晋陕豫交界区；以及处于太行山断块、冀鲁断块、皖豫断块交汇部位的华北地块一级构造单元。这3个区域地质构造复杂，地形多变，是历史上强震的多发部位。强震或大地震受区域应力场及主要活动断裂带的控制，通常孕育并发生在活动断裂带应力高度积累的部位，这些部位及其附近在孕震阶段的显著差异构造运动，通常伴有显著的重力场变化。因此，在特定的时-空尺度上，强震的孕育发生与区域重力场的非均匀时-空变化紧密相关[1]。GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星作为重力观测的一种手段，提供了长时间尺度的重力变化信息，已捕获到2004年苏门答腊-安达曼地震、2010年智利大地震、2011年日本东北部大地震引起的重力变化；同时，在芦山MS7.0地震震前GRACE时变重力场的研究中也发现了规律性变化。邹正波等[3-9]利用GRACE数据中心公布的美国德克萨斯大学空间研究中心处理的RL04模型数据最大阶次60阶的月重力场模型，对汶川MS8.0地震前后的局部重力场变化特征进行研究，结果表明，大地震对局部重力场影响明显。

本文利用GRACE卫星时变重力资料，通过消除陆地水储量变化的效应，获取反映2003—2014年华北中东部地区岩石圈重力场动态变化的图像，分析探讨该区重力场时变特征。

1数据处理

GRACE卫星是美国国家航空航天局(NASA)跟德国航空中心的合作项目，是观测地球重力场变化的卫星。GRACE卫星于2002年升空后开始将重力数据传回地球。GRACE时变重力场数据源于德国地学中心(GFZ)发布的Level-2 RL05地球重力模型，选用模型为美国德克萨斯大学空间研究中心处理的GRACE CSR-rl 05月模型，该数据为处理后的规格化重力场位系数，最高阶次为60阶，高斯滤波半径为300 km，模型已扣除了大气、海洋、极潮、固体潮及海潮等影响[10]。差分重力场可以反映区域的局部重力效应，由于滤波半径的原因，为了更好地研究华北中东部重力场变化特征，故选取GRACE重力场数据的范围远大于研究区范围：30°N～45°N，105°E～120°E。由于GRACE时变信号包含了全球陆地水、冰川、地震等相关物质迁移及质量再分布信息，为了从GRACE中提取与地震活动过程相关的重力变化信号，需要扣除包含降雨、蒸发(包括蒸腾)、径流和地下水活动等在内的陆地水储量变化带来的影响。根据全球陆面数据同化系统GLDAS(Global Land Data Assimilation System)提供的等效雪水高、地表水适度、蒸发及径流等水质量信息，本文选取GLDAS提供的0.25°格网间隔的数据[10]。由式(1)建立水质量变化与重力位系数之间的关系，构建方程，解算出水质量变化对应的球谐系数变化，采用与提取GRACE重力变化相同的方法得到陆地水质量变化引起的重力变化，并从卫星重力结果中去除该信息，从而获得研究区各年份年均重力场模型[8]。

[ΔClmcos(mλ)+ΔSlmsin(mλ)]

(1)

式中：Δσ是质量变化，ΔClm和ΔSlm是质量变化引起的球谐系数变化，ρaνe为地球平均密度(5 517 kg/m3),kl为勒夫数。

以2005年与2003年、2004年差分重力变化结果(图2)为例，经陆地水储量改正后，GRACE卫星重力值变化较小，等值线走向、形态一致，对该区域时变重力场影响较小。

图2　陆地水储量改正前后GRACE卫星重力场变化图

郑秋月等[11]、苏晓莉等[12]、胡小工[13]等研究认为，GRACE卫星重力数据经过模型校正后，得到在一定区域尺度分辨率下的非大气、非海洋的质量变化。一般在季节性或更短的时间尺度上，这种剩余的重力场变化在陆地区域主要与水储量变化相关[11-14]。本文认为GLDAS陆面水模型变化对地表水文影响已消除，同时考虑到深部地下水是个稳定的循环系统，在较大的空间时间尺度上对时变重力场的影响可以忽略不计。周新、邹正波、姜磊等[4,6,8,15-20]利用相似的方法研究了智利、汶川、芦山、尼泊尔等强地震前后GRACE卫星重力变化特征，并认为卫星重力变化显示了大地震前、时、后震源区周边物质迁移和动力学变化过程。

首先，求取2003—2004年2年的平均重力场模型，并以该均值为基值，求出2005年以后的年均重力值相对该基值的变化，得到研究区从2005—2014年的重力累积动态变化场(图3)和重力差分动态变化场(图4)。

a　2005-0304累积动态变化场

b　2006-0304累积动态变化场

c　2007-0304累积动态变化场

d　2008-0304累积动态变化场

e　2009-0304累积动态变化场

f　2010-0304累积动态变化场

g　2011-0304累积动态变化场

h　2012-0304累积动态变化场

i　2013-0304 累积动态变化场

j　2014-0304累积动态变化场注：图中红色矩形为研究区范围图3　GRACE卫星重力场累积动态变化图

2重力场的累积动态变化及其特征

2005年相对于2003年、2004年(图3a)，研究区以北京—石家庄—洛阳为界，以西为重力减小区，以东为重力上升区，重力变化场走向为NE-NW向，负重力值范围-4×10-8～0 m/s2，正重力值范围0～6×10-8m/s2；2006—2008年(图3b～图3d)，重力场累积变化特征相似，研究区内重力场负值区域向南扩展，2007年重力值累积变化量最大，正、负重力值分别达-7×10-8m/s2和5×10-8m/s2；2009—2010年(图3e～图3f)，华北中东部地区重力累积变化场负值区域进一步向东南扩展，幅值继续增加，在2009年达到 -10×10-8m/s2，2010年累积变化量有所减小，但负值变化区域不变，研究区东南部正值变化量减小；2011年与2003年、2004年相比(图3g)，研究区重力场累积变化以负值为主，变化幅值减小至 -5×10-8m/s-2，中南部出现一正重力值变化中心，幅值达6×10-8m/s2；2012年相对2003年、2004年(图3h)，华北中东部地区重力场以减小为主，等值线密集，中心变化量达11×10-8m/s2，正值重力变化位于研究区东南部菏泽附近，变化范围0～4×10-8m/s2；2013年与2003年、2004年相比(图3i)，研究区内除吕梁西北部形成的重力场正值变化中心，其他地区重力场均表现为负值变化特征，幅值范围 -8×10-8～0 m/s2；2014年相对2003年、2004年(图3j)整个华北中东部地区重力场减小，幅值范围-13×10-8～0 m/s2。

通过以上分析不难发现，在华北中东部地区，近10年来，累积重力场变化以减小为主，累积减小量可达 -13×10-8m/s2，局部地区呈现重力值增加的状态，说明该区域自2005年以来，地壳物质在持续向周围运移。

3重力场的差分动态变化及其特征

2006年相对2005年(图4a)，华北中东部重力场整体减小，局部地区上升，在研究区西南部形成正重力变化中心，幅值在0～3×10-8m/s2；2006—2007年(图4b)，重力场整体变化不大，在 -3×10-8～2×10-8m/s2范围内，与图3a相比，正重力变化中心东移；2007—2008年(图4c)，研究区重力场变化特征为南负北正，变化幅值较小：-3×10-8～2×10-8m/s2；2009年相对2008年(图4d)，华北中东部地区重力场周围减小、中部上升，变化范围 -4×10-8～1×10-8m/s2；2010年与2009年相比(图4e)，研究区内重力场变化有正有负，幅值范围 -2×10-8～3×10-8m/s2，在研究区西北部和东南部表现为重力减小，其他地区上升；2010—2011年(图4f)，华北中东部地区重力场变化曲线呈NS向条带状展布，中部上升，两侧减小，变化范围 -6×10-8～7×10-8m/s2，幅值较上一年增加了1倍，等值线密集；2012年与2011年相比(图4g)，研究区差分重力场西部下降，东部上升，呈NS向展布，变化幅值在 -8×10-8～5×10-8m/s2范围内；2012—2013年(图4h)，华北中东部重力场变化出现反转，西部上升，东部减小，且重力值达±10×10-8m/s2，等值线密集；2013—2014年(图4i)，研究区内差分重力场变化西负东正，NS向条带状展布，幅值为-7×10-8～3×10-8m/s2。

综上所述，自2005年至2010年，差分重力场变化平缓，在-4×10-8～5×10-8m/s2之间，2010年后，差分重力变化幅值增加至±10×10-8m/s2，且重力场变化呈NS向条带状展布，表明2010年以后，华北中东部地区受区域构造应力场的控制；此外，2011年日本地震后，研究区重力场变化幅度明显增加(图4g～图4h)。

a　2006-2005差分动态变化场

b　2007-2006差分动态变化场

c　2008-2007差分动态变化场

d　2009-2008差分动态变化场

e　2010-2009差分动态变化场

f　2011-2010差分动态变化场

g　2012-2011差分动态变化场

h　2013-2012差分动态变化场

i　2014-2013差分动态变化场图4　GRACE卫星重力场差分动态变化图

4讨论及结论

1)华北中东部地区GRACE卫星重力场累积变化表明：2003—2014年底，华北中东部地区重力值以减小为主，变化范围-13×10-8～0 m/s2，研究区十几年来总体表现可能为壳、幔物质存在运移。

2)华北中东部地区GRACE卫星重力场差分变化表明：2010年以后，华北中东部地区重力值变化幅度增加了一倍，且呈NS向条带状展布，该区受区域构造应力场的控制作用增加。

3)2011年日本地震发生后，华北中东部地区2010—2014年差分重力场变化量较前几年明显增加，且相邻年差分重力场变化出现反转现象。

4)2005年与2003年、2004年差分重力变化结果表明：经陆地水储量改正后，华北中东部地区GRACE卫星重力值变化较小，等值线走向、形态一致，对该区域时变重力场影响较小。

5)重力卫星在发生巨大地震时的同震变化是非常明显的，这在2004年苏门达腊-安达曼大地震、2008 年的智利大地震和2011 年的日本大地震中被国内外多个地震学者所证实。由于巨大地震前数年，震源区周边卫星重力场将会产生比较明显的正负异常分布特征，随着临近发震时刻，震源区及周边的重力差变化明显加剧[15-20]。研究区GRACE卫星重力场累积变化和差分变化均不存在比较明显的正负异常分布、重力差变化明显加剧等特征。

致谢：感谢中国地震局地震研究所邹正波副研究员提供的陆地水储量改正模型，并给予相关指导。

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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

基金项目：中国地震局物探中心青年基金项目(YFGEC2014010)

作者简介：杨利普(1982—)，男，河北邢台人，工程师，主要从事地球物理数据处理方法研究．E-mail： gme511@163.com

中图分类号:P315.726

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)02-0019-08

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.02.004

杨利普，姜磊，李德庆，等．华北中东部卫星时变重力场特征研究[J]．华北地震科学，2016，34(2):19-26.